PBO纖維

PBO纖維

PBO纖維PBO是聚對苯撐苯並雙口惡唑纖維(Poly-p-phenylenebenzobisthiazole)的簡稱,是20世紀80年代美國為發展航天航空事業而開發的複合材料用增強材料,是含有雜環芳香族的聚醯胺家族中最有發展前途的一個成員,被譽為21世紀超級纖維。

基本信息

發展歷史

PBO纖維PBO纖維
PBO是由美國空軍空氣動力學開發研究人員發明的,首先由美國斯坦福(Stanford)大學研究所(SRI)擁有聚苯並唑的基本專利,以後美國陶氏(DOW)化學公司得到授權,並對PBO進行了工業性開發,同時改進了原來單體合成的方法,新工藝幾乎沒有同分異構體副產物生成,提高了合成單體的收率,打下了產業化的基礎。1990年日本東洋紡公司從美國道化學公司購買了PBO專利技術。1991年由道一巴迪許化纖公司在日本東洋紡公司的設備上開發出PBO纖維,使PBO纖維的強度和模量大幅度上升,達到PPTA纖維的兩倍。1994年,日本東洋紡公司得到道一巴迪許化纖公司的準許,出巨資30億日元建成了400噸/年PBO單體和180噸/年紡絲生產線,並於1995年春開始投入部分機械化生產,1998年的生產能力達到200噸/年,商品名為Zylon。根據東洋紡對Zylon的發展計畫,2000年的生產能力將達到380噸/年,2003年達到500噸/年,2008年達到1000噸/年。現在日本東洋紡仍然是世界上唯一一家可以進行商業化生產PBO纖維的公司。

纖維性能

據東洋紡報導,其高端PBO纖維產品的強度為5.8GPa(德國有報導為5.2GPa),模量180GPa,在現有的化學纖維中最高;耐熱溫度達到600℃,極限氧指數68,在火焰中不燃燒、不收縮,耐熱性和難燃性高於其它任何一種有機纖維。主要用於耐熱產業紡織品和纖維增強材料。

PBO與其它高性能纖維的性能比較:

性能指標 斷裂強度 模量 斷裂伸長率 密度 回潮率 LOI 裂解溫度
纖維品種 N/tex GPa % g/cm3 %
zylonHM 3.7 280 2.5 1.56 0.6 68 650
zylonAS 3.7 180 3.5 1.54 2 68 650
對位芳族聚醯胺 1.95 109 2.4 1.45 4.5 29 550
同位芳族聚醯胺 0.47 17 22 1.38 4.5 29 400
鋼纖維 0.35 200 1.4 7.80 0 - -
碳纖維 2.05 230 1.5 1.76 - - -
高模量聚酯 3.57 110 3.5 0.96 0 16.5 150
聚苯並咪唑(PBI) 0.28 5.6 30 1.40 1.5 41 550

由表可見,PBO纖維的強度、模量、耐熱性和抗燃性,特別是PBO纖維的強度不僅超過鋼纖維,而且可凌駕於碳纖維之上。此外,PBO纖維的耐衝擊性、耐摩擦性和尺寸穩定性均很優異,並且質輕而柔軟,是極其理想的紡織原料。
PBO作為21世紀超性能纖維,具有十分優異的物理機械性能和化學性能,其強力、模量為Kevlar(凱夫拉)纖維的2倍併兼有間位芳綸耐熱阻燃的性能,而且物理化學性能完全超過迄今在高性能纖維領域處於領先地位的Kevlar纖維。一根直徑為1毫米的PBO細絲可吊起450千克的重量,其強度是鋼絲纖維的10倍以上。

表面改性

PBO纖維和樹脂基體間TIFSS提高,但過多的偶聯劑會導致偶聯劑交聯層過厚,反而會TIFSS降低.而等離子對纖維表面的刻蝕作用首先作用在偶聯劑上,使得偶聯劑形成接枝交聯層,該偶聯劑層對纖維能起到一定的保護作用,因此PBO纖維的σ下降的不多。
分析可知,偶聯劑與等離子結合起來改性的工藝條件是:A一187偶聯劑的含量為2%,氬氣低溫等離子處理的時間為2min,壓力為5Opa,功率為30W。
在所選擇的偶聯劑中,A一187型偶聯劑對提高PBO纖維的開發與環氧樹脂間IFSS效果最好,偶聯劑的最佳的含量2%.
(1)當A-187含量為2%,氬氣低溫等離子處理條件為2min,30W,50Pa時,改性後的PBO纖維的ΓIFSS胂高達lO.44MPa,相對於僅用偶聯劑A-187改性的ΓIFSS提高了52%,相對於原絲的ΓIFSS提高了78%。PBO纖維的浸潤性也得到了很大的改善。
(2)氬氣低溫等離子結合偶聯劑改性後的PBO纖維隨著時問的推移,ΓIFSS的下降不明顯;接觸角增大的幅度也不明顯,其變化趨向於平穩,還略有下降趨勢。氬氣低溫電漿結合偶聯劑改性的PBO纖維的衰減效應不明顯。

製備

PBO纖維PBO纖維
PBO是由4,6—二氨基苯酚鹽酸鹽(二氨基間苯二酚鹽酸鹽)與對苯二甲酸以多磷酸(PPA)為溶劑進行溶液縮聚而製得,也可利用P2O5脫水進行縮聚,PPA既是溶劑,也是縮聚催化劑。
單體二氨基間苯二酚的合成,美國道化學公司開發成功以三氯苯為起始原料進行合成,這樣在合成過程中不會生成異構體,收率很高,對PBO的工業化生產起了很大的作用。
聚合物紡絲液用乾—濕式紡絲法紡絲、水洗、乾燥。紡絲液溶至液晶性,採用液晶紡絲法紡絲時能形成伸直鏈結構,初紡絲(AS絲—標準型)就具有3.53N/tex以上的強度和10.84N/tex以上的彈性模量。為了提高模量,可在約600℃的溫度中進行熱處理,得到模量達176.4N/tex而強度保持不變的高模量絲(HM絲—高模量型)。

套用

PBO纖維的主要特點是耐熱性好、強度和模量高,故套用廣泛。
(1)長絲的套用,可用於輪胎、膠帶(運輸帶)、膠管等橡膠製品的補強材料;各種塑膠和混凝土等的補強材料;彈道飛彈和複合材料的增強組分;纖維光纜的受拉件和光纜的保護膜;電熱線、耳機線等各種軟線的增強纖維;繩索和纜繩等高拉力材料;高溫過濾用耐熱過濾材料;飛彈和子彈的防護設備、防彈背心、防彈頭盔和高性能航行服;網球、快艇、賽艇等體育器材;高級擴音器振動板、新型通訊用材料;航空航天用材料等。
(2)短切纖和和漿粕的套用,可用於摩擦材料和密封墊片用補強纖維;各種樹脂、塑膠的增強材料等。
(3)紗線的套用,可用於消防服;爐前工作服、焊接工作服等處理熔融金屬現場用的耐熱工作服;防切傷的保護服、安全手套和安全鞋;賽車服、騎手服;各種運動服和活動性運動裝備;Carrace飛行員服;防割破裝備等。
(4)短纖維的套用,主要用於鋁材擠壓加工等用的耐熱緩衝墊氈;高溫過濾用耐熱過濾材料;熱防護皮帶等。

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