超級纖維PBO

     PBO是聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維(Poly-p-phenylene benzobisthiazole)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復合材料用增強材料,是含有雜環芳香族的聚酰胺家族中有發展前途的一個成員,被譽為21世紀超級纖維,其商品名為柴隆(Zylon),現已正式上市,正在開發單纖維和復合材料的用途。?

        PBO是由美國空軍空氣動力學開發研究人員發明的,先由美國斯坦福(Stanford)大學研究所(SRI)擁有聚苯并唑的基本,道(DOW)化學公司取得其全實施權進行工業化開發。1990年日本東洋紡公司從美國道化學公司購買了PBO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。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,并于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。根據東洋紡對Zylon的發展計劃,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。?

        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制得,也可利用P?2O?5脫水進行縮聚,PPA既是溶劑,也是縮聚催化劑,反應式如下:(暫略)

       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,PBO的單體合成反應式如下:(暫略)

        聚合物紡絲液用干―濕式紡絲法紡絲、水洗、干燥。紡絲液溶至液晶性,采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)。? 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倍并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于地位的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。PBO纖維的各項性能與其它纖維的比較如下:

表1 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
%
zylon HM
3.7
280
2.5
1.56
0.6
68
650
zylon AS
3.7
180
3.5
1.54
2
68
650
對位芳族聚酰胺
1.95
109
2.4
1.45
4.5
29
550
同位芳族聚酰胺
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
0.97
0
16.5
150
聚苯并咪唑(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,而且可凌駕于碳纖維之上。此外,PBO纖維的耐沖擊性、耐摩擦性和尺寸穩定性均很優異,并且質輕而柔軟,是極其理想的紡織原料。?

PBO纖維的優異性能決定了它的應用領域十分廣闊:

         (1)長絲的應用,可用于輪胎、膠帶(運輸帶)、膠管等橡膠制品的補強材料;各種塑料和混凝土等的補強材料;彈道導彈和復合材料的增強組分;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;導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)短切纖和和漿粕的應用,可用于摩擦材料和密封墊片用補強纖維;各種樹脂、塑料的增強材料等。

       (3)紗線的應用,可用于消防服;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)短纖維的應用,主要用于鋁材擠壓加工等用的耐熱緩沖墊氈;高溫過濾用耐熱過濾材料;熱防護皮帶等。