1.Attīstības vēsture
PBO izgudroja ASV gaisa spēku aerodinamikas attīstības pētnieki. Polibenzoksazola pamatpatents sākotnēji piederēja Stenfordas pētniecības institūtam (SRI) Stenfordas universitātē Amerikas Savienotajās Valstīs. Vēlāk Dow Chemical Company ieguva atļauju un rūpnieciski izstrādāja PBO, vienlaikus uzlabojot arī sākotnējo monomēra sintēzes metodi. Jaunais process gandrīz neradīja izomēru blakusproduktus, palielinot sintezētā monomēra iznākumu un liekot pamatu industrializācijai. 1990. gadā Japānas Toyobo Co., Ltd. iegādājās PBO patentu tehnoloģiju no Dow Chemical Company. 1991. gadā uzņēmums Dow-Badische Fibers Inc. izstrādāja PBO šķiedru uz Toyobo Co., Ltd. aprīkojuma, ievērojami palielinot PBO šķiedras izturību un moduli līdz divreiz lielākai nekā PPTA šķiedrai. 1994. gadā ar Dow-Badische Fibers Inc. atļauju Toyobo Co., Ltd. ieguldīja 3 miljardus Japānas jenu, lai izveidotu ražošanas līniju ar 400 tonnu PBO monomēru gada produkciju un 180 tonnām vērpšanas. 1995. gada pavasarī tas sāka daļēju mehanizēto ražošanu, un līdz 1998. gadam ražošanas jauda sasniedza 200 tonnas gadā ar tirdzniecības nosaukumu Zylon. Saskaņā ar Toyobo attīstības plānu Zylon ražošanas jaudai bija paredzēts sasniegt 380 tonnas gadā 2000. gadā, 500 tonnas gadā 2003. gadā un 1000 tonnas gadā 2008. gadā. Pašlaik Toyobo Co., Ltd. joprojām ir vienīgais uzņēmums pasaulē, kas spēj komerciāli ražot PBO šķiedru.
2. PBO šķiedras attīstības perspektīvas
Pēdējos gados attīstītās valstis un reģioni, piemēram, Eiropa, Amerika un Japāna, ir plaši izmantojušas augstas veiktspējas šķiedru pastiprinātus kompozītmateriālus augstceltņu, lielu tiltu un jūras inženierzinātņu būvniecības jomā. Impregnējot šķiedru audumu ar epoksīda sveķiem un pielīmējot tos pie betona virsmas, var būtiski 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 izturība un laba izmēru stabilitāte.
PBO šķiedras pakāpeniski aizstāj tradicionālos azbesta materiālus karstumizturīgo materiālu jomā, un pašlaik tiek pētīti pielietojumi zem 350 grādiem, lai aizstātu liesmu slāpējošās šķiedras, piemēram, aromātiskos poliamīdus. Virs 350 grādiem tie aizstāj neorganiskās šķiedras, piemēram, nerūsējošā tērauda vai keramikas šķiedras. Tā kā neorganiskās šķiedras ir cietākas un pakļautas skrāpējumiem, kas ietekmē to veiktspēju, PBO šķiedrām ir potenciāls novērst šos trūkumus. Iepriekš organisko šķiedru karstumizturība bija nepietiekama (galvenokārt zem 400 grādiem), kas ierobežoja to pielietojuma attīstību. Tomēr PBO šķiedrām ir 650 grādu sadalīšanās temperatūra, kas ir augstākā starp visām organiskajām šķiedrām. Tāpēc ir pilnībā iespējams aizstāt organiskās šķiedras ar PBO šķiedrām pielietojumos virs 350 grādiem, kur organiskās šķiedras iepriekš bija grūti izmantot, tādējādi paplašinot un attīstot PBO šķiedru karstumizturīgo materiālu pielietojumu.
Starptautiskie pētījumi liecina, ka PBO šķiedrām ir daudz pielietojumu citās jomās, piemēram, elektriskās izolācijas materiālos, satelītu atklāšanā, vieglos materiālos, automobiļu rūpniecībā un dziļūdens naftas atradņu izstrādē. Ātrgaitas vilcienu korpusos izmantotās PBO šķiedras ne tikai samazina transportlīdzekļa svaru, bet arī palielina tā izturību. Izmantojot PBO šķiedru ķīmisko izturību, var izgatavot dažādus korozijizturīgus aizsargapģērbus. Kosmosā, lai samazinātu ierobežoto slodzi, PBO šķiedras ir piemērotas kosmosā izmantojamu stiprinājumu un siksnu izgatavošanai. Kosmiskās temperatūras diapazonā no -10 grādiem līdz 460 grādiem tos var izmantot arī kā materiālus karstumizturīgiem detektēšanas baloniem. Sporta sacensību burāšanā buras galvenokārt tiek izgatavotas no augstas stiprības, augstas moduļa šķiedras plākšņveida plāniem materiāliem. Lai samazinātu deformāciju, buras pūšot vējam, konkurētspējīgu buru buru izgatavošanai 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, sērfa dēļu, loka šaušanas loka stīgu un sacīkšu velosipēdu ražošanai.
PBO šķiedru galveno tehnoloģiju pētniecība un izstrāde un industrializācija var ļaut Ķīnai atbrīvoties no ārvalstu tehnoloģiju ilgtermiņa kontroles un monopola, uzsākt neatkarīgu inovāciju ceļu, spilgtas perspektīvas un plašu iekšzemes un liela mēroga attīstības pielietojumu. 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 viņu augstākās klases PBO šķiedru izstrādājuma izturība ir 5,8 GPa (Vācijā tiek ziņots kā 5,2 GPa), modulis ir 180 GPa, kas ir augstākais starp esošajām ķīmiskajām šķiedrām; tas var izturēt temperatūru līdz 600 grādiem, ar ierobežojošo skābekļa indeksu 68, un tas nedeg un nesaraujas liesmās, uzrāda augstāku karstumizturību un liesmas slāpētāju nekā jebkura cita organiskā šķiedra. To galvenokārt izmanto karstumizturīgiem rūpnieciskiem tekstilizstrādājumiem un ar šķiedru pastiprinātiem materiāliem.
PBO veiktspējas salīdzinājums ar citām augstas veiktspējas šķiedrām:
Kā redzams tabulā, PBO šķiedrām ir izcila izturība, modulis, karstumizturība un liesmas slāpētājs. Jāatzīmē, ka PBO šķiedru izturība ne tikai pārsniedz tērauda šķiedru izturību, bet arī pārsniedz oglekļa šķiedru izturību. Turklāt PBO šķiedras izceļas ar triecienizturību, nodilumizturību un izmēru stabilitāti. Tie ir arī viegli un elastīgi, padarot tos par ideālu tekstilizstrādājumu izejvielu.
PBO kā 21. gadsimta izcilas veiktspējas šķiedrai piemīt izcilas fizikālās un mehāniskās īpašības, kā arī ķīmiskās īpašības. Tā izturība un modulis ir divreiz augstāks nekā Kevlar šķiedrām, un tai ir arī metaaramīda šķiedru termiskā pretestība un liesmas slāpētājs. Turklāt tā fizikālās un ķīmiskās īpašības pilnībā pārspēj Kevlar šķiedras, kas līdz šim ir bijušas augstas veiktspējas šķiedru jomā. Viens PBO kvēldiegs ar 1 milimetra diametru spēj pacelt 450 kilogramu smagumu, kas vairāk nekā desmit reizes pārsniedz tērauda šķiedru izturību.
4.PBO šķiedru virsmas modifikācija
Uzlabojas TIFSS (Interfacial Shear Strength) uzlabošanās starp PBO šķiedrām un sveķu matricu, bet sakabes aģentu pārpalikums var radīt biezāku savienojošās vielas šķērssaistošo slāni, kas savukārt samazina TIFSS. Plazmas kodināšanas efekts uz šķiedras virsmu galvenokārt iedarbojas uz savienojošo līdzekli, ļaujot veidot potētu šķērssavienojumu slāni. Šis savienotājvielas slānis nodrošina zināmu aizsardzību šķiedrām, tāpēc PBO šķiedru σ (stiprības) samazināšanās nav būtiska.
Var analizēt, ka optimālie nosacījumi kombinētajam modificēšanas procesam ar sakabes aģentiem un plazmu ir: A-187 saistvielas saturs pie 2%, argona zemas temperatūras plazmas apstrādes laiks 2 min, spiediens pie 50Pa , un jauda ir 30 W. No atlasītajiem savienojošajiem līdzekļiem A-187 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, modificētās PBO šķiedras ΓIFSS (starpfasādes bīdes izturība) var sasniegt pat 10,44. MPa. Tas ir par 52% vairāk, salīdzinot ar tikai A-187 savienojuma aģenta izmantošanu modificēšanai, un par 78% pieaugumu salīdzinājumā ar sākotnējās šķiedras ΓIFSS. Ir ievērojami uzlabota arī PBO šķiedru mitrināmība.
(2) PBO šķiedrām, kas modificētas ar argona zemas temperatūras plazmu kombinācijā ar saistvielu, ΓIFSS samazināšanās laika gaitā nav nozīmīga; arī saskares leņķa pieaugums nav būtisks, uzrādot tendenci uz stabilitāti ar nelielu lejupejošu tendenci. Tāpēc argona zemas temperatūras plazmas un savienojošās vielas modificēto PBO šķiedru degradācijas efekts nav izteikts.
5.Sagatavošana
PBO iegūst, polikondensējot 4,6-diaminoresorcinola hidrohlorīdu (DAR·HCl) ar tereftalskābi, kā šķīdinātāju izmantojot polifosforskābi (PPA). Alternatīvi, to var sintezēt, izmantojot P2O5 dehidratāciju polikondensācijai. PPA kalpo gan kā šķīdinātājs, gan kā polikondensācijas katalizators.
Monomēra diaminorezorcīna sintēzi veiksmīgi izstrādājusi American Dow Chemical Company, sākot ar trihlorbenzolu kā izejvielu. Šī metode ļauj izvairīties no izomēru veidošanās sintēzes procesā, nodrošinot augstu reģenerācijas ātrumu, kam ir nozīmīga loma PBO rūpnieciskajā ražošanā.
Polimēru piedeva tiek vērpta, izmantojot sausās-mitrās vērpšanas metodi, kam seko mazgāšana un žāvēšana. Kad vērpšanas šķīdums tiek izšķīdināts, veidojot šķidros kristālus, un tiek izmantota šķidro kristālu vērpšana, tas var veidot pagarinātu ķēdes struktūru. Sākotnējai vērptai šķiedrai (AS šķiedras standarta tips) jau ir izturība virs 3,53 N/tex un elastības modulis virs 10,84 N/tex. Lai palielinātu moduli, termisko apstrādi var veikt aptuveni 600 grādu temperatūrā, kā rezultātā tiek iegūta augsta moduļa šķiedra (HM šķiedras augsta moduļa tips) ar moduli, kas sasniedz 176,4 N/tex, vienlaikus saglabājot tādu pašu izturību.
6.Pieteikumi
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 uzlabošanas komponenti; Spriegošanas elementi un aizsargplēves optisko šķiedru kabeļiem; Armatūras šķiedras elektriskās apkures vadiem, austiņu kabeļiem 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 inventārs tenisam, ātrumlaivām, sacīkšu laivām utt.; augstas kvalitātes skaļruņu diafragmas, jauni saziņas materiāli; kosmosa materiāli utt.
(2) Sasmalcinātu šķiedru un celulozes lietojumi ietver stiegrojuma šķiedras berzes materiāliem un blīvējuma blīvēm; uzlabošanas materiāli dažādiem sveķiem un plastmasām utt.
(3) dzijas izmantošana ietver ugunsdzēsības apģērbu; karstumizturīgs darba apģērbs krāsns priekšpusē un metināšanas operācijām; aizsargapģērbs griešanai, aizsargcimdi un drošības apavi; sacīkšu automašīnu braucēju uzvalki, žokeja tērpi; dažādi sporta apģērbi un aktīvā sporta inventārs; Automašīnu pilotu tērpi; pretgriešanas iekārtas utt.
(4) Īso šķiedru lietojumi galvenokārt ir paredzēti karstumizturīgam bufera spilventiņam, ko izmanto alumīnija ekstrūzijas apstrādē; karstumizturīgi filtru materiāli augstas temperatūras filtrēšanai; termiskās aizsardzības jostas utt.