1. Ontwikkelingsgeschiedenis
PBO is uitgevonden door onderzoekers in de aerodynamica van de Amerikaanse luchtmacht. Het basisoctrooi voor polybenzothiazool was in handen van het Stanford Research Institute (SRI) in de Verenigde Staten. Later verkreeg Dow Chemical Company de licentie en ontwikkelde PBO industrieel, terwijl ook de oorspronkelijke monomeersynthesemethode werd verbeterd. Het nieuwe proces produceerde vrijwel geen isomere bijproducten, waardoor de opbrengst van de gesynthetiseerde monomeren toenam en de basis werd gelegd voor industrialisatie. In 1990 kocht het Japanse Toyobo Co. de PBO-patenttechnologie van Dow Chemical. In 1991 ontwikkelde Dow-Badische Textile Company PBO-vezel op de apparatuur van Toyobo, waardoor de sterkte en modulus van PBO-vezel aanzienlijk werd verhoogd tot tweemaal die van PPTA-vezel. In 1994 investeerde Toyobo, met toestemming van Dow-Badische Textile Company, 3 miljard yen om een productielijn te bouwen die 400 ton PBO-monomeren per jaar en 180 ton spinnen per jaar kon produceren. De gedeeltelijke gemechaniseerde productie begon in het voorjaar van 1995 en in 1998 bereikte de productiecapaciteit 200 ton/jaar, met het product genaamd Zylon. Volgens Toyobo's ontwikkelingsplan voor Zylon zou de productiecapaciteit in 2000 naar verwachting 380 ton/jaar, in 2003 500 ton/jaar en in 2008 1000 ton/jaar bedragen. Momenteel is Toyobo het enige bedrijf ter wereld dat in staat is om commercieel productie van PBO-vezels.
2. Vooruitzichten voor de ontwikkeling van PBO-vezels
De afgelopen jaren zijn hoogwaardige vezelcomposietversterkingsmaterialen op grote schaal gebruikt in de bouwsector, zoals hoogbouw, grote bruggen en waterbouwkunde in ontwikkelde landen en regio's zoals Europa, Amerika en Japan. Door vezeldoek te impregneren met epoxyhars en dit aan het betonoppervlak te hechten, kan het draagvermogen en de aardbevingsbestendigheid van de oorspronkelijke constructie aanzienlijk worden verbeterd. Bovendien kunnen staalkabels in de bruggenbouw vanwege hun eigen gewicht niet worden gebruikt voor langere bruggen. In plaats daarvan is er een voorkeur voor lichtere en sterkere kabels. Kabels gemaakt van PBO-vezels, die een hoge specifieke sterkte en goede maatvastheid hebben, zijn de beste keuze. PBO-vezels vervangen geleidelijk de traditionele asbestmaterialen op het gebied van hittebestendige materialen en onderzoeken momenteel de vervanging van aromatische polyamiden en andere vlamvertragende vezels bij temperaturen onder 350 graden. Bij temperaturen boven 350 graden vervangen ze roestvrijstalen vezels of keramische vezels en andere anorganische vezels. Omdat anorganische vezels behoorlijk hard zijn en gevoelig zijn voor krassen die hun prestaties beïnvloeden, zullen PBO-vezels waarschijnlijk de tekortkomingen van anorganische vezels overwinnen. Voorheen was de hittebestendigheid van organische vezels onvoldoende (meestal onder de 400 graden), wat de toepassingsontwikkeling ervan beperkte. PBO-vezels hebben echter een ontledingstemperatuur tot 650 graden, de hoogste van alle organische vezels. Daarom is het heel goed mogelijk om het gebruik van organische vezels in toepassingen boven 350 graden te vervangen door PBO-vezels, waardoor de toepassing van hittebestendige PBO-vezelmaterialen wordt uitgebreid en ontwikkeld. Uit internationaal onderzoek blijkt dat PBO-vezels veel potentiële toepassingen hebben op andere gebieden, zoals elektrische isolatiematerialen, satellietdetectie, lichtgewicht materialen, de auto-industrie en de ontwikkeling van diepzeeolievelden. Als lichaamsmateriaal voor hogesnelheidstreinen verminderen PBO-vezels niet alleen het gewicht van het lichaam, maar vergroten ze ook de sterkte ervan. Door gebruik te maken van de chemische bestendigheid van PBO-vezels kunnen verschillende corrosiebestendige beschermende kleding worden gemaakt. Om de beperkte belasting te verminderen, zijn PBO-vezels bij ruimteverkenning geschikt voor het maken van bevestigingsmiddelen en riemen die in de ruimte worden gebruikt. In het bereik van kosmische ruimtetemperaturen van -10 graden tot 460 graden kan het ook worden gebruikt als materiaal voor hittebestendige detectieballonnen. Op het gebied van sportwedstrijdzeilen worden zeilen voornamelijk gemaakt van plaatachtige dunne platen gemaakt van vezels met hoge sterkte en hoge modulus. Om de vervorming van de zeilen bij blootstelling aan wind te minimaliseren, moeten voor de productie van racezeilen naar de PBO-vezels met de hoogste modulus worden gezocht. Gezien de uitstekende mechanische eigenschappen van PBO-vezels zijn ze ook de beste materialen voor de productie van golfclubs, tennisrackets, skistokken, skiplanken, surfplanken, boogpezen voor boogschieten en racefietswielen. Het cruciale technologische onderzoek, de ontwikkeling en de industrialisatie van PBO-vezels kunnen China in staat stellen zich los te maken van de langdurige controle en het monopolie op buitenlandse technologie en een pad te bewandelen van onafhankelijke innovatie, mooie vooruitzichten en brede toepassing van binnenlandse en grootschalige ontwikkeling. van PBO-vezels. Dit zal bijdragen aan de ontwikkeling en het duurzame gebruik van hoogwaardige PBO-materialen in de Chinese lucht- en ruimtevaart-, nationale defensie-, militaire en civiele industrie.
3. Vezeleigenschappen
Volgens de rapporten van Toyobo bedraagt de sterkte van het hoogwaardige PBO-vezelproduct 5,8 GPa (gerapporteerd als 5,2 GPa in Duitsland), met een modulus van 180 GPa, de hoogste van de bestaande chemische vezels; het is bestand tegen temperaturen tot 600 graden en heeft een beperkende zuurstofindex van 68, brandt niet en krimpt niet in vlammen, wat een hogere hittebestendigheid en vlamvertraging aantoont dan welke andere organische vezel dan ook. Het wordt vooral gebruikt voor hittebestendig industrieel textiel en vezelversterkte materialen.
Vergelijking van PBO met andere hoogwaardige vezels: de sterkte, modulus, hittebestendigheid en vlamvertraging van PBO-vezels, vooral de sterkte ervan, overtreffen niet alleen die van staalvezels, maar overtreffen ook die van koolstofvezels. Bovendien vertoont PBO-vezel een uitstekende slagvastheid, slijtvastheid en maatvastheid, en is het licht en zacht, waardoor het een uiterst ideale textielgrondstof is.
PBO beschikt als superprestatievezel van de 21e eeuw over uitstekende fysische, mechanische en chemische eigenschappen. De sterkte en modulus zijn twee keer zo groot als die van Kevlar-vezels en beschikken ook over de hittebestendigheid en vlamvertraging van meta-aramidevezels, met algemene fysische en chemische eigenschappen die die van Kevlar-vezels, die toonaangevend zijn op het gebied van hoogwaardige prestaties, volledig overtreffen. vezels. Eén enkel PBO-filament met een diameter van 1 millimeter kan een gewicht van 450 kilogram tillen, wat meer dan tien keer de sterkte is van staaldraadvezels.
4. Oppervlaktemodificatie van PBO-vezels.
De grensvlakafschuifsterkte (IFSS) tussen PBO-vezels en de harsmatrix kan worden verbeterd, maar een overmatige hoeveelheid koppelmiddel kan leiden tot een dikke verknopingslaag van het koppelmiddel, wat op zijn beurt de IFSS vermindert. Plasma-etsen op het vezeloppervlak heeft voornamelijk invloed op het koppelmiddel, waardoor een geënte verknopingslaag wordt gevormd die een bepaalde bescherming voor de vezels biedt, waardoor de afname van de σ van PBO-vezels niet significant is. Uit analyse blijkt dat de optimale omstandigheden voor het gecombineerde proces van koppelingsmiddel en plasmamodificatie zijn: een gehalte aan koppelingsmiddel van 2%, argon-plasmabehandelingstijd bij lage temperatuur van 2 minuten, druk van 50 Pa en vermogen van 30 W. Van de geselecteerde koppelingsmiddelen heeft het A-187-type het beste effect op het verbeteren van de IFSS tussen PBO-vezels en epoxyhars, met een optimaal gehalte van 2%. (1) Wanneer het A-187-gehalte 2% is en de argon-plasmabehandelingsomstandigheden bij lage temperatuur 2 minuten, 30 W en 50 Pa zijn, kan de IFSS van de gemodificeerde PBO-vezels oplopen tot 10,44 MPa, wat is een toename van 52% vergeleken met het gebruik van alleen het A-187-koppelingsmiddel voor modificatie, en een toename van 78% vergeleken met de IFSS van de oorspronkelijke vezels. De bevochtigbaarheid van PBO-vezels is ook aanzienlijk verbeterd. (2) Voor PBO-vezels gemodificeerd door argon-plasma op lage temperatuur gecombineerd met een koppelingsmiddel is de afname van IFSS in de loop van de tijd niet significant; de toename van de contacthoek is ook niet significant, wat wijst op een tendens naar stabiliteit, en er is zelfs een lichte neerwaartse trend. Het afbraakeffect van PBO-vezels gemodificeerd door argon-plasma bij lage temperatuur gecombineerd met een koppelingsmiddel is niet uitgesproken.
5.Voorbereiding
PBO wordt gesynthetiseerd door oplossingspolycondensatie van 4,6-diaminoresorcinoldihydrochloride (ook bekend als DAR·2HCl) met tereftaalzuur in een oplosmiddel van polyfosforzuur (PPA), of door dehydratatie met behulp van P2O5. PPA dient zowel als oplosmiddel als als katalysator voor de polycondensatie. De synthese van het monomeer DAR·2HCl werd met succes ontwikkeld door Dow Chemical Company in de Verenigde Staten, uitgaande van trichloorbenzeen als grondstof. Deze methode vermijdt de vorming van isomeren tijdens de synthese, wat hoge opbrengsten oplevert en een belangrijke rol speelt in de industriële productie van PBO. De polymeerdope wordt gesponnen met behulp van een droog-nat spinproces, gevolgd door wassen en drogen. Wanneer opgelost tot vloeibaar-kristallijne eigenschappen kan het gebruik van vloeibaar-kristalspinnen een verlengde ketenstructuur vormen, waarbij de aanvankelijk gesponnen vezel (AS-vezel - standaardtype) een sterkte bezit van meer dan 3,53 N/tex en een elastische modulus van meer dan 10,84 N/ tex. Om de modulus te verbeteren kan een warmtebehandeling worden uitgevoerd bij ongeveer 600 graden, wat resulteert in een vezel met hoge modulus (HM-vezel - type met hoge modulus) met een modulus tot 176,4 N/tex met behoud van dezelfde sterkte.
6. Toepassing
PBO-vezels kenmerken zich door hun uitstekende hittebestendigheid, hoge sterkte en hoge modulus, waardoor ze breed toepasbaar zijn.
(1) Toepassingen van filament omvatten versterkende materialen voor rubberproducten zoals banden, transportbanden en slangen; versterkingsmaterialen voor diverse kunststoffen en beton; versterking van componenten voor ballistische raketten en composietmaterialen; spanelementen en beschermende membranen voor glasvezelkabels; versterkingsvezels voor elektrische draden, hoofdtelefoondraden en andere flexibele draden; materialen met hoge treksterkte voor touwen en kabels; hittebestendige filtermaterialen voor filtratie op hoge temperatuur; beschermende uitrusting voor raketten en kogels, kogelvrije vesten, kogelvrije helmen en hoogwaardige vluchtpakken; sportuitrusting voor tennis, speedboten, racejachten; hoogwaardige luidsprekermembranen, nieuwe communicatiematerialen; ruimtevaartmaterialen, enz.
(2) Toepassingen van gehakte vezels en pulp omvatten versterkende vezels voor wrijvingsmaterialen en afdichtingspakkingen; verbeteringsmaterialen voor verschillende harsen en kunststoffen, enz.
(3) Toepassingen van garen omvatten brandweerkleding; hittebestendige werkkleding voor het hanteren van gesmolten metaal, zoals gieterij- en laskleding; beschermende kleding ter bescherming tegen snijwonden, veiligheidshandschoenen en veiligheidsschoenen; Pakken voor raceautocoureurs, jockeyoutfits; diverse sportkleding en actieve sportuitrusting; Carrace pilotenpakken; anti-snijapparatuur, enz.
(4) Toepassingen van korte vezels omvatten voornamelijk hittebestendige bufferviltkussentjes voor de verwerking van aluminium-extrusie; hittebestendige filtermaterialen voor filtratie op hoge temperatuur; thermische beschermingsriemen, enz.