1. Историја развоја
ПБО су измислили истраживачи у развоју аеродинамике из ваздухопловних снага Сједињених Држава. Основни патент за полибензоксазол је првобитно био у власништву Стенфордског истраживачког института (СРИ) на Универзитету Станфорд у Сједињеним Државама. Касније је компанија Дов Цхемицал Цомпани добила ауторизацију и индустријски развила ПБО, а такође је побољшала оригиналну методу синтезе мономера. Нови процес није произвео скоро никакве изомерне нуспроизводе, повећавајући принос синтетизованог мономера и постављајући темеље за индустријализацију. 1990. године, Тоиобо Цо., Лтд. из Јапана је купио ПБО патентну технологију од компаније Дов Цхемицал Цомпани. Године 1991. Дов-Бадисцхе Фиберс Инц. је развила ПБО влакна на опреми Тоиобо Цо., Лтд., значајно повећавајући снагу и модул ПБО влакана на двоструко већу од ППТА влакана. Године 1994., уз дозволу Дов-Бадисцхе Фиберс Инц., Тоиобо Цо., Лтд. је уложио 3 милијарде јапанских јена у изградњу производне линије са годишњом производњом од 400 тона ПБО мономера и 180 тона предења. У пролеће 1995. започела је делимично механизована производња, а до 1998. године капацитет производње достигао је 200 тона годишње, под комерцијалним називом Зилон. Према Тоиобо-овом развојном плану за Зилон, очекивало се да ће производни капацитет достићи 380 тона годишње у 2000., 500 тона годишње у 2003. и 1000 тона годишње у 2008. Тренутно, Тоиобо Цо., Лтд. остаје једина компанија у свет способан за комерцијалну производњу ПБО влакана.
2. Перспективе развоја ПБО влакана
Последњих година, развијене земље и региони као што су Европа, Америка и Јапан су нашироко користили композитне материјале ојачане влакнима високих перформанси у областима изградње високих зграда, великих мостова и поморског инжењеринга. Импрегнацијом тканине од влакана епоксидном смолом и лепљењем на бетонску површину, носивост и отпорност на земљотрес оригиналне конструкције могу се значајно побољшати. Штавише, у мостоградњи, челичне сајле се не могу користити за дуже мостове због сопствене тежине. Уместо тога, преферирају се лакши и јачи каблови. Каблови направљени од ПБО влакана, који имају високу чврстоћу, добру димензиону стабилност, најбољи су избор.
ПБО влакна постепено замењују традиционалне азбестне материјале у области материјала отпорних на топлоту и тренутно истражују примене испод 350 степени за замену влакана отпорних на пламен као што су ароматични полиамиди. Изнад 350 степени, они замењују неорганска влакна попут нерђајућег челика или керамичких влакана. Пошто су неорганска влакна тврђа и склона огреботинама које утичу на њихов учинак, ПБО влакна имају потенцијал да превазиђу ове недостатке. Раније је топлотна отпорност органских влакана била недовољна (углавном испод 400 степени), што је ограничавало развој њихове примене. Међутим, ПБО влакна имају температуру распадања од 650 степени, највишу међу свим органским влакнима. Стога је у потпуности могуће заменити органска влакна ПБО влакнима у апликацијама изнад 350 степени где су органска влакна раније била тешка за употребу, чиме се проширује и развија примена материјала отпорних на топлоту од ПБО влакана.
Међународна истраживања показују да ПБО влакна имају многе примене у другим областима као што су материјали за електричну изолацију, детекција сателита, лаки материјали, аутомобилска индустрија и развој нафтних поља дубоког мора. ПБО влакна која се користе у каросерији брзих возова не само да смањују тежину возила већ и повећавају његову снагу. Користећи хемијску отпорност ПБО влакана, може се направити различита заштитна одећа отпорна на корозију. У ваздухопловству, да би се смањило ограничено оптерећење, ПБО влакна су погодна за израду причвршћивача и трака који се користе у свемиру. У опсегу космичких температура од -10 степени до 460 степени, могу се користити и као материјали за балоне за детекцију отпорне на топлоту. У спортском такмичарском једрењу, једра се углавном израђују од танких плочастих материјала високе чврстоће и влакана високог модула. Да би се минимизирала деформација када је једра дува ветар, ПБО влакна највишег модула морају се тражити за прављење конкурентских једрилица. С обзиром на одличне механичке особине ПБО влакана, они су такође најбољи материјали за израду палица за голф, тениских рекета, ски штапова, ски дасака, дасака за сурфовање, тетиве за стреличарство и тркачких бицикала.
Кључна технолошка истраживања и развој и индустријализација ПБО влакана могу омогућити Кини да се ослободи дугорочне контроле и монопола стране технологије, да крене путем независних иновација, светлих перспектива и широке примене домаћег и великог развоја. од ПБО влакана. Ово ће допринети развоју и одрживој употреби ПБО материјала високих перформанси у кинеској ваздухопловној, националној одбрамбеној, војној и цивилној индустрији.
3. Својства влакана
Према извештајима компаније Тоиобо, њихов врхунски производ од ПБО влакана има снагу од 5,8 ГПа (пријављено као 5,2 ГПа у Немачкој), модул од 180 ГПа, што је највише међу постојећим хемијским влакнима; може да издржи температуре до 600 степени, са граничним индексом кисеоника од 68, и не гори и не скупља се у пламену, показујући већу отпорност на топлоту и отпорност на пламен од било којег другог органског влакна. Углавном се користи за индустријски текстил отпоран на топлоту и материјале ојачане влакнима.
Поређење перформанси ПБО са другим влакнима високих перформанси:
Као што се може видети из табеле, ПБО влакна показују супериорну чврстоћу, модул, отпорност на топлоту и отпорност на пламен. Значајно је да снага ПБО влакана не само да надмашује ону челичних влакана, већ и ону од угљеничних влакана. Поред тога, ПБО влакна се одликују отпорношћу на ударце, отпорношћу на абразију и стабилности димензија. Такође су лагани и флексибилни, што их чини идеалном текстилном сировином.
ПБО, као влакно суперперформансе 21. века, поседује изузетно одличне физичке и механичке карактеристике као и хемијска својства. Његова снага и модул су двоструко већи од кевларских влакана, а такође дели топлотну отпорност и отпорност на пламен мета-арамидних влакана. Штавише, његова физичка и хемијска својства у потпуности надмашују кевларска влакна, која су до сада била водећа на пољу влакана високих перформанси. Један ПБО филамент пречника 1 милиметар може подићи тежину од 450 килограма, што је више од десет пута јачине челичних влакана.
4. Модификација површине ПБО влакана
Побољшање ТИФСС-а (интерфациал Схеар Стренгтх) између ПБО влакана и матрице смоле се побољшава, али вишак средстава за спајање може довести до дебљег умреженог слоја средства за спајање, што заузврат смањује ТИФСС. Ефекат нагризања плазме на површини влакна првенствено делује на средство за спајање, омогућавајући формирање калемљеног умреженог слоја. Овај слој средства за спајање пружа одређену заштиту влакнима, тако да пад σ (чврстоће) ПБО влакана није значајан.
Може се анализирати да су оптимални услови за комбиновани процес модификације са агенсима за купловање и плазмом: садржај А-187 агенса за купловање 2%, време третмана аргоном нискотемпературном плазмом 2 мин, притисак на 50Па и снаге 30В. Међу одабраним агенсима за спајање, А-187 има најбољи ефекат на побољшање ИФСС између ПБО влакана и епоксидне смоле, са оптималним садржајем од 2%.
(1) Када је садржај А-187 2%, а услови третмана аргоном нискотемпературном плазмом су 2мин, 30В и 50Па, ΓИФСС (Интерфациал Схеар Стренгтх) модификованог ПБО влакна може достићи чак 10,44 МПа. Ово представља повећање од 52% у поређењу са коришћењем само средства за спајање А-187 за модификацију и повећање од 78% у поређењу са ΓИФСС оригиналног влакна. Влажење ПБО влакана је такође значајно побољшано.
(2) За ПБО влакна модификована аргоном нискотемпературном плазмом у комбинацији са средством за спајање, пад ΓИФСС током времена није значајан; повећање контактног угла такође није значајно, показујући тенденцију ка стабилности са благим опадајућим трендом. Због тога, ефекат деградације ПБО влакана модификованих аргоном нискотемпературном плазмом у комбинацији са средством за спајање није изражен.
5.Припрема
ПБО се добија поликондензацијом раствора 4,6-диаминоресорцинол хидрохлорида (ДАР·ХЦл) са терефталном киселином користећи полифосфорну киселину (ППА) као растварач. Алтернативно, може се синтетизовати коришћењем дехидратације П2О5 за поликондензацију. ППА служи и као растварач и као катализатор за поликондензацију.
Синтезу мономера диамино ресорцинола успешно је развила америчка компанија Дов Цхемицал Цомпани, почевши од трихлоробензена као сировине. Овај метод избегава стварање изомера током процеса синтезе, што даје високу стопу опоравка, што игра значајну улогу у индустријској производњи ПБО.
Полимерна дрога се центрифугира методом суво-мокро предење, након чега следи прање и сушење. Када се раствор за предење раствори да би се формирали течни кристали и када се користи предење са течним кристалима, може формирати структуру проширеног ланца. Иницијално спиновано влакно (стандардни тип АС влакана) већ поседује снагу од преко 3,53Н/текс и модул еластичности од преко 10,84Н/текс. Да би се повећао модул, топлотна обрада се може извршити на око 600 степени, што резултира влакном високог модула (тип ХМ влакана високог модула) са модулом који достиже 176,4Н/текс уз задржавање исте чврстоће.
6.Апплицатионс
ПБО влакна се одликују одличном отпорношћу на топлоту, високом чврстоћом и високим модулом, што их чини широко применљивим.
(1) Примена филамента укључује ојачавајуће материјале за гумене производе као што су гуме, транспортне траке и црева; арматурни материјали за разне пластике и бетон; компоненте за побољшање балистичких пројектила и композитних материјала; затезни елементи и заштитне фолије за оптичке каблове; ојачавајућа влакна за електричне грејне жице, каблове за слушалице и друге флексибилне жице; високоотпорни материјали за ужад и каблове; филтер материјали отпорни на топлоту за високотемпературну филтрацију; заштитну опрему за пројектиле и метке, панцире, шлемове отпорне на метке и летачка одела високих перформанси; спортска опрема за тенис, глисере, тркачке чамце и др.; висококвалитетне дијафрагме звучника, нови комуникациони материјали; ваздухопловних материјала итд.
(2) Примене сецканих влакана и пулпе укључују ојачавајућа влакна за материјале за трење и заптивке; материјали за побољшање разних смола и пластике итд.
(3) Примена предива укључује одећу за гашење пожара; радна одећа отпорна на топлоту за операције фронта пећи и заваривања; заштитна одећа за отпорност на резове, заштитне рукавице и заштитне ципеле; одела за возаче тркачких аутомобила, одела за џокеје; разна спортска одећа и активна спортска опрема; Царраце пилотска одела; опрема против резања итд.
(4) Примене кратких влакана су углавном за филц отпоран на топлоту који се користи у преради екструзије алуминијума; филтер материјали отпорни на топлоту за високотемпературну филтрацију; термички заштитни појасеви и др.