PBO纖維的性能及應(yīng)用

董曉寧,尉　霞,郭昌盛

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西西安 710048)

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PBO纖維的性能及應(yīng)用

董曉寧,尉霞,郭昌盛

(西安工程大學(xué)紡織與材料學(xué)院，陜西西安 710048)

摘要：闡述了PBO纖維的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用領(lǐng)域，為PBO纖維的研究提供理論依據(jù)，并對PBO纖維的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：PBO纖維結(jié)構(gòu)性能應(yīng)用

PBO纖維是聚對苯撐苯并雙噁唑纖維(Poly-p-phenylene benzobisoxazole)的英文名簡稱，是一種具有十分優(yōu)異的綜合性能的有機高性能纖維，具有超高模量、超高強度、超阻燃性和超高耐熱性的性能，曾被認(rèn)為是新一代高模量、高強度、耐高溫聚合物材料的先驅(qū)和代表[1-4]，廣泛用于各行各業(yè)，主要作為復(fù)合材料中增強纖維，被譽為“21世紀(jì)的超級纖維”和“纖維之王”[5]。本文分別對PBO纖維結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行闡述。

1PBO纖維的結(jié)構(gòu)

PBO纖維分子中含有苯環(huán)及芳香雜環(huán)，分子結(jié)構(gòu)呈鋼棒狀，分子單元鏈結(jié)構(gòu)如圖1。PBO纖維分子單元鏈接角為180°，是剛性棒狀高分子。PBO纖維分子鏈中的苯并雙惡唑和苯環(huán)是完全共平面的，PBO纖維分子鏈結(jié)構(gòu)間存在高程度的共軛和空間位阻效應(yīng)，致使其剛度非常大，同時由于PBO纖維分子是由苯環(huán)和芳香雜環(huán)組成，不但限制分子構(gòu)象自由度，還增加了分子主鏈上的共價鍵結(jié)合能，導(dǎo)致分子鏈間可以實現(xiàn)非常的緊密。同時由于PBO纖維分子屬于溶致性液晶高分子，需采用液晶紡絲法制備PBO纖維，而在液晶紡絲所制備的纖維強度和初始模量均比干噴濕法紡絲高2倍～4倍，進(jìn)一步提高了分子鏈間的緊密程度[6]。

圖1PBO纖維分子結(jié)構(gòu)式

針對PBO纖維的晶體研究認(rèn)為：在其超分子結(jié)構(gòu)中，兩個單斜晶系晶胞中有兩個分子鏈穿過，PBO纖維中都存在長周期和原纖之間的非晶區(qū)域，長周期約為23nm～28nm。PBO纖維中還存在皮芯結(jié)構(gòu)，皮層非常薄沒有任何微孔，而芯部存在因拉伸而產(chǎn)生沿纖維軸向細(xì)長條狀的微孔[7]。液晶紡絲所得到的PBO纖維最顯著的特征是大分子鏈、微晶和微纖/原纖均沿纖維軸向呈現(xiàn)幾乎完全取向排列。微纖是由幾條大分子鏈結(jié)合而成，其大小由5um的大微纖到0.5um微纖，到50nm的小微纖不等。微纖間由更微小的分子間力結(jié)合在一起構(gòu)成纖維，PBO纖維次級結(jié)構(gòu)又可分為：微纖、小微纖和分子鏈[8，9]。

2PBO纖維的性能

PBO纖維的拉伸強度、初始模量、極限氧指數(shù)和裂解溫度等主要性能指標(biāo)，目前均位居無機纖維和有機纖維之首，其中拉伸強度和初始模量是芳綸1414的2倍左右。PBO纖維分為標(biāo)準(zhǔn)型和高模型，經(jīng)干噴濕紡法制得的纖維稱為初生絲，也叫做標(biāo)準(zhǔn)型纖維即PBO-AS型，標(biāo)準(zhǔn)型纖維經(jīng)過600℃以上高溫處理后得到的纖維叫做高模型纖維即PBO-HM型，兩種類型的PBO纖維主要性能如表1[2,10]。

表1　PBO-AS和PBO-HM纖維主要性能的對比

2.1力學(xué)性能

PBO纖維的拉伸強度高、抗壓縮性差，其拉伸強度為5GPa,拉伸模量最高可達(dá)280GPa，分別為對位芳綸的2倍左右，而抗壓強度僅為0.2GPa～0.4GPa[11]?？赡芤驗镻BO纖維分子中有很強的共價鍵作用力，但分子間力較弱，纖維在變形過程中，分子鏈相互容易滑移，剛開始時分子鏈滑移發(fā)生在無序區(qū)，隨著應(yīng)力繼續(xù)增大，傳遞到整個纖維中。而微纖結(jié)構(gòu)在壓力作用下，產(chǎn)生糾結(jié)帶使纖維變彎曲。故纖維斷裂主要因為分子間次價作用力的斷裂，纖維多為撕裂，而不是沿著纖維軸向斷裂。

PBO纖維復(fù)合材料耐沖擊性好，其耐沖擊性和能量吸收量均優(yōu)于芳綸和碳纖維，是十分優(yōu)異的耐沖擊材料[9]。因此，PBO纖維在防彈衣復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)構(gòu)件領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。PBO纖維的耐磨性、耐剪性和疲勞性均優(yōu)于芳綸纖維，特別是在超過高溫300℃條件下更明顯[12，13]。

2.2熱穩(wěn)定性及阻燃性

PBO纖維沒有熔點，即使在高溫的條件下也不熔融，是迄今為止耐熱性最高的纖維，其熱分解溫度650℃，工作溫度高達(dá)300℃～500℃，比芳綸高100℃，高模的PBO纖維在400℃下仍能保持75%的模量。主要因其芳香主鏈、剛性分子鏈節(jié)和高度的有序排列，外加主鏈上的雜環(huán)存在，共同賦予其耐高溫穩(wěn)定性。PBO纖維的極限氧指數(shù)為68，僅次于聚四氟乙烯纖維為95，高于對位芳綸(LOL值29)2倍之多。而且在750℃燃燒時產(chǎn)生的CO、HCN等有毒性氣體很少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于芳族聚酰胺纖維[14,15]。

2.3尺寸穩(wěn)定性

PBO纖維的尺寸穩(wěn)定性優(yōu)異，在50%斷裂強度載荷下100h后的塑形變形不超過0.03%，是同樣載荷條件下芳綸1414的2倍。其熱尺寸穩(wěn)定性與其他具有伸展限定斂結(jié)構(gòu)的高性能纖維一樣，具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)，熱、濕對其尺寸的變化影響極小，而對位芳綸在熱、濕條件下其尺寸變化相對較大，穩(wěn)定性差[2,16]。

2.4化學(xué)穩(wěn)定性

PBO纖維耐化學(xué)穩(wěn)定性很好，在幾乎所有的有機溶劑及堿中都很穩(wěn)定，其強度幾乎沒有變化。但由于用酸作為紡絲溶劑，故其耐酸性不高，溶于100%的濃硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等強酸，且在室溫的條件下，隨著時間的延長纖維強度逐漸下降，但耐酸程度仍優(yōu)于芳綸。PBO纖維對次氯酸也有很好的穩(wěn)定性，因此洗滌時即使采用漂白劑也不會損傷PBO纖維特性[6,13]。

2.5其他性能

PBO纖維的耐光性較差，暴露在波長在紫外光到可見光光區(qū)間的光會引起強度的下降，外暴露時間越長，強度下降越多。40h日曬實驗后，芳綸纖維的拉伸強度下降20%，而PBO纖維斷裂強度下降63%[17]。由于分子鏈剛直且緊密型高，表面光滑，其極性基團少，故吸濕性差，染料難以向內(nèi)部擴展、染色性差，與樹脂基體的粘結(jié)性也較差。其吸濕率比芳綸纖維小，標(biāo)準(zhǔn)型PBO纖維吸濕率為2%，高模型PBO纖維吸濕率為0.6%，而芳綸纖維吸濕率為4.5%[18]。

3PBO纖維的應(yīng)用

PBO纖維綜合性能十分優(yōu)異，主要產(chǎn)品有長絲、短纖維、短切纖維和紗線。PBO纖維長絲作為補強增強材料用于塑料、彈道導(dǎo)彈、混泥土、橋梁斜拉繩索、航空器機身材料中；PBO纖維的短纖維和漿粕可以作為摩擦材料、密封墊、塑料、樹脂等的補強增強材料；PBO短纖維織品可制作耐熱緩沖墊、過濾袋、熱防護皮帶等；PBO纖維紗線可制作消防服、工作服、賽車服等各種防護服[19]。PBO纖維幾乎可以替代目前所有有機纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，并且還有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.1航空航天

在航空航天領(lǐng)域中，PBO纖維因其具有高比強度、高比模量優(yōu)點，是首選的纖維。用于火箭、宇宙飛船、衛(wèi)星等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，以及發(fā)動機的絕緣、隔熱、燃料油箱等絕緣材料和電器部件等；還可用于航天服、飛機座位層的阻燃層及宇宙空間往返的繩、帶材料、行星探索氣球、航天器艙體保護層。美國航天局采用PBO纖維用于金星探測氣球，金星地表溫度高達(dá)460℃，上空中的硫酸霧區(qū)又是-10℃，在這樣的條件下，能作為耐熱性氣球薄膜材料只有PBO纖維[14]。PBO纖維已用于高性能飛行器保護壁的設(shè)計，SRI國際組織與FAA簽訂合同，研究設(shè)計阻擋層來保護要求很高的飛行器組成部件，用以阻擋意外的渦輪引擎的碎片[12]。

3.2國防軍工

PBO纖維可用于艦艇、坦克、潛艇、裝甲等機身的結(jié)構(gòu)材料及彈道導(dǎo)彈、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等用于增強材料，減少機身的重量；其耐沖擊性好，又可以用做子彈的防護裝備、防彈背心、防彈頭盔，是高性能等級的防護材料，在達(dá)到同樣的防護水平時，比PTTA纖維制作的頭盔輕35%，薄35%，PBO纖維材料的防彈服厚3mm的就可以達(dá)到NIJ IIA標(biāo)準(zhǔn)。同時，PBO纖維及其復(fù)合材料還是良好的透波材料，PBO纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的透波率高達(dá)60%～80%[20]。

3.3消防防護

PBO纖維阻燃性好、極限氧指數(shù)高且柔軟非常好，常用于制作安全手套、高溫爐前防護服、消防服、安全靴、防割傷工作服、焊接工作服、可燃場所的工作服等特殊防護品。日本的小林防火服公司、倉本產(chǎn)業(yè)公司均生產(chǎn)適應(yīng)ISO規(guī)范的新一代PBO纖維防護服。另外，采用高性能纖維，如Kevlar、Twaron、高強度高密度聚乙烯、PBO纖維布種與剪切增稠液體混合，制成剪切增稠液體防刺布，防刺性能極高，且柔軟舒適、靈活性很好，非常薄，其技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。[21]

3.4體育建材

PBO纖維可以制作賽車服、飛行服、騎手服等其他活動性運動服，還可以制成體育用品如網(wǎng)球拍、高爾夫桿、賽車、魚竿、滑雪杖、溜冰鞋、托柄、山地自行車、競賽標(biāo)準(zhǔn)用帆布等體育器材。目前已經(jīng)有公司開發(fā)出PBO纖維為增強體的高爾夫球桿和山地自行車[22]。

3.5其他領(lǐng)域

PBO纖維高強高模，可應(yīng)用于繩索和纜繩等材料、光纖電纜承載構(gòu)件、光纜的保護膜材料、橋梁斜拉纜繩。利用其耐高溫阻燃及高強的力學(xué)的特性，制作耐熱墊材、高溫過濾網(wǎng)、過濾氈、管道等，用于金屬冶煉、水泥和石灰、石膏生產(chǎn)、煉焦發(fā)電和化工等行業(yè)除塵器、過濾使用。另外PBO纖維長絲還可用于輪胎、傳送帶、膠帶、膠管等橡膠制品及混泥土中作為補強材料，日本的山陽新干線隧道的鋼筋混凝土屢次發(fā)生崩塌，目前已開始由PBO纖維制的片材進(jìn)行加固補強[20]。PBO纖維還可替代聚丙烯腈纖維作為碳纖維母體，直接連續(xù)化生產(chǎn)碳纖維。利用其吸波、透波性能特點，美國戰(zhàn)斗機采用PBO纖維作為吸波隱形材料，還可制作高檔揚聲器的錐形結(jié)構(gòu)。

4結(jié)語

PBO纖維綜合性能優(yōu)異，應(yīng)用十分廣泛，涵蓋各個領(lǐng)域，但是PBO纖維性能也存在一定的缺陷，如纖維表面光滑且呈惰性，導(dǎo)致其復(fù)合材料粘結(jié)時困難。而PBO纖維的應(yīng)用又主要以復(fù)合材料中增強體。目前，對PBO纖維表面改性有許多方法，也取得一定的效果，但是纖維的優(yōu)良性能還未能充分利用[23]。隨著研究技術(shù)的深入，PBO纖維的生產(chǎn)技術(shù)會不斷成熟，纖維性能會越來越完美，應(yīng)用也越來越充分，將有更多的PBO纖維應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域。

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中圖分類號：TS102

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)02-0182-04

收稿日期：2016-02-15

第一作者：董曉寧(1991-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料與紡織品設(shè)計。