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、強度高的纜繩，比強度高、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纖維，由于無機纖維較硬，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纖維的不足。以往的有機纖維耐熱性不夠(多在400℃以下),從而限制了有機纖維的應(yīng)用發(fā)展，而PBO纖維分解溫度達(dá)到650℃，是所有有機纖維中耐熱溫度高的。因此，對以前難以使用有機纖維在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纖維。主要用于耐熱產(chǎn)業(yè)紡織品和纖維增強材料。

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(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)異的物理機械性能和化學(xué)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(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強材料；各種塑料和混凝土等的補強材料；彈道導(dǎo)彈和復(fù)合材料的增強組分；纖維光纜的受拉件和光纜的保護(hù)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(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強纖維；各種樹脂、塑料的增強材料等。

(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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