1. Lịch sử phát triển
PBO được phát minh bởi các nhà nghiên cứu phát triển khí động học của Không quân. Đầu tiên, Viện Nghiên cứu Đại học Stanford (SRI) của Hoa Kỳ sở hữu bằng sáng chế cơ bản về polybenzoazole. Sau đó, Công ty Hóa chất Dow của Hoa Kỳ được ủy quyền phát triển PBO trên cơ sở công nghiệp, đồng thời cải tiến phương pháp tổng hợp monome ban đầu. Quy trình mới hầu như không tạo ra sản phẩm phụ đồng phân, giúp cải thiện sản lượng monome tổng hợp và đặt nền tảng cho công nghiệp hóa. Năm 1990, Công ty Dệt may Toyo của Nhật Bản đã mua công nghệ bằng sáng chế PBO từ Công ty Hóa chất Dow của Hoa Kỳ. Năm 1991, sợi PBO được phát triển bởi Công ty Sợi Hóa học Do-i-Badish trên thiết bị của Công ty Dệt Toyo ở Nhật Bản, giúp tăng đáng kể độ bền và mô đun của sợi PBO, đạt gấp đôi so với sợi PPTA. Năm 1994, công ty kéo sợi Toyo của Nhật Bản' để có được giấy phép của công ty sợi hóa học Xu tồi' s dây chuyền sản xuất kéo sợi, và đến mùa xuân năm 1995 bắt đầu đưa vào cơ giới hóa một phần sản xuất, năm 1998 công suất sản xuất đạt 200 tấn / năm, tên sản phẩm là Zylon. Theo kế hoạch phát triển của Toyo Tex' cho Zylon, công suất sản xuất sẽ đạt 380 tấn / năm vào năm 2000, 500 tấn / năm vào năm 2003 và 1.000 tấn / năm vào năm 2008. Toyo Tex vẫn là công ty duy nhất trên thế giới có thể sản xuất thương mại sợi PBO.
2. Triển vọng phát triển của sợi PBO
Trong những năm gần đây, vật liệu gia cố sợi composite hiệu suất cao được sử dụng rộng rãi trong các tòa nhà cao tầng, Cầu lớn, kỹ thuật viễn dương và các lĩnh vực xây dựng khác ở Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản và các nước và khu vực phát triển khác. Vải sợi tẩm nhựa epoxy được dán trên bề mặt bê tông, có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực và chống động đất của kết cấu ban đầu. Ngoài ra, trong lĩnh vực xây dựng cầu, cáp thép không thể sử dụng cho các Cầu dài do trọng lượng bản thân của nó, và cáp có trọng lượng nhẹ và độ bền cao là lựa chọn tốt nhất. So với cáp có độ bền cao và độ ổn định kích thước tốt thì cáp làm bằng sợi PBO là lựa chọn tốt nhất.
Sợi PBO đang dần thay thế vật liệu amiăng truyền thống trong lĩnh vực vật liệu chịu nhiệt, và nó cũng đang khám phá việc sử dụng sợi PBO trong lĩnh vực ứng dụng dưới 350 ℃ để thay thế cho sợi chống cháy như polyamide thơm. Khi áp dụng trên 350 ℃, sợi vô cơ như sợi thép không gỉ hoặc sợi gốm có thể được thay thế. Chất xơ vô cơ cứng và sản phẩm dễ bị sẹo, ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Tuy nhiên, chất xơ PBO hoàn toàn có thể khắc phục được tình trạng thiếu chất xơ vô cơ. Trước đây, khả năng chịu nhiệt của sợi hữu cơ là không đủ (hầu hết là dưới 400 ℃), điều này đã hạn chế việc ứng dụng và phát triển của sợi hữu cơ. Tuy nhiên, nhiệt độ phân hủy của sợi PBO đạt 650 ℃, cao nhất trong số các loại sợi hữu cơ. Do đó, hoàn toàn có thể thay thế sợi PB0 bằng sợi PB0 cho ứng dụng của sợi hữu cơ trên 350 ℃, và việc ứng dụng sợi PB0 làm vật liệu chịu nhiệt có thể được mở rộng và phát triển.
Các nghiên cứu nước ngoài cho thấy sợi PBO có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác như vật liệu cách điện, thăm dò vệ tinh, vật liệu nhẹ, công nghiệp ô tô và phát triển mỏ dầu biển sâu. Sợi PBO làm thân tàu cao tốc không chỉ có thể giảm trọng lượng của thùng xe, mà còn tăng sức bền của thùng xe. Tất cả các loại quần áo bảo hộ chống ăn mòn đều có thể được chế tạo bằng cách sử dụng sợi PBO để chống lại sự ăn mòn của hóa chất. Để giảm bớt gánh nặng hạn chế trong không gian, sợi PBO thích hợp để làm nút và thắt lưng sử dụng trong không gian. Nó cũng có thể được sử dụng làm vật liệu khinh khí cầu chịu nhiệt trong môi trường không gian từ -10 ° C đến nhiệt độ bề mặt 460 ° C. Về khía cạnh chèo thuyền thi đấu thể thao, nó chủ yếu được làm bằng vật liệu tấm làm bằng cao sức mạnh và sợi mô đun cao. Để làm cho bạt có độ biến dạng nhỏ nhất khi bị gió thổi, cần tìm sợi PBO có môđun cao nhất để làm buồm chèo. Do tính chất cơ học tuyệt vời của nó, sợi PBO cũng là vật liệu tốt nhất để làm gậy đánh gôn, vợt tennis, cọc trượt tuyết, ván trượt, ván lướt sóng, dây cung bắn cung và xe đua xe đạp.
Việc nghiên cứu phát triển và công nghiệp hóa các công nghệ chủ chốt của sợi PBO sẽ giúp sợi PBO của Trung Quốc&# 39 thoát khỏi tình thế tiến thoái lưỡng nan khi phải chịu sự độc quyền và kiểm soát của các công nghệ nước ngoài trong một thời gian dài và bắt tay vào con đường về sự đổi mới độc lập, triển vọng tươi sáng và ứng dụng rộng rãi của nội địa hóa sợi PBO và phát triển quy mô lớn. Nó rất hữu ích cho việc phát triển, ứng dụng và phát triển bền vững vật liệu PBO hiệu suất cao ở' hàng không vũ trụ, quốc phòng và công nghiệp dân dụng của Trung Quốc.
3, hiệu suất sợi
Theo Toyo Tex, độ bền của sợi PBO cao cấp của nó là 5,8GPa (báo cáo của Đức là 5,2GPa) và mô đun là 180GPa, cao nhất trong số các loại sợi hóa học hiện có. Nhiệt độ chịu nhiệt lên đến 600 ℃, giới hạn chỉ số oxy 68, trong ngọn lửa không cháy, không co lại, khả năng chịu nhiệt và chống cháy cao hơn bất kỳ loại sợi hữu cơ nào khác. Chủ yếu được sử dụng trong hàng dệt công nghiệp chịu nhiệt và vật liệu gia cố bằng sợi.
So sánh hiệu suất giữa PBO và các sợi hiệu suất cao khác:
Có thể thấy, độ bền, mô đun, khả năng chịu nhiệt và chống cháy của sợi PBO, đặc biệt là độ bền của sợi PBO không chỉ vượt xa sợi thép mà còn vượt xa sợi carbon. Ngoài ra, sợi PBO có khả năng chống va đập, chống ma sát và ổn định kích thước tuyệt vời, nhẹ và mềm nên trở thành vật liệu dệt lý tưởng.
Là một loại sợi siêu hiệu suất trong thế kỷ 21, PBO có các đặc tính vật lý, cơ học và các đặc tính hóa học tuyệt vời. Độ bền và mô đun của nó gấp đôi so với sợi KEVLAR (Kevlar), đồng thời nó cũng có các đặc tính về khả năng chịu nhiệt và chống cháy của sợi aramid liên chiều, đồng thời các tính chất vật lý và hóa học của nó hoàn toàn tốt hơn so với KEVLAR, loại sợi dẫn đầu vị trí trong lĩnh vực sợi hiệu suất cao cho đến nay. Một sợi PBO có đường kính 1mm có thể nâng tới 450kg và bền hơn sợi thép 10 lần.
4. Sửa đổi bề mặt của sợi PBO
TIFSS giữa sợi PBO và ma trận nhựa được tăng lên, nhưng quá nhiều chất kết nối sẽ dẫn đến lớp liên kết chéo quá dày của chất kết nối, thay vào đó sẽ làm giảm TIFSS. Tuy nhiên, hiệu ứng ăn mòn plasma trên bề mặt của sợi trước hết được áp dụng cho chất kết nối, điều này làm cho chất kết nối tạo thành một lớp liên kết chéo được ghép. Lớp tác nhân ghép nối này có thể bảo vệ sợi ở một mức độ nào đó, do đó σ của sợi PBO không giảm nhiều.
Theo phân tích, điều kiện công nghệ của quá trình kết hợp tác nhân ghép nối và biến tính plasma như sau: hàm lượng chất kết nối A-187 là 2%, thời gian xử lý của plasma argon nhiệt độ thấp là 2 phút, áp suất là 5opA , công suất là 30W. Trong số các chất kết nối được lựa chọn, A-187 có hiệu quả tốt nhất trong việc cải thiện IFSS giữa sự phát triển sợi PBO và nhựa epoxy, và hàm lượng tối ưu của chất kết nối là 2%.
(1) Khi hàm lượng A-187 là 2% và điều kiện xử lý plasma ở nhiệt độ thấp là 2 phút, 30W và 50Pa, ΓIFSS của sợi PBO biến tính cao bằng Lo. 44MPa, cao hơn 52% so với PAIFSS được sửa đổi chỉ với A-187 và cao hơn 78% so với PAIFSS ban đầu với A-187. Khả năng thấm ướt của sợi PBO cũng được cải thiện đáng kể.
(2) Sự giảm ΓIFSS của sợi PBO được biến đổi bởi tác nhân kết hợp plasma argon là không rõ ràng theo thời gian. Sự gia tăng của góc tiếp xúc là không rõ ràng và sự thay đổi của nó có xu hướng ổn định, với xu hướng giảm nhẹ. Hiệu ứng suy giảm của sợi PBO được biến tính bằng tác nhân nối plasma nhiệt độ thấp argon là không rõ ràng.
5, chuẩn bị
PBO được điều chế bằng cách ngưng tụ dung dịch 4, 6-diaminophenol hydrochloride (diaminophenol hydrochloride) và axit terephthalic với axit polyphosphoric (PPA) làm dung môi, và cũng có thể được ngưng tụ bằng cách khử nước của P2O5. PPA vừa là dung môi vừa là chất xúc tác trùng ngưng.
Quá trình tổng hợp monomer diamino-resorcinol được phát triển thành công bởi Công ty Dow Chemical ở Hoa Kỳ với trichlorobenzene là nguyên liệu ban đầu để tổng hợp. Bằng cách này, đồng phân sẽ không được tạo ra trong quá trình tổng hợp, và sản lượng rất cao, đóng vai trò rất lớn trong sản xuất công nghiệp PBO.
Dung dịch kéo sợi polyme được kéo thành sợi, rửa sạch và làm khô bằng phương pháp kéo sợi khô-ướt. Dung dịch kéo sợi là tinh thể lỏng và cấu trúc chuỗi kéo dài có thể được hình thành khi sử dụng phương pháp kéo sợi tinh thể lỏng. Kéo sợi ban đầu (AS filament - loại tiêu chuẩn) có độ bền 3,53N / Tex và mô-đun đàn hồi 10,84N / Tex. Để cải thiện mô-đun, xử lý nhiệt có thể được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 600 ℃ để thu được dây có môđun cao (HM - loại môđun cao) với môđun 176,4N / Tex và độ bền không đổi.
6, ứng dụng
Đặc điểm chính của sợi PBO là chịu nhiệt tốt, độ bền và mô đun cao nên được sử dụng rộng rãi.
(1) ứng dụng của dây tóc, có thể được sử dụng cho lốp xe, băng cao su (dây đai vận chuyển), ống cao su và các sản phẩm cao su khác của vật liệu gia cố; Tất cả các loại vật liệu gia cố bằng nhựa và bê tông; Tên lửa đạn đạo và các thành phần gia cố bằng vật liệu composite; Bộ phận chịu kéo của cáp quang và màng bảo vệ của cáp quang; Tăng cường sợi quang cho các loại dây mềm khác nhau như dây nóng điện và cáp tai nghe; Vật liệu có độ bền cao như dây thừng và dây cáp; Vật liệu lọc chịu nhiệt để lọc ở nhiệt độ cao; Thiết bị chống tên lửa và đạn, áo chống đạn, mũ chống đạn và quần áo dẫn đường hiệu năng cao; Dụng cụ thể thao như quần vợt, thuyền cao tốc và thuyền đua; Tấm rung loa tiên tiến, vật liệu truyền thông mới; Vật liệu hàng không vũ trụ, v.v.
(2) ứng dụng của sợi và bột giấy cắt nhỏ, có thể được sử dụng cho vật liệu ma sát và làm kín sợi gia cường miếng đệm; Gia cố các loại nhựa và chất dẻo khác nhau, v.v.
(3) ứng dụng của sợi, có thể được sử dụng cho quần áo chống cháy; Yếm lò, yếm hàn và các loại yếm chịu nhiệt khác được sử dụng trong quá trình gia công các địa điểm kim loại nóng chảy; Quần áo bảo hộ, găng tay bảo hộ và giày bảo hộ chống cắt; Bộ quần áo đua, bộ quần áo cưỡi ngựa; Các loại quần áo thể thao và dụng cụ thể thao năng động; Carrace Pilot Suit; Thiết bị chống cắt, v.v.
(4) ứng dụng của sợi ngắn, chủ yếu được sử dụng để chế biến đùn nhôm tấm đệm chịu nhiệt; Vật liệu lọc chịu nhiệt để lọc ở nhiệt độ cao; Đai bảo vệ nhiệt, v.v.
nguồn: Shen Dun Sha Xian
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4MTY5NzMxMw==& mid = 2649436326& idx = 3& sn = 51c2495ca966be6a911db6f3edeb2153& chksm = 878e9fe8b0f916feaa49bf589b790d7563dcb53f6c9441e2bec0c8daa215113fc391834188bc& mpshare = 1& cảnh = 1& srcid = 0617ncecNy7HTJXOxnslqDfW& sharer_sharetime = 1623915726672& sharer_shareid = ff5f2139d31a4580928c819c5eb948df& exportkey = AWGBw6I2MALXoOK5g4I4FSI % 3D& pass_ticket = pWHQcOxNUVRqpPP % 2BHILkKfVZpve1kJr9O7Wvqi2kgPvehIORUzXUKbfnxAGgSJ2U& wx_header = 0 # rd