做防彈衣的超級纖維：PBO纖維

PBO纖維PBO是聚對苯撐苯并雙口惡唑纖維(Poly-p-phenylenebenzobisthiazole)的簡稱，是20世紀(jì)80年代美國為發(fā)展航天航空事業(yè)而開發(fā)的復(fù)合材料用增強(qiáng)材料，是含有雜環(huán)芳香族的聚酰胺家族中有發(fā)展前途的一個成員，被譽(yù)為21世紀(jì)超級纖維。
1發(fā)展歷史

PBO是由美國空軍空氣動力學(xué)開發(fā)研究人員發(fā)明的，首先由美國斯坦福(Stanford)大學(xué)研究所(SRI)擁有聚苯并唑的基本專利，以后美國陶氏(DOW)化學(xué)公司得到授權(quán)，并對PBO進(jìn)行了工業(yè)性開發(fā)，同時改進(jìn)了原來單體合成的方法，新工藝幾乎沒有同分異構(gòu)體副產(chǎn)物生成，提高了合成單體的收率，打下了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。1990年日本東洋紡公司從美國道化學(xué)公司購買了PBO專利技術(shù)。1991年由道一巴迪許化纖公司在日本東洋紡公司的設(shè)備上開發(fā)出PBO纖維，使PBO纖維的強(qiáng)度和模量大幅度上升，達(dá)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(zhǔn)許，出巨資30億日元建成了400噸/年P(guān)BO單體和180噸/年紡絲生產(chǎn)線，并于1995年春開始投入部分機(jī)械化生產(chǎn)，1998年的生產(chǎn)能力達(dá)到200噸/年，商品名為Zylon。根據(jù)東洋紡對Zylon的發(fā)展計劃，2000年的生產(chǎn)能力將達(dá)到380噸/年，2003年達(dá)到500噸/年，2008年達(dá)到1000噸/年?，F(xiàn)在日本東洋紡仍然是世界上唯一一家可以進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)PBO纖維的公司。

2.PBO纖維的發(fā)展前景

近年來，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家及其地區(qū)的高層建筑、大型橋梁、海洋工程等建筑領(lǐng)域廣泛使用高性能纖維復(fù)合增強(qiáng)材料，將纖維布浸漬環(huán)氧樹脂粘貼于混凝土表面，可以大幅度提高原結(jié)構(gòu)的承載能力和抗地震能力。此外，在橋梁建筑方面，鋼絲纜繩由于其自重不能用于長度較長的橋梁，而希望采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的纜繩，比強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好的由PBO纖維制作的纜繩就是好的選擇。
PBO纖維在耐熱材料領(lǐng)域中正在逐步替代傳統(tǒng)材料石棉，且目前還在探索用PBO纖維在350℃以下的應(yīng)用領(lǐng)域替代芳香族聚酰胺等難燃纖維。在350℃以上的應(yīng)用替代不銹鋼纖維或陶瓷纖維等無機(jī)纖維，由于無機(jī)纖維較硬，制品易出現(xiàn)傷痕，影響其使用性能，而PBO纖維完全有可能克服無機(jī)纖維的不足。以往的有機(jī)纖維耐熱性不夠(多在400℃以下),從而限制了有機(jī)纖維的應(yīng)用發(fā)展，而PBO纖維分解溫度達(dá)到650℃，是所有有機(jī)纖維中耐熱溫度高的。因此，對以前難以使用有機(jī)纖維在350℃以上的應(yīng)用領(lǐng)域，用PB0纖維取而代之是完全可能的，并使PB0纖維耐熱材料的應(yīng)用得以拓寬與發(fā)展。
國外研究表明：在其他領(lǐng)域如電絕緣材料、衛(wèi)星探測、輕質(zhì)材料、汽車工業(yè)和深海油田開發(fā)等方面，PBO纖維還有很多的用武之地。PBO纖維作為高速列車車體不僅可減輕車身質(zhì)量，還可以使車身強(qiáng)度增加；利用PBO纖維耐化學(xué)腐蝕性，可制成各種耐腐蝕防護(hù)服；在宇航方面為減輕有限的負(fù)擔(dān)，PBO纖維適合于做宇宙空間使用的扣子、帶子等；在從-10℃到地表溫度460℃這樣范圍的宇宙空間環(huán)境下，它還可用作耐熱性探測氣球的材料；在體育競技賽艇用帆方面主要用高強(qiáng)高模纖維制成的片狀薄板式材料制作，為使帆布在受到風(fēng)吹時具有小限度的變形程度，就必須尋求模量高的PBO纖維來制作賽艇用帆；鑒于PBO纖維優(yōu)良的力學(xué)性能，它也是制造高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、滑雪杖、滑雪板、沖浪板、射箭弓弦、自行車賽車好的材料。
PBO纖維關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，可以使我國PBO纖維擺脫長期受制于國外技術(shù)壟斷與控制的困境，走上一條自主創(chuàng)新、前景光明、應(yīng)用廣闊的PBO纖維國產(chǎn)化、規(guī)?；l(fā)展之路，有助于我國航天航空、國防軍工及民用工業(yè)等高性能PBO材料的開發(fā)應(yīng)用與可持續(xù)發(fā)展。

3.纖維性能

據(jù)東洋紡報道，其高端PBO纖維產(chǎn)品的強(qiáng)度為5.8GPa（德國有報道為5.2GPa），模量180GPa，在現(xiàn)有的化學(xué)纖維中高；耐熱溫度達(dá)到600℃，極限氧指數(shù)68，在火焰中不燃燒、不收縮，耐熱性和難燃性高于其它任何一種有機(jī)纖維。主要用于耐熱產(chǎn)業(yè)紡織品和纖維增強(qiáng)材料。

PBO與其它高性能纖維的性能比較：

由表可見，PBO纖維的強(qiáng)度、模量、耐熱性和抗燃性，特別是PBO纖維的強(qiáng)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(wěn)定性均很優(yōu)異，并且質(zhì)輕而柔軟，是極其理想的紡織原料。

PBO作為21世紀(jì)超性能纖維，具有十分優(yōu)異的物理機(jī)械性能和化學(xué)性能，其強(qiáng)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(xué)性能完全超過迄今在高性能纖維領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的Kevlar纖維。一根直徑為1毫米的PBO細(xì)絲可吊起450千克的重量，其強(qiáng)度是鋼絲纖維的10倍以上。

4.PBO纖維表面改性

PBO纖維和樹脂基體間TIFSS提高，但過多的偶聯(lián)劑會導(dǎo)致偶聯(lián)劑交聯(lián)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(lián)劑上，使得偶聯(lián)劑形成接枝交聯(lián)層，該偶聯(lián)劑層對纖維能起到一定的保護(hù)作用， 因此PBO纖維的σ下降的不多。

分析可知，偶聯(lián)劑與等離子結(jié)合起來改性的工藝條件是：A一187偶聯(lián)劑的含量為2%，氬氣低溫等離子處理的時間為2 min ，壓力為5Opa，功率為30W。在所選擇的偶聯(lián)劑中，A一187型偶聯(lián)劑對提高PBO纖維的開發(fā)與環(huán)氧樹脂間IFSS效果好，偶聯(lián)劑的佳的含量2%．

(1)當(dāng)A-187含量為2%，氬氣低溫等離子處理條件為2min，30W，50Pa時，改性后的PBO纖維的ΓIFSS胂高達(dá)lO．44MPa，相對于僅用偶聯(lián)劑A-187改性的ΓIFSS提高了52%， 相對于原絲的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(jié)合偶聯(lián)劑改性后的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，其變化趨向于平穩(wěn)，還略有下降趨勢。氬氣低溫等離子體結(jié)合偶聯(lián)劑改性的PBO纖維的衰減效應(yīng)不明顯。

5制備

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(jìn)行溶液縮聚而制得，也可利用P2O5脫水進(jìn)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(xué)公司開發(fā)成功以三氯苯為起始原料進(jìn)行合成，這樣在合成過程中不會生成異構(gòu)體，收率很高，對PBO的工業(yè)化生產(chǎn)起了很大的作用。
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(jié)構(gòu)，初紡絲(AS絲—標(biāo)準(zhǔn)型)就具有3.53N/tex以上的強(qiáng)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(jìn)行熱處理，得到模量達(dá)176.4N/tex而強(qiáng)度保持不變的高模量絲(HM絲—高模量型)。

6應(yīng)用

PBO纖維的主要特點是耐熱性好、強(qiáng)度和模量高，故應(yīng)用廣泛。

(1)長絲的應(yīng)用，可用于輪胎、膠帶(運輸帶)、膠管等橡膠制品的補(bǔ)強(qiáng)材料；各種塑料和混凝土等的補(bǔ)強(qiáng)材料；彈道導(dǎo)彈和復(fù)合材料的增強(qiáng)組分；纖維光纜的受拉件和光纜的保護(hù)膜；電熱線、耳機(jī)線等各種軟線的增強(qiáng)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(dǎo)彈和子彈的防護(hù)設(shè)備、防彈背心、防彈頭盔和高性能航行服；網(wǎng)球、快艇、賽艇等體育器材；高級擴(kuò)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(yīng)用，可用于摩擦材料和密封墊片用補(bǔ)強(qiáng)纖維；各種樹脂、塑料的增強(qiáng)材料等。

(3)紗線的應(yīng)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(xiàn)場用的耐熱工作服；防切傷的保護(hù)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(yīng)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(hù)皮帶等。

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