1.Attīstības vēsture
PBO izgudroja ASV gaisa spēku aerodinamikas pētnieki. Polibenzotiazola pamatpatents pieder Stenfordas pētniecības institūtam (SRI) Amerikas Savienotajās Valstīs. Vēlāk Dow Chemical Company ieguva licenci un rūpnieciski izstrādāja PBO, vienlaikus uzlabojot arī sākotnējo monomēru sintēzes metodi. Jaunais process neradīja gandrīz nekādus izomēru blakusproduktus, palielinot sintezēto monomēru ražu un liekot pamatu industrializācijai. 1990. gadā Japānas uzņēmums Toyobo Co iegādājās PBO patentu tehnoloģiju no Dow Chemical. 1991. gadā Dow-Badische Textile Company izstrādāja PBO šķiedru uz Toyobo aprīkojuma, ievērojami palielinot PBO šķiedras izturību un moduli līdz divreiz lielākai nekā PPTA šķiedrai. 1994. gadā ar Dow-Badische Textile Company atļauju Toyobo ieguldīja 3 miljardus jenu, lai izveidotu ražošanas līniju, kas spēj saražot 400 tonnas gadā PBO monomēru un 180 tonnas gadā vērpšanai. Daļēja mehanizētā ražošana sākās 1995. gada pavasarī, un līdz 1998. gadam ražošanas jauda sasniedza 200 tonnas gadā ar produktu ar nosaukumu Zylon. Saskaņā ar Toyobo Zylon attīstības plānu bija paredzēts, ka ražošanas jauda sasniegs 380 tonnas gadā līdz 2000. gadam, 500 tonnas gadā līdz 2003. gadam un 1000 tonnas gadā līdz 2008. gadam. Pašlaik Toyobo joprojām ir vienīgais uzņēmums pasaulē, kas spēj komerciāli darboties. ražo PBO šķiedru.
2. PBO šķiedru attīstības perspektīvas
Pēdējos gados augstas veiktspējas šķiedru kompozītmateriālu stiegrojuma materiāli ir plaši izmantoti būvniecības jomās, piemēram, augstceltnēs, lielos tiltos un jūras inženierzinātnēs attīstītajās valstīs un reģionos, piemēram, Eiropā, Amerikā un Japānā. Impregnējot šķiedru audumu ar epoksīda sveķiem un pielīmējot tos pie betona virsmas, var ievērojami uzlabot sākotnējās konstrukcijas nestspēju un zemestrīču izturību. Turklāt tiltu konstrukcijā tērauda troses nevar izmantot garākiem tiltiem to pašu svara dēļ. Tā vietā priekšroka tiek dota vieglākiem un stiprākiem kabeļiem. Labākā izvēle ir kabeļi, kas izgatavoti no PBO šķiedrām, kam ir augsta īpatnējā izturība un laba izmēru stabilitāte. PBO šķiedras pakāpeniski aizstāj tradicionālos azbesta materiālus karstumizturīgo materiālu jomā un pašlaik pēta, kā aizstāt aromātiskos poliamīdus un citas liesmu slāpējošās šķiedras temperatūrā, kas zemāka par 350 grādiem. Temperatūrā virs 350 grādiem tie aizstāj nerūsējošā tērauda šķiedras vai keramikas šķiedras un citas neorganiskās šķiedras. Tā kā neorganiskās šķiedras ir diezgan cietas un pakļautas skrāpējumiem, kas ietekmē to darbību, PBO šķiedras, visticamāk, pārvarēs neorganisko šķiedru trūkumus. Iepriekš organisko šķiedru karstumizturība bija nepietiekama (galvenokārt zem 400 grādiem), kas ierobežoja to pielietojuma attīstību. Tomēr PBO šķiedru sadalīšanās temperatūra ir līdz 650 grādiem, kas ir augstākā starp visām organiskajām šķiedrām. Tāpēc ir pilnībā iespējams aizstāt organisko šķiedru izmantošanu lietojumos virs 350 grādiem ar PBO šķiedrām, tādējādi paplašinot un attīstot PBO šķiedru karstumizturīgu materiālu pielietojumu. Starptautiskie pētījumi liecina, ka PBO šķiedrām ir daudz potenciālu pielietojumu citās jomās, piemēram, elektriskās izolācijas materiālos, satelītu detektoros, vieglos materiālos, automobiļu rūpniecībā un dziļūdens naftas atradņu attīstībā. Kā ātrgaitas vilciena korpusa materiāls, PBO šķiedras ne tikai samazina ķermeņa svaru, bet arī palielina tā izturību. Izmantojot PBO šķiedru ķīmisko izturību, var izgatavot dažādus korozijizturīgus aizsargapģērbus. Kosmosa izpētē, lai samazinātu ierobežoto slodzi, PBO šķiedras ir piemērotas kosmosā izmantojamu stiprinājumu un siksnu izgatavošanai. Kosmiskās telpas vides temperatūras diapazonā no -10 grādiem līdz 460 grādiem to var izmantot arī kā materiālu karstumizturīgiem detektēšanas baloniem. Sporta sacensību burāšanas jomā buras galvenokārt tiek izgatavotas no loksnēm līdzīgām plānām plāksnēm, kas izgatavotas no augstas stiprības un augsta moduļa šķiedrām. Lai līdz minimumam samazinātu buru deformāciju, pakļaujot vējam, sacīkšu buru ražošanai ir jāmeklē augstākā moduļa PBO šķiedras. Ņemot vērā PBO šķiedru lieliskās mehāniskās īpašības, tie ir arī labākie materiāli golfa nūju, tenisa rakešu, slēpju nūju, slēpju dēļu, vējdēļu, loka šaušanas loka stīgu un velosipēdu sacīkšu riteņu ražošanai. PBO šķiedru galveno tehnoloģiju pētniecība un izstrāde un industrializācija var ļaut Ķīnai atbrīvoties no ārvalstu tehnoloģiju ilgtermiņa kontroles un monopola un uzsākt neatkarīgas inovācijas, spilgtas perspektīvas un plašu vietējās un liela mēroga attīstības ceļu. no PBO šķiedrām. Tas veicinās augstas veiktspējas PBO materiālu attīstību un ilgtspējīgu izmantošanu Ķīnas kosmosa, valsts aizsardzības, militārajā un civilajā rūpniecībā.
3. Šķiedras īpašības
Saskaņā ar Toyobo ziņojumiem, tā augstākās klases PBO šķiedras izstrādājuma stiprums ir 5,8 GPa (Vācijā tiek ziņots kā 5,2 GPa), ar moduli 180 GPa, kas ir augstākais starp esošajām ķīmiskajām šķiedrām; tas var izturēt temperatūru līdz 600 grādiem, un tam ir ierobežojošais skābekļa indekss 68, tas nedeg un nesaraujas liesmās, demonstrējot augstāku karstumizturību un liesmas slāpētāju nekā jebkura cita organiskā šķiedra. To galvenokārt izmanto karstumizturīgiem rūpnieciskiem tekstilizstrādājumiem un ar šķiedru pastiprinātiem materiāliem.
PBO salīdzinājums ar citām augstas veiktspējas šķiedrām: PBO šķiedras izturība, modulis, karstumizturība un liesmas slāpēšana, īpaši tās stiprība, ne tikai pārsniedz tērauda šķiedru, bet arī oglekļa šķiedru rādītājus. Turklāt PBO šķiedrai ir lieliska triecienizturība, nodilumizturība un izmēru stabilitāte, un tā ir viegla un mīksta, padarot to par ārkārtīgi ideālu tekstilizstrādājumu izejvielu.
PBO kā 21. gadsimta izcilas veiktspējas šķiedrai piemīt izcilas fizikālās, mehāniskās un ķīmiskās īpašības. Tā stiprība un modulis divreiz pārsniedz Kevlar šķiedru, kā arī meta-aramīda šķiedru karstumizturību un liesmas slāpētāju, ar vispārējām fizikālajām un ķīmiskajām īpašībām, kas pilnībā pārspēj Kevlar šķiedru, kas ir vadošās augstas veiktspējas jomā. šķiedras. Viens PBO kvēldiegs ar 1 milimetra diametru spēj pacelt 450 kilogramus smagu svaru, kas vairāk nekā desmit reizes pārsniedz tērauda stiepļu šķiedru izturību.
4.PBO šķiedru virsmas modifikācija.
Var uzlabot saskarnes bīdes izturību (IFSS) starp PBO šķiedrām un sveķu matricu, bet pārmērīgs savienojošā līdzekļa daudzums var izraisīt savienojošā aģenta biezu šķērssavienojumu slāni, kas savukārt samazina IFSS. Plazmas kodināšana uz šķiedras virsmas primāri ietekmē sakabes līdzekli, veidojot uzpotētu šķērssavienojumu slāni, kas nodrošina zināmu aizsardzību šķiedrām, līdz ar to PBO šķiedru σ samazināšanās nav būtiska. Analīze rāda, ka optimālie apstākļi savienojošā aģenta un plazmas modifikācijas kombinētajam procesam ir: A-187 savienojošā aģenta saturs pie 2%, argona zemas temperatūras plazmas apstrādes laiks 2 min, spiediens pie 50 Pa un jauda 30 W. No atlasītajiem sakabes aģentiem A-187 tips vislabāk uzlabo IFSS starp PBO šķiedrām un epoksīdsveķiem ar optimālo 2% saturu. (1) Ja A-187 saturs ir 2% un argona zemas temperatūras plazmas apstrādes apstākļi ir 2 min, 30 W un 50 Pa, modificēto PBO šķiedru IFSS var sasniegt līdz 10,44 MPa, kas ir 52% pieaugums, salīdzinot ar tikai A-187 savienojuma līdzekļa izmantošanu modificēšanai, un 78% pieaugums salīdzinājumā ar oriģinālo šķiedru IFSS. Arī PBO šķiedru mitrināmība ir ievērojami uzlabota. (2) PBO šķiedrām, kas modificētas ar argona zemas temperatūras plazmu kombinācijā ar saistvielu, IFSS samazināšanās laika gaitā nav nozīmīga; arī saskares leņķa pieaugums nav būtisks, uzrādot tendenci uz stabilitāti, un ir pat neliela lejupejoša tendence. PBO šķiedru noārdīšanās efekts, kas modificēts ar argona zemas temperatūras plazmu kombinācijā ar sakabes līdzekli, nav izteikts.
5.Sagatavošana
PBO tiek sintezēts ar 4,6-diaminoresorcinola dihidrohlorīda (pazīstams arī kā DAR·2HCl) šķīduma polikondensāciju ar tereftalskābi polifosforskābes (PPA) šķīdinātājā vai dehidratējot, izmantojot P2O5. PPA kalpo gan kā šķīdinātājs, gan kā polikondensācijas katalizators. Monomēra DAR·2HCl sintēzi veiksmīgi izstrādāja Dow Chemical Company ASV, sākot ar trihlorbenzolu kā izejvielu. Šī metode ļauj izvairīties no izomēru veidošanās sintēzes laikā, nodrošinot augstu ražu un spēlējot nozīmīgu lomu PBO rūpnieciskajā ražošanā. Polimēru piedeva tiek vērpta, izmantojot sauso-mitrā vērpšanas procesu, kam seko mazgāšana un žāvēšana. Izšķīdinot līdz šķidro kristālu īpašībām, šķidro kristālu vērpšanas izmantošana var veidot pagarinātu ķēdes struktūru, sākotnējai vērptai šķiedrai (AS šķiedras – standarta tips) stiprība ir lielāka par 3,53 N/tex un elastības modulis virs 10,84 N/ teks. Lai uzlabotu moduli, termisko apstrādi var veikt aptuveni 600 grādos, kā rezultātā tiek iegūta augsta moduļa šķiedra (HM šķiedra - augsta moduļa tips) ar moduli līdz 176,4 N/tex, vienlaikus saglabājot tādu pašu izturību.
6.Pieteikums
PBO šķiedrām ir raksturīga izcila karstumizturība, augsta izturība un augsts modulis, kas padara tās plaši izmantojamas.
(1) Kvēldiega pielietojums ietver stiegrojošus materiālus gumijas izstrādājumiem, piemēram, riepām, konveijera lentēm un šļūtenēm; armatūras materiāli dažādām plastmasām un betonam; ballistisko raķešu un kompozītmateriālu stiprināšanas komponenti; Spriegošanas elementi un aizsargmembrānas optisko šķiedru kabeļiem; pastiprinošās šķiedras elektriskajiem vadiem, austiņu vadiem un citiem elastīgiem vadiem; Augstas stiepes materiāli virvēm un trosēm; karstumizturīgi filtru materiāli augstas temperatūras filtrēšanai; aizsardzības līdzekļi raķetēm un lodēm, ložu necaurlaidīgas vestes, ložu necaurlaidīgas ķiveres un augstas veiktspējas lidojumu tērpi; sporta aprīkojums tenisam, ātrlaivām, sacīkšu jahtām; augstas kvalitātes skaļruņu diafragmas, jauni komunikācijas materiāli; kosmosa materiāli utt.
(2) Sasmalcinātu šķiedru un celulozes lietojumi ietver stiegrojuma šķiedras berzes materiāliem un blīvējuma blīvēm; uzlabojoši materiāli dažādiem sveķiem un plastmasām utt.
(3) dzijas izmantošana ietver ugunsdzēsības apģērbu; karstumizturīgs darba apģērbs izkausēta metāla apstrādei, piemēram, liešanas un metināšanas apģērbs; aizsargapģērbs griešanai, aizsargcimdi un drošības apavi; sacīkšu automašīnu braucēju uzvalki, žokeju tērpi; dažādi sporta apģērbi un aktīvā sporta ekipējums; Automašīnu pilotu tērpi; pretgriešanas iekārtas utt.
(4) Īso šķiedru lietojumi galvenokārt ietver karstumizturīgus bufera filca paliktņus alumīnija ekstrūzijas apstrādei; karstumizturīgi filtru materiāli augstas temperatūras filtrēšanai; termiskās aizsardzības jostas utt.