1.Kehityshistoria
PBO:n keksivät Yhdysvaltain ilmavoimien aerodynamiikan kehittämisen tutkijat. Polybentsoksatsolin peruspatentin omisti alun perin Stanford Research Institute (SRI) Stanfordin yliopistossa Yhdysvalloissa. Myöhemmin Dow Chemical Company sai luvan ja kehitti teollisesti PBO:n samalla kun se paransi monomeerin alkuperäistä synteesimenetelmää. Uusi prosessi ei tuottanut juuri lainkaan isomeerisia sivutuotteita, mikä lisäsi syntetisoidun monomeerin saantoa ja loi pohjan teollistumiselle. Vuonna 1990 japanilainen Toyobo Co., Ltd. osti PBO-patenttiteknologian Dow Chemical Companylta. Vuonna 1991 Dow-Badische Fibers Inc. kehitti PBO-kuitua Toyobo Co., Ltd.:n laitteisiin, mikä nosti merkittävästi PBO-kuidun lujuuden ja moduulin kaksinkertaiseksi PPTA-kuituihin verrattuna. Vuonna 1994 Toyobo Co., Ltd. investoi Dow-Badische Fibers Inc:n luvalla 3 miljardia Japanin jeniä rakentaakseen tuotantolinjan, jonka vuosituotanto on 400 tonnia PBO-monomeerejä ja 180 tonnia kehruua. Keväällä 1995 se aloitti osittaisen koneellisen tuotannon, ja vuoteen 1998 mennessä tuotantokapasiteetti oli 200 tonnia/vuosi kaupallisella nimellä Zylon. Toyobon Zylon-kehityssuunnitelman mukaan tuotantokapasiteetin odotettiin saavuttavan 380 tonnia/vuosi vuonna 2000, 500 tonnia/vuosi vuonna 2003 ja 1000 tonnia/vuosi vuonna 2008. Tällä hetkellä Toyobo Co., Ltd. on ainoa yritys alueella maailmassa, joka pystyy tuottamaan kaupallisesti PBO-kuitua.
2. PBO-kuitukehityksen näkymät
Viime vuosina kehittyneet maat ja alueet, kuten Eurooppa, Amerikka ja Japani, ovat käyttäneet laajalti korkean suorituskyvyn kuituvahvisteisia komposiittimateriaaleja korkeiden rakennusten, suurten siltojen ja meritekniikan rakentamisessa. 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 lujuus ja hyvä mittapysyvyys, ovat paras valinta.
PBO-kuidut korvaavat vähitellen perinteisiä asbestimateriaaleja lämmönkestävien materiaalien alalla ja tutkivat parhaillaan sovelluksia alle 350 asteen paloa hidastavien kuitujen, kuten aromaattisten polyamidien, korvaamiseksi. Yli 350 astetta ne korvaavat epäorgaaniset kuidut, kuten ruostumaton teräs tai keraamiset kuidut. Koska epäorgaaniset kuidut ovat kovempia ja alttiita naarmuille, jotka vaikuttavat niiden suorituskykyyn, PBO-kuidut voivat voittaa nämä puutteet. Aiemmin orgaanisten kuitujen lämmönkestävyys oli riittämätön (enimmäkseen alle 400 astetta), mikä rajoitti niiden sovelluskehitystä. PBO-kuitujen hajoamislämpötila on kuitenkin 650 astetta, mikä on korkein kaikista orgaanisista kuiduista. Siksi on täysin mahdollista korvata orgaaniset kuidut PBO-kuiduilla yli 350 asteen sovelluksissa, joissa orgaaniset kuidut olivat aiemmin vaikeasti käytettäviä, mikä laajentaa ja kehittää PBO-kuitujen lämmönkestävien materiaalien käyttöä.
Kansainvälinen tutkimus osoittaa, että PBO-kuiduilla on monia sovelluksia muilla aloilla, kuten sähköeristysmateriaaleissa, satelliittien havaitsemisessa, kevyissä materiaaleissa, autoteollisuudessa ja syvänmeren öljykenttien kehittämisessä. Suurnopeusjunien rungoissa käytetyt PBO-kuidut eivät ainoastaan vähennä ajoneuvon painoa, vaan myös lisäävät sen lujuutta. PBO-kuitujen kemiallista kestävyyttä hyödyntäen voidaan valmistaa erilaisia korroosionkestäviä suojavaatteita. Ilmailualalla rajoitetun rasituksen vähentämiseksi PBO-kuidut soveltuvat avaruudessa käytettävien kiinnikkeiden ja hihnojen valmistukseen. Kosmisilla lämpötiloilla -10 asteesta 460 asteeseen niitä voidaan käyttää myös materiaalina lämmönkestävissä ilmapalloissa. Urheilupurjehduksessa purjeet valmistetaan pääosin lujista, korkeamoduulisista kuitumaisista ohuista materiaaleista. Muodonmuutosten minimoimiseksi tuulen puhaltaessa purjeita tulee kilpailukykyisten purjeiden valmistukseen etsiä korkeimman moduulin PBO-kuituja. PBO-kuitujen erinomaisten mekaanisten ominaisuuksien ansiosta ne ovat myös parhaita materiaaleja golfmailojen, tennismailojen, suksisauvojen, suksilautojen, surffilautojen, jousiammuntajonojen ja kilpapyörien valmistukseen.
Avainteknologian tutkimus- ja kehitystyö sekä PBO-kuitujen teollistuminen voivat mahdollistaa Kiinan irtautumisen ulkomaisen teknologian pitkäaikaisesta hallinnasta ja monopolista, lähteä itsenäisen innovaation, valoisten näkymien ja laajan kotimaisen ja laajamittaisen kehityksen polulle. PBO-kuiduista. Tämä edistää korkean suorituskyvyn PBO-materiaalien kehittämistä ja kestävää käyttöä Kiinan ilmailu-, maanpuolustus-, sotilas- ja siviiliteollisuudessa.
3. Kuidun ominaisuudet
Toyobon raporttien mukaan heidän huippuluokan PBO-kuitutuotteensa lujuus on 5,8 GPa (ilmoitettiin 5,2 GPa:ksi Saksassa), moduuli 180 GPa, mikä on korkein olemassa olevien kemiallisten kuitujen joukossa; se kestää jopa 600 asteen lämpötiloja ja rajoittava happiindeksi 68, eikä se pala tai kutistu liekeissä, ja sillä on korkeampi lämmönkestävyys ja palonestokyky kuin mikään muu orgaaninen kuitu. Sitä käytetään pääasiassa lämmönkestävissä teollisuustekstiileissä ja kuituvahvisteisissa materiaaleissa.
PBO:n suorituskyvyn vertailu muiden korkean suorituskyvyn kuitujen kanssa:
Kuten taulukosta voidaan nähdä, PBO-kuiduilla on erinomainen lujuus, moduuli, lämmönkestävyys ja palonestokyky. On huomattava, että PBO-kuitujen lujuus ei vain ylitä teräskuitujen lujuutta, vaan myös hiilikuitujen lujuutta. Lisäksi PBO-kuidut ovat erinomaisia iskunkestävyydestään, kulutuskestävyydestään ja mittapysyvyydestään. Ne ovat myös kevyitä ja joustavia, mikä tekee niistä ihanteellisen tekstiilien raaka-aineen.
PBO:lla on 2000-luvun huippusuorituskykyinen kuitu, jolla on poikkeuksellisen erinomaiset fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet sekä kemialliset ominaisuudet. Sen lujuus ja moduuli ovat kaksi kertaa Kevlar-kuituihin verrattuna, ja sillä on myös metaaramidikuitujen lämmönkestävyys ja palonestokyky. Lisäksi sen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet ylittävät täysin Kevlar-kuitujen, jotka ovat tähän asti johtaneet korkean suorituskyvyn kuitujen alalla. Yksi halkaisijaltaan 1 millimetrin PBO-filamentti voi nostaa 450 kilogramman painon, mikä on yli kymmenen kertaa teräskuitujen lujuus.
4.PBO-kuitujen pinnan modifiointi
TIFSS:n (Interfacial Shear Strength) vahvistuminen PBO-kuitujen ja hartsimatriisin välillä paranee, mutta kytkentäaineiden ylimäärä voi johtaa kytkentäaineen paksumpaan silloituskerrokseen, mikä puolestaan vähentää TIFSS:ää. Plasman etsausvaikutus kuidun pintaan vaikuttaa ensisijaisesti kytkentäaineeseen, mikä mahdollistaa oksastetun silloituskerroksen muodostumisen. Tämä kytkentäainekerros antaa tietyn suojan kuiduille, joten PBO-kuitujen σ:n (lujuuden) heikkeneminen ei ole merkittävää.
Voidaan analysoida, että optimaaliset olosuhteet yhdistetylle modifiointiprosessille kytkentäaineilla ja plasmalla ovat: A-187-kytkentäaineen pitoisuus 2 %, argonin matalan lämpötilan plasmakäsittelyaika 2 min, paine 50 Pa ja teho 30W. Valituista kytkentäaineista A-187 parantaa parhaiten PBO-kuitujen ja epoksihartsin välistä IFSS:ää, ja sen optimaalinen pitoisuus on 2 %.
(1) Kun A-187:n pitoisuus on 2 % ja argonin matalan lämpötilan plasmakäsittelyolosuhteet ovat 2 min, 30 W ja 50 Pa, modifioidun PBO-kuidun ΓIFSS (Interfacial Shear Strength) voi saavuttaa jopa 10,44. MPa. Tämä merkitsee 52 %:n lisäystä verrattuna pelkän A-187-kytkentäaineen käyttämiseen modifiointiin ja 78 %:n lisäystä alkuperäisen kuidun ΓIFSS:ään verrattuna. Myös PBO-kuitujen kostuvuus on parantunut huomattavasti.
(2) PBO-kuiduille, jotka on modifioitu matalan lämpötilan argonplasmalla yhdistettynä kytkentäaineeseen, ΓIFSS:n väheneminen ajan myötä ei ole merkittävää; kosketuskulman kasvu ei myöskään ole olennaista, mikä osoittaa taipumusta vakauteen ja lievästi laskeva suuntaus. Siksi matalan lämpötilan argonplasmalla ja kytkentäaineella modifioitujen PBO-kuitujen hajoamisvaikutus ei ole selvä.
5. Valmistelu
PBO valmistetaan liuospolykondensaatiolla 4,6-diaminoresorsinolihydrokloridia (DAR·HCl) tereftaalihapon kanssa käyttäen polyfosforihappoa (PPA) liuottimena. Vaihtoehtoisesti se voidaan syntetisoida käyttämällä P2O5-dehydraatiota polykondensaatioon. PPA toimii sekä liuottimena että katalysaattorina polykondensaatiossa.
American Dow Chemical Company on menestyksekkäästi kehittänyt monomeeridiaminoresorsinolin synteesin aloittaen triklooribentseenistä raaka-aineena. Tällä menetelmällä vältetään isomeerien muodostuminen synteesiprosessin aikana, jolloin saadaan korkea talteenottonopeus, jolla on merkittävä rooli PBO:n teollisessa tuotannossa.
Polymeeriseos kehrätään kuiva-märkälinkousmenetelmällä, jota seuraa pesu ja kuivaus. Kun kehruuliuos liuotetaan muodostamaan nestekiteitä ja käytetään nestekidekehräystä, se voi muodostaa pidennetyn ketjurakenteen. Ensimmäisen kehrätyn kuidun (AS-kuitustandardityyppi) lujuus on jo yli 3,53 N/tex ja kimmomoduuli yli 10,84 N/tex. Moduulin lisäämiseksi lämpökäsittely voidaan suorittaa noin 600 asteessa, jolloin saadaan korkeamoduulikuitu (HM-kuitukorkean moduulin tyyppi), jonka moduuli saavuttaa 176,4 N/tex, samalla kun säilytetään sama lujuus.
6. Sovellukset
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 lisäosat ja komposiittimateriaalit; kuituoptisten kaapeleiden kiristysosat ja suojakalvot; Vahvistuskuidut sähkölämmitysjohtoja, kuulokekaapeleita ja muita joustavia johtimia 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, kilpaveneet jne. varten; korkea-asteen kaiutinkalvot, uudet viestintämateriaalit; ilmailumateriaalit jne.
(2) Katkokuitujen ja massan käyttökohteita ovat kitkamateriaalien lujitekuidut ja tiivisteet; parannusmateriaalit erilaisille hartseille ja muoveille jne.
(3) Langan käyttökohteet sisältävät palontorjuntavaatteet; lämmönkestävät työvaatteet uunin etu- ja hitsaustoimintoihin; viiltosuojavaatetus, suojakäsineet ja turvakengät; kilpa-auton kuljettajan puvut, jockey-puvut; erilaiset urheiluvaatteet ja aktiiviset urheiluvälineet; Lentäjän puvut; leikkauksenestolaitteet jne.
(4) Lyhyiden kuitujen sovellukset ovat pääasiassa kuumuutta kestävää puskurityynyhuopaa, jota käytetään alumiinin ekstruusiokäsittelyssä; lämmönkestävät suodatinmateriaalit korkean lämpötilan suodatukseen; lämpösuojahihnat jne.