1.Kehityshistoria
PBO:n keksivät Yhdysvaltain ilmavoimien aerodynamiikan tutkijat. Polybentsotiatsolin peruspatentti oli Stanford Research Instituten (SRI) hallussa Yhdysvalloissa. Myöhemmin Dow Chemical Company sai lisenssin ja kehitti teollisesti PBO:n samalla kun paransi alkuperäistä monomeerisynteesimenetelmää. Uusi prosessi ei tuottanut juuri lainkaan isomeerisia sivutuotteita, mikä lisäsi syntetisoitujen monomeerien saantoa ja loi pohjan teollistumiselle. Vuonna 1990 japanilainen Toyobo Co. osti PBO-patenttiteknologian Dow Chemicalilta. Vuonna 1991 Dow-Badische Textile Company kehitti PBO-kuitua Toyobon laitteisiin, mikä nosti merkittävästi PBO-kuidun lujuuden ja moduulin kaksinkertaiseksi PPTA-kuituihin verrattuna. Vuonna 1994 Toyobo investoi Dow-Badische Textile Companyn luvalla 3 miljardia jeniä tuotantolinjan rakentamiseen, joka pystyy tuottamaan 400 tonnia PBO-monomeerejä vuodessa ja 180 tonnia kehruua vuodessa. Osittainen koneellinen tuotanto aloitettiin keväällä 1995, ja vuoteen 1998 mennessä tuotantokapasiteetti oli 200 tonnia/vuosi, tuotteella nimeltä Zylon. Toyobon Zylonia koskevan kehityssuunnitelman mukaan tuotantokapasiteetin odotettiin nousevan 380 tonniin/vuosi vuoteen 2000 mennessä, 500 tonniin/vuosi vuoteen 2003 mennessä ja 1000 tonniin/vuosi vuoteen 2008 mennessä. Tällä hetkellä Toyobo on ainoa yritys maailmassa, joka kykenee kaupallisesti toimimaan. tuottaa PBO-kuitua.
2. PBO-kuitujen kehitysnäkymät
Viime vuosina korkean suorituskyvyn kuitukomposiittivahvistusmateriaaleja on käytetty laajalti rakentamisen aloilla, kuten korkeissa rakennuksissa, suurissa silloissa ja meritekniikassa kehittyneissä maissa ja alueilla, kuten Euroopassa, Amerikassa ja Japanissa. Kyllästämällä kuitukangas epoksihartsilla ja kiinnittämällä se betonipintaan voidaan alkuperäisen rakenteen kantokykyä ja maanjäristyskestävyyttä merkittävästi parantaa. Lisäksi siltarakentamisessa teräskaapeleita ei voida käyttää pidempiin siltoihin oman painonsa vuoksi. Sen sijaan suositaan kevyempiä ja vahvempia kaapeleita. PBO-kuiduista valmistetut kaapelit, joilla on korkea ominaislujuus ja hyvä mittapysyvyys, ovat paras valinta. PBO-kuidut korvaavat vähitellen perinteiset asbestimateriaalit lämmönkestävien materiaalien alalla, ja parhaillaan tutkitaan aromaattisten polyamidien ja muiden paloa hidastavien kuitujen korvaamista alle 350 asteen lämpötiloissa. Yli 350 asteen lämpötiloissa ne korvaavat ruostumattoman teräksen kuidut tai keraamiset kuidut ja muut epäorgaaniset kuidut. Koska epäorgaaniset kuidut ovat melko kovia ja alttiita naarmuille, jotka vaikuttavat niiden suorituskykyyn, PBO-kuidut todennäköisesti poistavat epäorgaanisten kuitujen puutteet. Aiemmin orgaanisten kuitujen lämmönkestävyys oli riittämätön (enimmäkseen alle 400 astetta), mikä rajoitti niiden sovelluskehitystä. PBO-kuitujen hajoamislämpötila on kuitenkin jopa 650 astetta, mikä on korkein kaikista orgaanisista kuiduista. Näin ollen on täysin mahdollista korvata orgaanisten kuitujen käyttö yli 350 asteen sovelluksissa PBO-kuiduilla, mikä laajentaa ja kehittää PBO-kuitujen lämmönkestävien materiaalien käyttöä. Kansainvälinen tutkimus osoittaa, että PBO-kuiduilla on monia potentiaalisia sovelluksia muilla alueilla, kuten sähköeristysmateriaaleissa, satelliittien havaitsemisessa, kevyissä materiaaleissa, autoteollisuudessa ja syvänmeren öljykenttien kehittämisessä. Nopean junan runkomateriaalina PBO-kuidut eivät ainoastaan vähennä kehon painoa, vaan myös lisäävät sen lujuutta. PBO-kuitujen kemiallista kestävyyttä hyödyntäen voidaan valmistaa erilaisia korroosionkestäviä suojavaatteita. Avaruustutkimuksessa rajoitetun taakan vähentämiseksi PBO-kuidut sopivat avaruudessa käytettävien kiinnikkeiden ja hihnojen valmistukseen. Kosmisen tilan ympäristön lämpötilojen alueella -10 asteesta 460 asteeseen sitä voidaan käyttää myös lämmönkestävän ilmapallon materiaalina. Urheilukilpailupurjehduksen alalla purjeet valmistetaan pääosin levymäisistä ohuista levyistä, jotka on valmistettu lujista ja korkeamoduulisista kuiduista. Purjeiden muodonmuutosten minimoimiseksi tuulelle alttiina, kilpapurjeiden valmistukseen on etsittävä korkeimman moduulin PBO-kuituja. PBO-kuitujen erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien ansiosta ne ovat myös parhaita materiaaleja golfmailojen, tennismailojen, suksisauvojen, suksilautojen, surffilautojen, jousiammuntajonojen ja polkupyörien kilpapyörien valmistukseen. Avainteknologian tutkimus ja kehitys sekä PBO-kuitujen teollistuminen voivat mahdollistaa Kiinan irtautua ulkomaisen teknologian pitkäaikaisesta hallinnasta ja monopolista ja lähteä itsenäisen innovaation, valoisten tulevaisuudennäkymien sekä kotimaisen ja laajamittaisen kehityksen laajan soveltamisen tielle. PBO-kuiduista. Tämä edistää korkean suorituskyvyn PBO-materiaalien kehittämistä ja kestävää käyttöä Kiinan ilmailu-, maanpuolustus-, sotilas- ja siviiliteollisuudessa.
3. Kuidun ominaisuudet
Toyobon raporttien mukaan sen huippuluokan PBO-kuitutuotteen vahvuus on 5,8 GPa (ilmoitettiin 5,2 GPa:ksi Saksassa), ja sen moduuli on 180 GPa, korkein olemassa olevista kemiallisista kuiduista; se kestää jopa 600 asteen lämpötiloja, ja sen rajoittava happiindeksi on 68, se ei pala tai kutistu liekeissä, mikä osoittaa korkeamman lämmönkestävyyden ja palonestokyvyn kuin mikään muu orgaaninen kuitu. Sitä käytetään pääasiassa lämmönkestävissä teollisuustekstiileissä ja kuituvahvisteisissa materiaaleissa.
PBO:n vertailu muihin korkean suorituskyvyn kuituihin: PBO-kuidun lujuus, moduuli, lämmönkestävyys ja palonestokyky, erityisesti sen lujuus, eivät ainoastaan ylitä teräskuitujen, vaan myös hiilikuitujen lujuutta. Lisäksi PBO-kuidulla on erinomainen iskunkestävyys, kulutuskestävyys ja mittapysyvyys, ja se on kevyt ja pehmeä, joten se on erittäin ihanteellinen tekstiilien raaka-aine.
PBO on 2000-luvun huippusuorituskykyinen kuitu, jolla on erinomaiset fysikaaliset, mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet. Sen lujuus ja moduuli ovat kaksinkertaiset Kevlar-kuituihin verrattuna, ja niissä on myös meta-aramidikuitujen lämmönkestävyys ja palonestokyky, joiden fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ylittävät täysin Kevlar-kuitujen ominaisuudet, jotka ovat olleet johtavia korkean suorituskyvyn alalla. kuidut. Yksi halkaisijaltaan 1 millimetrin PBO-filamentti voi nostaa 450 kilogramman painon, mikä on yli kymmenen kertaa teräslankakuitujen lujuus.
4.PBO-kuitujen pinnan modifiointi.
PBO-kuitujen ja hartsimatriisin välistä rajapintaleikkauslujuutta (IFSS) voidaan parantaa, mutta liiallinen määrä kytkentäainetta voi johtaa kytkentäaineen paksuun silloituskerrokseen, mikä puolestaan vähentää IFSS:ää. Plasmasyövytys kuidun pinnalle vaikuttaa ensisijaisesti kytkentäaineeseen muodostaen oksastetun silloituskerroksen, joka antaa kuiduille tietyn suojan, joten PBO-kuitujen σ:n lasku ei ole merkittävää. Analyysi osoittaa, että optimaaliset olosuhteet kytkentäaineen ja plasman modifioinnin yhdistetylle prosessille ovat: A-187 kytkentäainepitoisuus 2 %:ssa, argonin matalan lämpötilan plasmakäsittelyaika 2 minuuttia, paine 50 Pa:ssa ja teho 30 W. Valituista kytkentäaineista A-187-tyypillä on paras vaikutus PBO-kuitujen ja epoksihartsin välisen IFSS:n parantamiseen optimaalisella pitoisuudella 2 %. (1) Kun A-187-pitoisuus on 2 % ja argonin matalan lämpötilan plasmakäsittelyolosuhteet ovat 2 min, 30 W ja 50 Pa, modifioitujen PBO-kuitujen IFSS voi nousta jopa 10,44 MPa:iin, mikä on 52 % lisäys verrattuna pelkän A-187-liitosaineen käyttämiseen modifiointiin ja 78 % lisäystä alkuperäisen kuitujen IFSS:ään verrattuna. Myös PBO-kuitujen kostuvuus on parantunut merkittävästi. (2) PBO-kuiduille, jotka on modifioitu matalan lämpötilan argonplasmalla yhdistettynä kytkentäaineeseen, IFSS:n väheneminen ajan myötä ei ole merkittävää; kosketuskulman kasvu ei myöskään ole merkittävää, osoittaen taipumusta vakauteen, ja trendi on jopa hieman laskeva. Matalan lämpötilan argonplasmalla ja kytkentäaineella modifioitujen PBO-kuitujen hajoamisvaikutus ei ole selvä.
5. Valmistelu
PBO syntetisoidaan liuospolykondensaatiolla 4,6-diaminoresorsinolidihydrokloridia (tunnetaan myös nimellä DAR·2HCl) tereftaalihapon kanssa polyfosforihapon (PPA) liuottimessa tai dehydraatiolla P2O5:tä käyttäen. PPA toimii sekä liuottimena että katalysaattorina polykondensaatiossa. Dow Chemical Company Yhdysvalloissa kehitti menestyksekkäästi DAR·2HCl-monomeerin synteesin aloittaen triklooribentseenistä raaka-aineena. Tällä menetelmällä vältetään isomeerien muodostuminen synteesin aikana, jolloin saadaan korkeat saannot ja sillä on merkittävä rooli PBO:n teollisessa tuotannossa. Polymeeriseos kehrätään kuiva-märkäkehruumenetelmällä, jota seuraa pesu ja kuivaus. Liuotettuna nestekideominaisuuksiin nestekidekehruu voi muodostaa pidennetyn ketjurakenteen, jolloin alkukehrätty kuidu (AS-kuitu - standardityyppi) on lujuus yli 3,53 N/tex ja kimmomoduuli yli 10,84 N/ tex. Moduulin parantamiseksi lämpökäsittely voidaan suorittaa noin 600 asteessa, jolloin saadaan korkeamoduulikuitu (HM-kuitu - korkeamoduulityyppi), jonka moduuli on jopa 176,4 N/tex, samalla kun säilytetään sama lujuus.
6. Sovellus
PBO-kuiduille on ominaista erinomainen lämmönkestävyys, korkea lujuus ja korkea moduuli, mikä tekee niistä laajasti käyttökelpoisia.
(1) Hehkulangan käyttökohteita ovat kumituotteiden, kuten renkaiden, kuljetinhihnojen ja letkujen, vahvistavat materiaalit; erilaisten muovien ja betonin lujitemateriaalit; ballististen ohjusten ja komposiittimateriaalien vahvistuskomponentit; kuituoptisten kaapeleiden kiristysosat ja suojakalvot; vahvistuskuidut sähköjohtoja, kuulokejohtoja ja muita joustavia johtoja varten; korkealujuusmateriaalit köysiä ja kaapeleita varten; lämmönkestävät suodatinmateriaalit korkean lämpötilan suodatukseen; suojavarusteet ohjuksia ja luoteja varten, luodinkestävät liivit, luodinkestävät kypärät ja tehokkaat lentopuvut; urheiluvälineet tennistä, pikaveneet, kilpa-alukset; korkea-asteen kaiutinkalvot, uudet viestintämateriaalit; ilmailumateriaalit jne.
(2) Katkokuitujen ja massan käyttökohteita ovat kitkamateriaalien lujitekuidut ja tiivisteet; tehostavat materiaalit erilaisille hartseille ja muoveille jne.
(3) Langan käyttökohteet sisältävät palontorjuntavaatteet; kuumuutta kestävät työvaatteet sulan metallin käsittelyyn, kuten valimo- ja hitsausvaatteet; viiltosuojavaatetus, suojakäsineet ja turvakengät; kilpa-auton kuljettajan puvut, jockey-asut; erilaiset urheiluvaatteet ja aktiiviurheiluvarusteet; Lentäjän puvut; leikkauksenestolaitteet jne.
(4) Lyhyiden kuitujen sovelluksia ovat pääasiassa lämmönkestävät puskurihuopatyynyt alumiinin ekstruusiokäsittelyyn; lämmönkestävät suodatinmateriaalit korkean lämpötilan suodatukseen; lämpösuojahihnat jne.