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石棉

過去農(nóng)村建房，石棉瓦是妥妥的“剛需頂流”，家家戶戶的屋頂、棚院幾乎都離不開它?？山鼛资昀?，曾經(jīng)隨處可見的石棉瓦漸漸淡出視野，各類石棉制品也越來越少見。這個曾憑防火、隔熱、耐腐優(yōu)勢橫掃建筑界的“明星材料”，為何會從神壇跌落，淪為如今人人避之不及的存在？今天，我們就來揭開石棉的“雙面人生”

什么是石棉

石棉可不是棉花，而是石頭。石棉是自然界中天然存在的纖維狀硅酸鹽類礦物質(zhì)的總稱，其化學(xué)組成以硅、氧為核心，同時包含氫、鈉、鎂等多種元素，這些元素通過特定的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建出石棉獨(dú)特的物質(zhì)形態(tài)。作為一種復(fù)合材料增強(qiáng)纖維，石棉具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、隔熱性和耐化學(xué)腐蝕性、電絕緣性等特性，被廣泛應(yīng)用于建筑材料、水泥制品、紡織制品、保溫隔熱絕緣材料等地方。

常見的石棉一般分為兩大類：蛇紋石類和角閃石類。雖然都是石棉，但二者在物理化學(xué)性質(zhì)上有很大的不同。

蛇紋石并非單一礦物品種，而是包含了多個亞型，主要分為纖蛇紋石、利蛇紋石和葉蛇紋石三類。其中，纖蛇紋石石棉是蛇紋石的一種特殊形式，又被稱為溫石棉，屬于鎂硅酸鹽礦物，其產(chǎn)量占世界石棉產(chǎn)量的90%以上，在未被解離前，呈現(xiàn)綠黃色、金黃色、白色，并且有絲狀光澤。

（蛇紋石）

如果用力撕扯，就會得到類似棉絮的絲狀物，此時呈現(xiàn)白、灰兩種顏色。不同纖維的長度差異較大，一般在1-20mm，最長可達(dá)128cm，這種細(xì)長的纖維形態(tài)使其具有良好的紡織性能和填充性能，便于加工成各類石棉制品。

溫石棉的主要成分為Mg?Si?O?(OH)?，作為典型的層狀硅酸鹽礦物，其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的層狀堆疊特征。每一基本結(jié)構(gòu)單元由一層硅氧四面體構(gòu)成的硅氧層，與一層氫氧化鎂八面體構(gòu)成的氫氧化鎂層緊密連結(jié)而成。在硅氧層中，硅原子通過氧原子形成偽六方網(wǎng)狀的四面體結(jié)構(gòu)，而氫氧化鎂層中，鎂原子與羥基緊密結(jié)合，兩層通過頂端的氧原子實現(xiàn)化學(xué)鍵合。由于硅氧層與氫氧化鎂層存在顯著的尺寸差異，這種結(jié)構(gòu)失配引發(fā)了層間的應(yīng)力不平衡，最終促使這些層狀結(jié)構(gòu)發(fā)生自發(fā)的同心狀或螺旋狀卷曲。

（溫石棉的卷曲結(jié)構(gòu)）

這種卷曲結(jié)構(gòu)決定了溫石棉的諸多物理與化學(xué)特性。從物理性質(zhì)來看，纖維壁由12-20層薄片通過機(jī)械互鎖構(gòu)成，層間無強(qiáng)化學(xué)鍵連接，僅依靠微弱的分子間作用力維系，這使得纖維在受到外力或化學(xué)侵蝕時易發(fā)生層間剝離，具有良好的可紡性和延展性，可被加工成各類柔性材料。而在沿著纖維管軸的一維方向上，存在共價鍵+離子鍵的強(qiáng)化學(xué)鍵鍵鏈，因此在沿著纖維軸的方向上溫石棉表現(xiàn)出很高的抗拉強(qiáng)度，可承受1203.3-4237.5MPa的拉力。

（石棉纖維的電鏡）

從化學(xué)性質(zhì)來看，卷曲結(jié)構(gòu)讓氫氧化鎂層暴露于纖維表面，而硅氧層則包裹在內(nèi)部，暴露的氫氧化鎂層易與酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致纖維結(jié)構(gòu)解體——這一特性使其在巨噬細(xì)胞的酸性環(huán)境（pH 4-4.5）中能快速被侵蝕。當(dāng)鎂離子被溶出后，硅氧層失去穩(wěn)定性并分解為短纖維或顆粒，容易被機(jī)體清除。此外，卷層構(gòu)造形成的中空結(jié)構(gòu)使得溫石棉纖維具有一定的多孔性，其纖維壁厚度通常在8-15 nm之間，這種微觀結(jié)構(gòu)也影響了其在生物體內(nèi)的溶解速率和生物持久性。

相比之下，角閃石石棉纖維呈現(xiàn)實心棒狀，其晶體結(jié)構(gòu)為雙鏈狀硅氧四面體構(gòu)型，由兩條硅氧四面體帶背靠背連接形成堅實的雙鏈骨架，骨架間填充有鈣、鎂、鐵等陽離子以平衡電荷。這種結(jié)構(gòu)使得角閃石石棉纖維質(zhì)地堅硬、脆性強(qiáng)，無柔韌性，難以彎曲或拉伸，物理穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于溫石棉。

（角閃石）

化學(xué)層面，角閃石石棉的硅氧四面體骨架暴露于纖維表面，氫氧化基團(tuán)被包裹在內(nèi)部，形成了致密的化學(xué)結(jié)構(gòu)，使其在任何生理pH條件下都幾乎不溶解，即使在巨噬細(xì)胞的酸性環(huán)境或胃液的強(qiáng)酸性條件（pH 1.2）中，也能保持結(jié)構(gòu)完整。

（角閃石石棉的結(jié)構(gòu)）

這種結(jié)構(gòu)差異帶來的生物效應(yīng)截然不同：溫石棉的卷層結(jié)構(gòu)使其生物持久性較弱，長纖維（>20μm）進(jìn)入肺部后會快速被分解清除，不會轉(zhuǎn)移至胸膜腔，也難以引發(fā)纖維化反應(yīng)；而角閃石石棉的實心棒狀結(jié)構(gòu)使其具有極強(qiáng)的生物耐久性，長纖維可在肺部長期滯留，并在 7 天內(nèi)即可轉(zhuǎn)移至胸膜腔，持續(xù)引發(fā)間質(zhì)纖維化和胸膜炎癥，其致癌風(fēng)險遠(yuǎn)高于溫石棉。

在工業(yè)應(yīng)用中，溫石棉的柔性和可加工性使其曾廣泛用于紡織、密封等領(lǐng)域，而角閃石石棉的高強(qiáng)度和耐高溫性曾被用于隔熱、防火材料，但由于其顯著的毒性，目前多數(shù)國家已限制或禁止角閃石石棉的使用。溫石棉因其生物積累性和易于體內(nèi)清除的特性仍被保留，是目前唯一一種作為商業(yè)用途的石棉種類。

石棉的興衰史

石棉的應(yīng)用歷史源遠(yuǎn)流長，最早可追溯至6000多年前的古埃及文明。當(dāng)時的古埃及人早已發(fā)現(xiàn)了石棉纖維耐高溫、不易腐爛的特性，將其紡織成石棉布，專門用作法老的裹尸布。這種布料能在歲月侵蝕和特殊環(huán)境中保持完好，被賦予了“永恒”的象征意義。

而在古代中國，石棉的應(yīng)用也有著明確記載：《列子?湯問》中提到“火浣之布，浣之必投于火?！逼渲械?“火浣之布”便是由石棉纖維紡織而成的神奇布料。傳說這種布料投入火中，不僅不會被燒毀，反而能去除污漬、變得更加潔凈，其獨(dú)特的防火性能在古代令人稱奇，成為當(dāng)時珍貴的貢品。

盡管石棉在古代已嶄露頭角，但真正的大規(guī)模開采與應(yīng)用始于工業(yè)革命。隨著工業(yè)文明的興起，歐洲、亞洲、非洲等地開始系統(tǒng)性地開采石棉礦石，僅在歐洲大陸就先后出現(xiàn)20多個大型石棉礦，石棉原料的供應(yīng)量大幅提升。到了19世紀(jì)中期，歐洲紡織工業(yè)的快速發(fā)展為石棉提供了廣闊的應(yīng)用舞臺，石棉纖維被廣泛用于制作防火織物、工業(yè)密封材料等，全球每年的石棉使用量迅速攀升至30萬噸左右，石棉產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模。

20 世紀(jì)初，奧地利人路德維希率先探索出石棉與水泥的復(fù)合應(yīng)用，他將石棉纖維與水泥混合均勻后，通過簡單的塑形工藝，便制成了兼具防火、保溫、抗壓多重性能的新型材料。這種復(fù)合材料不僅完美繼承了石棉的核心優(yōu)勢，還具備成本低廉、加工簡便、使用壽命長等特點(diǎn)，迅速成為近一個世紀(jì)里建筑、工業(yè)領(lǐng)域最常用的防火保溫材料。

然而，就在石棉產(chǎn)業(yè)如火如荼、全力支撐全球民生發(fā)展與工業(yè)進(jìn)步的同時，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步也逐漸揭開了它“致命”的另一面。人們慢慢發(fā)現(xiàn)，這種看似完美的功能性材料，在使用過程中會對人體健康造成不可逆的嚴(yán)重危害。早在20世紀(jì)初，一些醫(yī)生和保險公司就注意到，石棉礦工和紡織工人的肺部似乎格外脆弱，許多人英年早逝于一種神秘的“肺纖維化”。1924年，英國一位名叫內(nèi)莉?克肖（Nellie Kershaw）的石棉紡織女工去世，尸檢報告首次明確將她的肺部疾病命名為石棉沉滯癥（Asbestosis）。這個詞揭示了石棉致命的秘密。

石棉纖維極其細(xì)小，當(dāng)石棉制品被切割、磨損或老化后，這些微小的纖維會飄散到空氣中，一旦被人體吸入，便會長期沉積在肺部等呼吸系統(tǒng)內(nèi)。由于石棉纖維化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難以被人體代謝分解，長期累積會引發(fā)石棉肺、胸膜間皮瘤等多種嚴(yán)重疾病，這些疾病潛伏期長、治愈率極低，給患者和家庭帶來沉重的痛苦與負(fù)擔(dān)。

雖然早期已有警示，但被巨大的商業(yè)利益無情掩蓋。石棉行業(yè)在數(shù)十年間刻意隱瞞、淡化其危害，直到20世紀(jì)60年代，隨著流行病學(xué)研究的深入，堆積如山的證據(jù)終于徹底揭開了真相。公眾的憤怒、媒體的曝光以及源源不斷的訴訟，掀起了全球性的監(jiān)管風(fēng)暴。從20世紀(jì)70年代起，各國陸續(xù)出臺嚴(yán)苛法規(guī)，限制乃至全面禁止石棉使用。

如今，世界衛(wèi)生組織已經(jīng)將石棉列為一級致癌物，其評估認(rèn)為，所有形式的石棉，包括溫石棉，都會導(dǎo)致幾種癌癥以及慢性呼吸道疾病。基于對2016年的估計，全球每年有超過20萬人因工作中接觸石棉而死亡，占與工作相關(guān)的癌癥死亡人數(shù)70%以上。為了減少石棉對人體的危害，世界上已有60多個國家對石棉實施禁令。我國早在2011年就全面禁止使用角閃石石棉制品，但溫石棉至今還未被完全禁用。

如何避免石棉的傷害

由于石棉性價比非常高，具有防火、耐高溫、抗腐蝕、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn)，因此早些年石棉在我國被廣泛使用。很多老舊小區(qū)的墻壁、暖氣管的保溫層、老式屋頂?shù)耐咂?，甚至是一些二手家電的隔熱層都可能藏有石棉?/strong>更隱蔽的是，石棉的纖維很細(xì)，肉眼根本看不到，吸進(jìn)去也沒感覺。它們就像扎進(jìn)肺泡里的細(xì)針，無法排除，就不痛不癢地潛伏在肺部，幾十年不發(fā)作，一旦發(fā)作，患者的平均生存期不足一年。

想要減少石棉傷害，需從日常防護(hù)做起。首先要認(rèn)清石棉的來源，從根源上避免接觸石棉。其次，如果發(fā)現(xiàn)石棉制品損壞、老化或脫落，應(yīng)立即請專業(yè)團(tuán)隊進(jìn)行修復(fù)和更換，防止石棉纖維的繼續(xù)釋放。如果工作中不得不接觸石棉，一定要做好防護(hù)，佩戴防塵口罩和防護(hù)服，避免石棉纖維殘留在衣服上，危害他人健康。另外，日常還需注意避免購買和使用疑似含石棉的產(chǎn)品：二手市場上的老舊工業(yè)設(shè)備、不明來源的“防火布”、“保溫棉”等。

參考文獻(xiàn)

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編輯：Sid

文章轉(zhuǎn)載自“中科院物理所”微信公眾號

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