PBO纤维

PBO纤维PBO是聚苯撑苯并噁唑(Poly-P-PhenyleneBenzobithia-zole)纤维的简称,属于是含有杂环芳香族的聚酰胺族，最初由美国空军材料实验室作为耐高温性能比凯芙拉(Kevlar)好的材料而进行开发。最早开发出聚苯唑类纤维为PBZT(聚苯撑苯并口恶唑)纤维，由于PBO在性能和成本上的优势，从而成为聚苯唑类纤维开发的主流。关国空军材料实验室对芳香族杂环类聚合物的继续研究，开发f—一系列的杂环聚台物，其化学结构式如下所示；PBO的合成：（1）PBO的合成可用2，6—二氨基间苯二酚盐酸盐与对苯二中酸缩聚、其单体合成方法的反应如下：由三氯化苯为原料，经过三步反应制得，产物过滤，洗涤后减压干燥，可用于缩聚反应。另一个单体是对苯二甲酸，是聚酯合成用的大宗产品．这两个中体在多聚磷酸(PPA)溶剂中消液缩聚反应，P2O5作为脱水剂。其反应式如下：（2）PBO的台成也可以2,6一二氨基间苯二酚盐酸盐与对苯二甲酰氯在甲磺酸(MSA)溶剂和P2O5（质量分数为40％－50％)中加热反应制得，反应时间短，收率高。缩聚反应式如下所示：PBO纤维的制备PBO纤维纺制原则上类似于Kevlar纤维的液晶纺丝法——干喷湿纺法、水洗、干燥。所选的纺丝溶剂有多聚磷酸(PPA)、甲磺酸(MSA)、MSA/氯磺酸、硫酸、三氯化铝和三氯化钙/硝基甲烷等，一般多选用PPA为纺丝溶剂。所以PBO在PPA中的缩聚溶液即可作为纺丝原液,PBO在PPA溶剂中的质量分数通常调整在15%以上,采用干喷湿纺液晶纺丝装置。80～180℃的纺丝浆液通过喷丝孔进入空气层中形成丝条,干纺区的空气温度为50～100℃,空气层的流速应足以均匀降低液晶细流的温度。喷丝孔径为0.13～0.12mm或0.25mm(单孔纺丝)。纺丝过程中,对丝束稍加拉伸时,纺丝浆液在挤出应力作用下很容易实现分子链沿应力方向及纤维轴向高度取向,形成刚性伸长原纤结构。初纺丝(AS丝—标准型)就具有3.53N/tex以上的强度和10.84N/tex以上的弹性模量。挤出丝条进入PPA水溶液凝固浴中凝固成形,然后水洗,并在一定张力下进行干燥。为了提高模量,再在500～600℃的高温下进行热处理,以使微纤维结构固定,消除微纤维之间的空隙,使结构进一步致密,结晶更趋完整,可得到模量达174.4N/tex而强度保持不变的高模量丝(HM丝即高模量型)。纤维的卷绕速度一般为100～200m/min,拉伸比控制在11～20(多孔纺丝)或20～40(单孔纺丝)。PBO纤维的性能PBO纤维性能PBO－ASPBO－HM单丝线密度/tex0.170.17密度/g·cm-11.541.56强度/N·tex-1GPa3.75.83.75.8模量/N·tex-1GPa114.4180176.0280伸长/%3.52.5吸湿/%2.00.6热分解温度/℃650650LOI683热膨胀系数-6×10-6介电常数3.0介电损耗0.001（1）耐热性和耐火焰性PBO的极限氧指数(LOI)为68,在有机纤维中为最高值。对于PBO纺织物的耐燃性,如果按照JIS垂直法进行评价,其炭化长度小于5mm,特别是在燃烧中,产生很少的一氧化碳、氰化氢等有毒气体。由于其芳香主链、刚性分子链节和高度有序排列,而使热解温度有很高的稳定性;加上PBO纤维主链上杂环的存在,而使其耐热性比对位芳纶约高100℃，为650℃,是有机高性能纤维中最高的。PBO-HM即使在400℃,弹性模量值为室温下的70%,所以被确认结晶区域到400℃时弹性模量没有变化,有助于非结晶区域的分子运动。另一方面,PBO的强度随温度变化,用测量装置测定到500℃。如图1所示,随着温度升高,强度下降,但是,即使温度到500℃时,强度值还保持室温下的40%。作为有机纤维来说,达到这样程度的耐热性是惊人的。图1.PBO与芳纶纤维拉伸强度随温度的变化表1.PBO织物垂直法燃烧试验结果PBO对位芳纶间位芳纶TWTWTW炭化长度/cm023266燃烧后/s000000灼热后/s11161622LOI68682929注：T表示过盈量，W表示收缩量（2）化学稳定性PBO纤维具有优异的耐化学介质性,在几乎所有的有机溶剂及碱中都是稳定的,但能溶解于的浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸、多聚磷酸。此外,PBO对次氯酸也有很好的稳定性,芳纶在漂白剂中数10h内就完全分解,而在PBO在300h后仍保持90%以上的强度。（3）尺寸稳定性在抗拉强度的50%载荷下,所测得的室温蠕变结果与对位芳纶进行比较,如图3所示。如果从其斜率求出蠕变速度,PBO在弹性模量约大于对位芳纶2倍的载荷下,表现出1/2的弹性模量值。另外,关于尺寸稳定性方面,PBO由于热磁滞效应,没有收缩(热收缩),同其它持有伸长链结构的超级纤维一样,所具有的负线膨胀系数由于温度上升而收缩;但是,由于象对位芳纶那样的吸湿,尺寸也没有变化,热和水份对尺寸稳定性的影响也极少。超过280GPa的弹性模量及其优异的尺寸稳定性,在拉伸构件的应用方面被认为是有效的。图2.PBO与芳纶纤维的蠕变特性（4）耐磨与耐弯曲疲劳性能在相同载荷水平下,PBO比对位芳纶的耐磨性优良。对于均为1500细度的PBO-AS、PBO-HM、对位芳纶、高模量对位芳纶、共聚对位芳纶,在1g/d初始拉力条件下的断裂循环周期分别为5000,3900,1000,200、50次;在135℃下弯曲2000次之后的强度保持率分别约为35%,35%,35%,35%和48%。（5）热空气中的收缩率PBO在300℃空气中,不进行拉伸30min后,收缩率均为0.1%,在相同条件下比共聚对位芳纶和对位芳纶的热收缩率低得多(分别为0.7%和0.45%)。表2.PBO纤维与其它纤维的性能对比纤维品种断裂强度/(N/tex)模量/GPa断裂伸长率/%密度/(g/cm3)回潮率/%LOI/%裂解温度/℃ZylonHM3.72802.51.560.668650ZylonAS3.71803.51.54268650对位芳纶1.951092.41.454.529550间位芳纶0.4717221.384.529400钢纤维0.352001.47.800——碳纤维2.052301.51.76———高模量聚酯3.571103.50.97016.5150聚苯并咪唑(PBI0.285.6301.401.541550PBO纤维的用途（1）耐热垫材及高温滤材利用PBO纤维的耐热的特点,可用于制造温度超过350℃以上的耐热垫材，如用于制作铝合金和玻璃加工时的耐高温的垫材,铝合金为轻金属,在高温挤出成型时容易损伤,出料后冷却过程要使用柔软的垫材,一边在垫材上移动,一边逐步从500℃冷却到室温。用PBO纤维制造的高温过滤袋和过滤毡,高温下长期使用仍可保持高强度高耐磨性,因此在金属冶炼、水泥和石灰、石膏生产、炼焦发电和化工等行业除尘器中使用,更有利于改善劳动环境,回收资源。（2）消防服PBO纤维阻燃性好,在火焰中不燃烧、不收缩、非常柔软可用于高性能的消防服和炉前工作服、焊接工作服等处理熔融金属现场用的耐热工作服以及军服。（3）增强材料及高性能帆布利用PBO纤维高模量的特性,可用于光导纤维的增强,可减小光缆直径,使之易于安装,并减少通讯中的噪音。在橡胶增强领域,PBO纤维可代替钢丝作为轮胎的增强材料,使轮胎轻量化,有助于节能。PBO纤维也可在密封垫片、轮胎、胶带运输带、胶管等橡胶制品、各种树脂、塑料、混凝土抗震水泥构件和高性能同步传动带中作为增强纤维仁。PBO纤维也可做电热线、耳机线等各种软线的增强纤维以及弹道导弹和复合材料的增强组分。利用PBO纤维的高强及高模量特性,可用于绳索和缆绳等高拉力材料、光纤电缆承载构件、纤维光缆的受拉件、光缆的保护膜件材料、桥梁缆绳、航海运动帆船的主缆以及赛船用帆布。〕（4）防护服以及体育用品PBO纤维可用作防切伤的保护服、安全手套和安全鞋、赛车服、骑手服、各种运动服和活动性运动装备、飞行员服、防割破装备,以及其它体育用品如羽毛球、网球拍、高尔夫棒及钓鱼杆,山地自行车、赛车制动器、滑雪板、托柄、盔、降落伞、船帆、运动鞋、跑鞋、钉鞋、溜冰鞋、骑士服装、运动服等。已有体育用品公司开发出全PBO纤维增强复合材料的运动自行车轮辐和网球拍。另外,在赛艇建造方面也已有应用。（5）防弹抗冲击材料在纤维增强塑料领域,由于要求高弯曲刚性,其补强材料一般以碳纤维为主流,但碳纤维增强塑料存在的一个问题是耐冲击性低,PBO纤维的耐冲击强度远远高于由碳纤维以及其它纤维增强的复合材料,能吸收大量的冲击能,利用其优异的抗冲击性能,应用于防弹材料,使装甲轻型化,也可用于导弹和子弹的防护装备如警用的防弹衣、防弹头盔、防弹背心。（6）在航空宇宙方面及军事领域的应用PBO纤维在航天领域可用于火箭发动机隔热、绝缘、燃料油箱、太空中架线、行星探索气球等方面。美国在2006年把行星探测遥控装置送上金星,使用PBO气球内装遥控装置进行探测。金星地表面温度为460℃,金星上空的硫酸云中的温度为-10℃,在这样的温度下,作为能用的耐热性气球薄膜材料只有PBO。PBO纤维还可用于弹道导弹、战术导弹和航空航天领域使用的复合材料增强材料。主要用于军用飞机、宇宙飞船及导弹等的结构材料。在火星轨道探测器的空气袋应用方面,特别是对减少发射经费起着重要的作用。此外PBO纤维己广泛用于各种武器装备,对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。