物理化学性质及工艺特性
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发布时间：2023-04-12 10:29
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时间：2023-10-02 11:05
由于石棉种类很多，矿物成分和化学组成不同，不同种类的石棉，物理性质和化学性质也都不同，致使石棉具有诸多的优良特性。
一、石棉纤维的劈分性
1.蛇纹石石棉
蛇纹石石棉纤维几乎具有可以无限劈分的性质，能劈分成柔韧微细的纤维，在电子显微镜下可以观察到无数彼此平行的微细管状纤维，纤维直径约为2×10－5mm。石棉纤维的劈分难易程度与石棉种类和产状有关，直接影响到工业利用和选矿时石棉的分解难易。一般劈分性好的纤维，可以劈分得比蚕丝还要细，理论上甚至可达到其结晶时的硅氧链状组成的“细管状体”，但是实际上是不可能的。影响纤维劈分性的原因主要有:化学成分、结晶程度、含吸附水的多少、应力破坏、矿石中某些物质的加入等。不同矿床类型或矿石类型纤维的劈分性不同，同一类型不同地质环境下形成的石棉矿石其劈分性也有差异。
目前鉴别石棉纤维可劈分性的方法有:手掰法、捻搓法或机械研磨法等简单的方法，主要用此判断石棉劈分成纤维束、丝的难易程度，确定其可劈分性是否良好。也有以石棉纤维的最小直径(纤维细度)来衡量石棉的可劈分性。纤维细度通常利用透射电镜或扫描电镜拍摄的显微照片经实测得出;还有以单位质量(g或mg)内含有纤维的根数或以单位截面积(mm2)内能剥分出纤维的根数，或用氮吸附法测定比表面积(对实心的角闪石石棉)值来评价其可劈分性。
2.角闪石石棉
角闪石石棉平均直径为0.16～0.86μm，最小直径为0.041μm，比表面积为2.4～12.4m2/g，纤维越细，比表面积越大。一般地，纤维的平均直径为0.162～0.420μm，比表面积为6.88～12.42m2/g时，纤维的劈分性就较好。角闪石石棉纤维的细度及劈分性与其成分和晶体结构有关。首先与结构中双链的坚固性和双链之间的结合力有关。Al3+代Si4+时，所形成的Al—O四面体比Si—O四面体大，引起双链发生扭曲和负电价增加，它们均影响链的坚固性，即大致沿链方向的化学键力减弱和垂直于链方向上化学键增强，从而引起角闪石晶体形成时沿垂直于双链方向发育相对增大，并影响纤维细度。双链间若为低电价、大半径的Na+、K+、Ca2+阳离子联结时，所形成的角闪石石棉纤维细度就较细。所以自然界产出的碱性角闪石石棉往往纤维细度小、比表面积大、质量好，如蓝石棉。
3.水镁石石棉
水镁石石棉纤维束细度(SEM测定)为0.98～1.68μm，最细者为0.086μm，比表面积为3.8～23.45m2/g。
二、石棉纤维的机械强度
1.蛇纹石石棉
蛇纹石石棉纤维具有较强的抗拉强度，尤其是从块状矿石中分离出的未变形的纤维，其抗拉强度更大，最高可达4237MPa，远远超过钢丝的抗拉强度(1304MPa)。在常见的纤维材料中，玻璃纤维和硼纤维的抗拉强度与蛇纹石石棉相近，其余无机纤维和有机纤维的抗拉强度均较蛇纹石石棉低。尤其是在较高温度下，温石棉纤维仍能保持相当好的强度，是一突出的优点。
温石棉纤维的机械强度与纤维的化学成分特征、纤维表面结构的完整性、纤维性和管心充填物情况等因素有关。富镁碳酸盐岩型温石棉纤维间常有碳酸盐矿物黏结或充填，其抗拉强度一般高于超镁铁质岩型温石棉;横纤维石棉一般比纵纤维石棉的强度高，含水镁石纤维的温石棉，其抗拉强度可降低至1203MPa，此外，风化作用、裂隙构造的再活动及人为的损伤也会使其抗拉强度显著降低。蛇纹石石棉在300～450℃范围内的加热处理过程中，其抗拉强度要增大，且在冷却后相当长时间内仍能保持良好的强度。这一性能对提高温石棉制品的机械强度有积极意义。加热处理使纤维强度增大的原因之一是加热时可使纤维间键力增强。此外，也可能与吸附水的排除有关，因为吸附水排除后，纤维之间结合更紧密，强度也就随之增大。
2.角闪石石棉
角闪石石棉的抗拉强度为158.9～1598MPa，拉伸弹性模量为9709～32264MPa，断裂伸长度为1.5%～5.2%。蓝石棉的力学性质优于其他角闪石石棉。影响角闪石石棉力学性质的因素除了成分、结构外，还与纤维胶结物特点、风化程度、分散程度及人为折损程度等因素有关。
3.纤维水镁石
纤维水镁石的抗拉强度为902MPa，属中等强度纤维材料，加热处理(400℃)、风化或酸蚀作用可大大降低其强度。其弹性模量为13800MPa，有一定脆性。
三、石棉的耐热性
石棉具有一定的耐热性能，并且不燃烧。通常是以失去结构水的温度为石棉纤维的耐热度。温石棉长时间耐热温度为550℃，短时间耐热温度为700℃。因此，温石棉的耐热度为550～700℃。此时，温石棉纤维的物理性质遭到破坏，失去光泽，颜色变成淡红色至肉红色，弹性韧性丧失，易搓成粉末。在各种石棉中，角闪石石棉的耐热性能最强，温度在900℃时其物化性能仍保持不变。水镁石石棉分解温度为450℃，可靠使用温度为400℃，最高使用温度为450℃，极限稳定温度为500℃。风化作用及酸蚀、潮湿环境、延长加热时间都会使耐热性下降。
四、石棉的导热性能
松解或絮状纤维的石棉导热性很低，松解程度越好，导热系数越小。温石棉的导热系数为0.09～0.14W/(m·K)，角闪石石棉的导热系数为0.07～0.09W/(m·K)，纤维水镁石原矿的导热系数为0.46W/(m·K)，松散纤维(体积密度为0.47g/cm3)为0.131～0.213W/(m·K)。
五、石棉的导电性能
石棉是良好的电绝缘物质，其导电性能和氧化铁的含量有关，也和这些物质赋存状态有关，铁的存在会大大降低石棉的电绝缘性能。结晶度好、质地纯净的石棉电阻率较小。温石棉的质量电阻率ρm在104～108Ω·g/cm2之间，体积电阻率ρv在1.9×108～4.79×109Ω·cm，角闪石的质量电阻率ρm在104～107Ω·g/cm2之间，水镁石石棉的质量电阻率ρm为8.82×106Ω·g/cm2，体积电阻率ρv为5.9×106Ω·cm，电阻率显各向异性，加热可使电阻率上升12倍。
六、石棉的表面电性
纤维表面电性是温石棉的重要电学性质之一，常用电动电位ξ表征，单位为mV。温石棉和其他固体颗粒一样，当其分散在液相中时，表面会带不同的电性，表面电性对温石棉的絮凝性及吸附性能有重要影响。完好的温石棉纤维表面荷正电，是由于管状结构的温石棉纤维的最外壳层是“氢氧镁石”八面体层，其中的OH－基团在水中表现出亲水性，易进入液相，使纤维表面失去阴离子团，存在过剩的阳离子而荷正电;同时，纤蛇纹石中常发生三价阳离子如Al3+取代基本结构层中的Si4+和Mg2+，造成八面体层中正电荷过剩而四面体层中的负电荷过剩，产生一种双电层偶极子结构，因此，在正常情况下温石棉纤维表面总是带正电荷。但是不同产地的温石棉，或同一矿床不同层位的石棉的ξ值也有较大的差异。如我国集安产的温石棉ξ值为6.69mV，茫崖石棉ξ值为21.38mV，四川石棉矿的ξ值为8.37～26.15mV，加拿大魁北克的温石棉ξ值为93mV。这与纤维表面的完整情况、杂质成分及种类、风化程度等因素有关。例如含磁铁矿、碳酸盐矿物及粘土微粒较多时，由于这些杂质均显负电，使石棉纤维的ξ值降低甚至呈负值。如含水镁石的温石棉，因水镁石的OH－易进入溶液而使ξ值增大。风化作用对温石棉的ξ值影响也很大，因为风化作用过程中水常呈弱酸性，使温石棉管状结构表面的羟基和Mg2+易被淋滤带走，即易剥离掉“氢氧镁石”层，使ξ值变小。
水镁石纤维的ξ值为正值，可高达36.3mV。pH值增大，其ξ值变小，零电位点的pH值为12.5。风化、酸蚀、纤维束中混入磁铁矿、碳酸盐矿物将降低其电动电位值，甚至变为负值。
七、石棉的吸附性及过滤性
石棉具有良好的吸附性能，其吸附能力的大小取决于比表面积大小。蛇纹石石棉是一种极微细的管状体，因此具有吸附周围其他物质的能力。如石棉水泥制品中的石棉纤维在渗水时，纤维能吸附水泥中的Ca(OH)2和水分，使石棉水泥制品能迅速地胶凝和硬化。因此石棉在水泥制品中起类似“钢筋”的增强作用，又起到胶凝硬化作用。在空气中，石棉也能吸附水分，将其置于饱和状态下的水蒸气中，其吸附量最大可达8%，在一般空气中也能吸附1.5%～5%的水分。表面结构完整的柔软型温石棉纤维，在水溶液中表面荷正电，能吸附OT分子(一种阴离子表面活性剂)，能充分松解分散，纤维柔软，相互绞缠，增大浮力，易于稳定地悬浮于水中，极难沉淀。如我国祁连小八宝、双岔沟的温石棉，加拿大魁北克的温石棉等，都具有很好的成浆性，适合作泡沫石棉及复合硅酸盐保温涂料的原料。
一些物质，如有毒烟雾、细菌、病毒、放射性尘埃等通常以0.1～200μm的气溶胶状态出现，蓝石棉中的镁钠闪石石棉和镁钠铁闪石石棉具有很大的比表面积和表面活性，常被作为过滤剂和吸附剂来净化气体和液体，用于化工、冶金、军事等部门。蓝石棉是净化有毒气体唯一的天然纤维材料，对于滤除穿透能力最强的粒径为0.1～1μm的有毒粒子十分有效。在液体过滤方面，用蓝石棉制成的过滤材料能过滤净化热的浓酸和其他腐蚀性液体;在电化学工业，蓝石棉作为电解过程中的筛孔材料。在制药工业，用于过滤抗菌素、滤除细菌和分离病毒等。
八、石棉的化学性质
石棉的耐酸耐碱性能，一般用石棉在酸、碱溶液中的溶蚀率来表示。各种石棉的耐酸、碱性性质各不相同，详见表12－2。从表12－2可以看出，蛇纹石石棉耐碱性较好，耐酸性较差，而角闪石石棉类的耐酸与耐碱腐蚀性能都很强。角闪石石棉的耐酸性能大大优于蛇纹石石棉的原因，是因为角闪石石棉具有表面电性为负值，这种表面负电性的作用是排斥酸根负离子，从而起到阻止角闪石石棉纤维表面上阳离子同酸根离子相结合的作用，因此降低了酸溶液对角闪石石棉的腐蚀性。而蛇纹石石棉其外层为(OH)－，在水溶液中显较强的碱性，并且具有表面正电性，因此，蛇纹石石棉易遭受酸溶蚀。
表12－2 石棉的酸、碱溶蚀率
(据潘兆橹等，1993)
纤维水镁石耐碱性极强，是天然无机纤维中耐碱性最优者，但耐酸性极差。在强酸中能被全部溶解，在草酸、柠檬酸、乙酸、食醋、pH=0.1～2的缓冲溶液中均可以不同的速率溶解。纤维越短、细度越细、酸蚀速率越大。溶解量与作用时间成正比，但溶蚀率较大的是开始半小时以内。纤维水镁石在潮湿或多雨气候条件下，易受大气中的CO2、H2O的侵蚀。故其制品表面需要作一防水防潮处理。
