一、基本概述

石膏晶須（calcium sulfate whisker）是一種纖維狀單晶體材料，成分以硫酸鈣為主，包括無水硫酸鈣、半水硫酸鈣和二水硫酸鈣。石膏晶須具有固定的橫截面、完整的外形和致密的內部結構，典型尺寸為直徑1μm~4μm、長度50μm~200μm，呈針狀或纖維狀微觀形態。不同晶型決定了其熱穩定性與應用場景，其中無水型（anhydrite）耐溫最高，半水型（hemihydrate）和二水型（dihydrate）則適用于非高溫環境。

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圖1 石膏晶須。圖源：參考來源[8]

二、分類信息

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三、詳細解釋

石膏晶須的化學穩定性很好，pH值接近中性，無毒無害，屬于綠色環保材料。通過表面改性技術（如偶聯劑包覆），能顯著提升其與聚合物的相容性，使其在復合材料領域得以廣泛應用。其中，無水石膏晶須因具備優異的高溫穩定性和綜合性能，被廣泛應用于高溫環境；而二水型和半水型則需避免高溫使用。

與其他晶須相比，石膏晶須具有諸多優點，如高強度（抗拉強度達20.5GPa）、高彈性模量（178GPa）、耐高溫（無水晶須耐溫超1000℃）、耐酸堿腐蝕、電絕緣性佳等。

此外，仍需注意的是，實際應用中，由石膏晶須增強的復合材料所表現出的宏觀力學性能可能遠低于實驗數值。在描述其性能時，必須明確區分單體晶須的理論/極限值與復合材料的實際宏觀性能，以免造成誤導。例如，某研究表明，硫酸鈣晶須增強的聚氯乙烯（PVC）復合材料的楊氏模量約為1.926 GPa，而增強聚丙烯（PP）復合材料的彈性模量最高也僅為1.451 GPa。相比之下，某些高性能晶須如氧化鋁晶須的抗拉強度可達20.7GPa，這表明石膏晶須的理論強度的確位于高性能材料之列。

制備石膏晶須主要以生石膏為原料，制備技術主要有水熱合成法、常壓酸化法和鹽溶液法。

水熱合成法：將質量分數5%～10%的生石膏懸浮液加入高壓反應釜，在飽和蒸汽壓下（高溫高壓條件），顆粒狀生石膏（硫酸鈣晶體）沿一維方向生長，轉變為纖維狀半水石膏，再經脫水和煅燒，可制備高長徑比晶須。

常壓酸化法：在一定溫度下，高濃度二水石膏懸浮液在酸性溶液中，利用硝酸等助劑在常溫下誘導晶體轉化為針狀或纖維狀半水石膏晶須。

鹽溶液法：在常壓、中低溫條件下，通過添加氯化鈉等鹽類，調控溶液離子強度，可有效控制晶須生長速率和形貌。

以上制備技術各有優劣。水熱合成法產品質量高，但設備成本大。常壓酸化法工藝簡單、能耗低，且以工業廢酸和劣質石灰石為原料的綠色工藝能實現零廢水排放，符合循環經濟理念，但制備的晶須長徑比通常低于水熱法，另外需解決酸性腐蝕和溶液過飽和度問題。而鹽溶液法對工藝參數控制要求更精細。

在制備工藝優化研究中，科研人員可通過一些創新技術對當前石膏晶須制備進行改進。例如，將微波輔助技術引入水熱合成法，可顯著縮短反應時間、降低能耗；通過添加生物表面活性劑優化常壓酸化法，既能改善晶須形貌，又能減少環境污染；另外，采用微流控技術精確調控鹽溶液法的反應條件，可精準控制晶須尺寸與形貌，

當前，石膏晶須制備的技術瓶頸主要集中在晶須分散性控制和表面改性成本的降低。由于晶須易團聚且表面親水，需通過干法、濕法或超聲改性技術引入有機分子膜層，以增強與聚合物基體的界面結合力。此外，當前的研究和產業化熱點已擴展至納米級石膏晶須。國內已有機構在納米級石膏晶須的規模化生產技術上取得突破。

四、應用領域/前景?

石膏晶須性能優良、應用廣泛，在多個領域都展現出顯著價值。

在復合材料增強方面：石膏晶須適合作為塑料、橡膠、聚氨酯、金屬及陶瓷的增強組元。加入塑料中，能提高材料的機械強度、耐熱性和尺寸穩定性，例如，添加適當比例的石膏晶須，可使聚丙烯拉伸強度及熱變形溫度大幅提升，可廣泛應用于汽車內飾件和電子封裝材料。作為橡膠補強劑，石膏晶須還能替代部分的炭黑功能，在降低輪胎滾動阻力的同時提高耐磨性，符合歐盟REACH法規（全稱為Registration,Evaluation,Authorization and Restriction of Chemicals，意為“化學品注冊、評估、許可和限制”）要求。

在摩擦材料領域：由于石膏晶須無毒，可作為石棉替代品。目前，一些國家已禁止在摩擦材料（尤其是轎車摩擦片）中使用石棉，加入石膏晶須后，可有效提高摩擦系數的穩定性和耐磨性。

在環境工程領域：憑借較大的比表面積，石膏晶須在實驗室研究中展現出吸附潛力。可用作過濾材料去除廢氣和廢水中的有害雜質，利用其較高的比表面積制備的高效過濾材料，實驗室特定條件下已證實其能去除廢水中90%以上的重金屬離子。此外，還可用于土壤修復，石膏晶須中的鈣離子能中和酸性土壤，吸附鋁離子和重金屬，改善土壤結構。

在造紙領域：可作為造紙原料，替代部分紙漿生產特種石膏紙。

在土木工程領域：用于瀝青改性時，石膏晶須能顯著提高瀝青的軟化點、瀝青混合料的殘留穩定度和劈裂強度，改善高溫穩定性和抗裂性能，目前已在道路工程中進行試點應用。

在涂料和油漆領域：在涂料或油漆中加入石膏晶須，能提升其抗干裂性、耐溫和絕緣性，使產品附著能力更強，耐溫及絕緣性能更優。

在建筑材料領域：可作為水泥基材料增強劑，同時顯著降低氯離子滲透率；用其替代石棉制備的防火板材，不燃性和隔熱性能達到《建筑材料及制品燃燒性能分級》（GB 8624-2012）標準要求。

在高值化應用探索方面：經純化的石膏晶須可作為藥物載體和骨科植入材料，其生物相容性已通過細胞毒性試驗驗證；開發的晶須增強陶瓷基復合材料，能耐受1000℃以上高溫，可用于航空航天部件制造。

未來，石膏晶須有望逐步替代其他晶須或纖維產品，廣泛應用于工程塑料、橡膠等行業，隨著涂料、建材、汽車、電子等行業持續發展，其產值還將進一步提升。

在碳中和背景下，用石膏晶須替代水泥和合成纖維可顯著減少碳排放，預計每年可減少二氧化碳排放超50萬噸。同時，石膏晶須的應用也能降低下游行業的生產成本，提高利潤空間。

五、綠色應用難點?

目前，石膏晶須還存在以下亟待解決的問題：

第一，生產過程存在環境負荷問題：傳統水熱合成法需使用耐高壓設備，能耗仍較高；部分工藝依賴濃硫酸等危險化學品，廢水處理難度大。盡管包鋼等企業已實現脫硫石膏的資源化利用，但工業副產石膏的整體利用率仍有待提高，晶須制備是重要的提升方向之一，符合當下循環經濟和“碳中和”理念的正確方向。

第二，技術經濟性面臨挑戰：表面改性成本占晶須總成本的20%～30%，干法改性雖能降低成本，但效果不如濕法，這限制了其在中低端市場的應用。此外，國內晶須產品同質化嚴重，且產品大多為微米級，高端產品（如納米級晶須）的產能仍需要進一步加強。國內晶須產品仍需在性能的穩定性和一致性控制、功能化表面改性技術的成本效益優化領域進一步提升。

第三，政策與標準體系尚不完善：目前僅有國家標準《摩擦材料用晶須》（GB/T 35471-2017），建筑、農業等領域的專用標準尚未出臺，導致市場準入較為混亂。

本詞條貢獻者：

吳吉明 中國工程師聯合體學術委員會委員、中國土木工程學會科普專家委員會特邀專家，北京土木建筑學會常務副秘書長，高級工程師

本詞條審核專家：

楊飛華 北京建筑材料科學研究總院院長助理，教授級高級工程師

李 平 北京和隆優化科技股份有限公司副總裁，高級工程師

參考來源：

[1] 煙臺大學.鈦石膏制備石膏晶須增強水泥基材料的綠色工藝[P]:CN202010088328.3,2020-05-19.

[2] 班建偉. 石膏晶須制備工藝及應用研究進展[EB/OL]. 中國粉體技術網.(2015-06-23) [2025-07-01]. http://www.fentijs.com/2015/jsjzt_0623/13065.html

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來源: 科普中國

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