pbo纖維

PBO纖維是聚對苯撐苯並二噁唑纖維(Poly-p-phenylene benzobisoxazole)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。

基本介紹

• 中文名：pbo纖維
• 地位：21世紀超級纖維
• 強度：5.8GPa

發展歷史

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280GPa，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
間位芳族聚醯胺	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2 min ，壓力為50pa，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10.44MPa，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。