第28卷第5期 合成纤维工业 Vol 28 No 5 CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTR PBO纤维的性能及应用 刘丹丹周雪松赵耀明胡健王宜宁平 (华南理工大学,广东广州510640) 摘要:介绍了聚对苯撑苯并双嗯唑(PBO)纤维的结构特点、性能及应用。PBO纤维分子沿轴向高度取 向其强度和初始模量高,具有耐热阻燃耐冲击耐弯曲疲劳和耐化学稳定性等优良性能。PBO纤维在耐 热材料、增强材料、防弹抗冲击材料以及航空领域与军事领域广泛应用。 关键词:聚对苯撑苯并双嗯唑纤维结构性能复合材料耐热性增强材料 中图分类号:TQ342.73文献识别码:A文章编号:100-0041(2005)05-0043-04 聚对苯撑苯并双嗯唑(PBO)是20世纪70年小微纤和分子链。微纤的尺寸为0.5~5μm18。 代美国空军研究所与美国斯坦福大学的研究人员微纤之间则由较弱的分子间力,如范德华力结合 开发的一种高性能的芳杂环聚合物。其后由美国在一起构成纤维因此PBO纤维比较容易出现微 DOW化学公司通过液晶纺丝将其制备成纤维,为纤化 当今世界高性能纤维之冠,正被广泛应用于国防 航空航天、星球探测等重要领域2 2PBO纤维的性能特点 2.1耐热及阻燃性能 1PBO纤维的结构特点 PBO纤维没有熔点,即使在高温下也不熔 PBO纤维是由二氨基间苯二酚盐酸盐与对融,是迄今为止耐热性最高的有机纤维这主要是 苯二甲酸以多磷酸为溶剂进行溶液缩聚制得光学因为其芳香主链、刚性分子链节和高度有序排列 各向异性的液晶溶液,经干喷湿纺法制成标准型而使热分解温度很高,加上PBO纤维主链上杂环 (AS)纤维,进一步在600℃以上高温热处理,便的存在,而使其分解温度高达650℃,可在300℃ 得到高模(HM)型纤维,其中多磷酸既是溶剂,也下长期使用。 是缩聚催化剂3 PBO纤维的极限氧指数(LOl)为68,在有机 PBO属于溶致型液晶高分子,采用液晶纺丝纤维中仅次于聚四氟乙烯纤维(LO为95)。对 法制备的纤维由于分子沿轴向高度取向,强度和于PBO织物的耐燃性,如果按照JS垂直法进行 初始模量均比一般的干喷湿法纺丝高2~4倍。评价,接触火焰时不收缩,移去火焰后基本上无 PBO纤维是由苯环和芳杂环组成的刚棒状高分残焰,碳化长度小于5m,特别是在750℃燃烧 子分子链在液晶纺丝过程中形成高度取向的二时,产生很少的一氧化碳氰化氢等有毒气体 维有序结构‘°。对PBO分子链构象的分子轨2.2力学性能 道理论计算结果表明PBO分子链中苯环和苯并2.2.1拉伸性能与压缩性能 双嘌唑环完全共平面,并且分子中形成高度的共 PBO分子中有很强的共价键作用力,但由于 轭结构故其分子键能高,分子稳定性好。由于其分子间力较弱纤维在变形过程中,分子链容易 特有的空间位阻效应和共轭效应,PBO纤维分子互滑移,初始时分子链滑移发生在无序区,随着应 链间可以形成非常紧密的堆积 力的增大会传递到整个纤维中。因此,PBO纤维 PBO纤维最显著的特征是大分子链、晶体和的损伤机理主要是分子间的次价作用力的断裂, 微纤/原纤均沿纤维轴向呈现几乎完全取向的排纤维多为撕裂,而不是沿着纤维轴向上的键的断 列,形成高度取向的有序结构。微纤由几条分子裂造成的0,所以PBO纤维的拉伸强度高而抗 链通过分子间力结合在一起构成的。PBO纤 收稿日期:200420;修改稿收到日期:200507-10 维直径一般为10~15μm,是由众多微纤结构组 作者简介:刘丹丹(1979—),女,湖北人,博士。主要从事 成。通常微纤的次级结构又含有3个层次:微纤 高性能纤维的研究 C1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAlrightsreservedhttp://www.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 卷 第 期 合 成 纤 维 工 业 印 年 月 刊 《刃 纤维 的性能及应 用 刘丹丹 周雪松 赵耀明 胡 健 华南理工大学 , 广东 广州 王 宜 宁 平 仅讲 摘 要 介绍了聚对苯撑苯并双嗯 哇 纤维的结构特点 、 性能及 应用 。 纤维 分子沿轴 向高度取 向 其强度和初始模量高 , 具有耐热 、阻燃 、 耐 冲击 、 耐弯曲疲劳和 耐化学 稳定性等优 良性能 。 纤维在耐 热材料 、 增强 材料 、 防弹抗 冲击材料 以及航空领域与军事领域广泛应用 。 关键词 聚对苯撑苯并双德哇纤维 结构 性能 复合材料 耐热性 增强材料 中图分类号 文献识别码 文章编号 》 一 仪“ 一 。 聚对苯撑苯并双嗯哇 是 世纪 年 代美 国空军研究所与美国斯坦福大学的研究人员 开发 的一种高性能的芳杂环聚合物 。 其后 由美国 化学公 司通过液晶纺丝将其制备成纤维 , 为 当今世界高性能纤维之冠 , 正被广泛应用 于 国防 、 航空航天 、 星球探测等重要领域〔’ , , 〕。 小微纤 和分子链 。 微纤 的尺寸为 一 林 。 微纤之间则由较 弱 的分子 间力 , 如范德华力结合 在一起构成纤维 , 因此 纤维 比较容易出现微 纤化 。 纤维的结构特点 纤维是 由二 氨基 间苯二 酚 盐 酸 盐 与对 苯二 甲酸 以多磷酸 为溶剂进行溶液缩 聚制得光学 各 向异性 的液晶溶 液 , 经 干 喷湿纺法制成标准型 纤维 , 进一 步 在 ℃ 以 上 高温 热处 理 , 便 得到高模 型纤维 , 其 中多磷酸 既是溶剂 , 也 是缩聚催化剂川 。 属于溶致 型 液 晶高分子 , 采用液 晶纺丝 法制备的纤维 由于分子 沿轴 向高度取 向 , 强度和 初始模量均 比一 般 的 干 喷湿法 纺 丝 高 一 倍 。 纤维是 由苯 环 和芳 杂环组 成 的 刚 棒 状 高分 子 , 分子链在液 晶纺丝 过程 中形成高度取 向的二 维有序结构沁 〕。 对 分子链构 象 的分子 轨 道理论计算结果 表 明 分子链 中苯环 和 苯并 双嗯哇环完 全共平 面 , 并且 分子 中形成高度 的共 扼结构 , 故其分子键能高 , 分子稳定性好 。 由于其 特有的空间位阻效应 和共扼 效应 , 纤 维分子 链 间可 以形成非 常紧密 的堆积 。 纤维最显 著的特征是 大分子链 、 晶体和 微纤 原纤均 沿纤维轴 向呈 现 几乎完全取 向的排 列 , 形成高度取 向的有序结构 。 微纤 由几条分子 链通过 分子 间 力 结合在 一 起 构成 的七’〕。 纤 维直径一般为 一 巧 卜 , 是 由众多微纤 结构组 成 。 通常微纤 的次级结构又含有 个层次 微纤 、 纤维的性能特点 耐热及 阻燃性能 纤 维 没 有 熔 点 , 即使在 高温 下 也 不 熔 融 , 是迄今为止耐热性最高的有机纤维 , 这 主要是 因为其芳香 主链 、 刚性 分子链 节 和高度有序排列 而使热分解温度很高 , 加 上 纤维 主链 上 杂环 的存在 , 而使其分解 温度 高达 ℃ , 可在 ℃ 下长期使用 。 纤维 的极 限氧指数 为 , 在有机 纤维 中仅次于 聚 四 氟乙烯纤 维 口 为 。 对 于 织物 的耐燃性 , 如果按照 垂直法进行 评价 , 接触火焰 时不 收缩 , 移去 火焰后基 本上无 残焰 , 碳 化 长度小 于 , 特别是 在 ℃燃 烧 时 , 产生很少 的一氧化碳 、 氰化氢等有毒气体 〔 〕。 力学性能 拉伸性 能与压 缩性 能 分子 中有很强 的共价键作用 力 , 但 由于 分子 间力较弱 , 纤维在变形过程 中 , 分子链容易相 互滑移 , 初始时分子链滑移发生在无序区 , 随着应 力的增大会传递 到整 个纤维 中 。 因此 , 纤维 的损伤机理主要 是 分子 间 的次价作用 力的断裂 , 纤维多为撕裂 , 而不是沿着纤维轴向上 的键 的断 裂造成 的〔’“ 〕, 所 以 纤 维 的拉伸强度 高而抗 收稿 日期 抖 一 一 修改稿收到 日期 一 一 。 作者简介 刘丹丹 一 , 女 , 湖北 人 , 博士 。 主要从事 高性能纤维的研究
合成纤维⊥业 2005年第28卷 压性能差PBO纤维的拉伸强度为5.8GPa,拉40%,模量的75%在高达500℃和600℃仍能保 伸模量最高可达280-380GPa,抗压强度仅为持40%和17%的室温强度PBO在180℃饱和 0.2-0.4GPa,研究表明造成这种现象的原因热蒸汽中处理50h后强度保持率为40%-50% 是PBO的微纤结构在压应力的作用下,产生纠结处于对位芳纶和共聚芳纶之间PBO在300℃热 带使纤维变弯曲 气中无张力处理30min,收缩率只有0.1%,比 2.2.2耐冲击性能 共聚对位芳纶和对位芳纶在同样条件下的热收缩 PBO纤维在受冲击时纤维可原纤化而吸收率(分别为0.7%和0.45%)低许多 大量的冲击能,是十分优异的耐冲击材料 2.2.6抗压强度 PBO纤维复合材料的最大冲击载荷和能量吸收 PBO纤维的抗压强度只有0.2-0.4GPa,相 均高于芳纶和碳纤维,在相同的条件下,PBO纤比较其拉伸强度相差甚远已有人在增强PBO 维复合材料的最大冲击载荷可达到3.5kN,能量纤维抗压性能这一领域展开研究:如采用交联 吸收为20J;而T300碳纤维复合材料的最大冲法、涂层法”以及引入取代基都是有效的 击载荷为1kN能量吸收约5J高模芳纶复合材提高抗压性能的方法 料的最大冲击载荷约为1.3kN,能量吸收略大于2.3化学稳定性 碳纤维。因此PBO纤维无论在结构复合材料还 PBO纤维具有优异的耐化学介质性,在儿乎 是在防弹复合材料上都具有广阔的应用前景 所有的有机溶剂及碱中都是稳定的"但能溶 2.3尺寸稳定性 PBO纤维在50%断裂载荷下100h的塑性形酸此外,PBO对次氯酸也有很好的稳定性,芳 变不超过0.03%。PBO纤维在50%的断裂载荷纶在漂白剂中数10h内就完全分解,而PBO在 下的抗蠕变值是同样条件下的对位芳纶的2倍300h后仍保持90%以上的强度.因此洗涤时 在一定载荷下,一定时间后纤维会发生断裂使 即使采用漂白剂也不会损伤PBO的特性 用外推法,得到在60%断裂应力水平下其断裂时 间为1.7×10h.PBO纤维在吸脱湿时尺寸变化2.4吸湿性 和特性变化小 PBO纤维的吸湿率比芳纶小.PBO-4的吸 2.2.4耐磨和耐弯曲疲劳性能 湿率为2.0%,PBO-HM的吸湿率为0.6%,而对 PBO比对位芳纶的耐磨性优良对于线密位和间位芳纶的吸湿率都为4.5%13 度均为167de的PBO-AS, PBO-HM,对位芳纶2.5光电性能 和高模对位芳纶在135℃弯曲2000次之后的强 日前只有少数研究者对PBO纤维光电性能 度保持率都约为35%,而在0.8N/dtex初始张进行了研究,Km2提出用常规的掺杂方法米提 力下却有很大的差别,其中PBO纤维远远高于芳高PBQ这一类聚合物的电导率不太理想 纶,PBO-AS和 PBO-HM在此条件下,磨断循环周 Jenekhe j Wang合作用Kr离子种植的方法提高 期为500次和3900次,而对位芳纶和高模对位此类高分子电导率,得到了令人满意的结果吴 芳纶分别为1000次和200次 平平等人也用N‘种植的方法对PBO进行表 在超过300℃高温下,更能体现PBO纤维的面处理,并利用电子顺磁共振和拉曼光谱的手段 耐磨性。若在PBO纤维和对位芳纶制成的织物深入解释此类高分子顺磁特性及离子种植与常规 t将温度为30℃的钥匙片在一定荷重(500g掺杂提高电导性的机理区别提出了苯并哗类聚 cm3)下呈圆周状移动接触摩擦200min后(速度合物¨受限”的”孤子反孤子”的模型,用它来解 50m/min),结果PBO纤维织物颜色略变深,而重释离子掺杂不能有效提高此类聚合物电导率的的 量不减少,并保持挺括和柔软性,而对位芳纶织因Ssn等人对苯并噫唑的光学理化性能进行 物、由于热和摩擦的作用,中央有大洞出现 」深人的研究苯并嚎唑基团通过降低非放射泙 2.2.5热力学性能 火速率常数,增强发射量子场,户牛共轭体系的浆 PBO-AS和 PBO-HM纤维在300℃空气中处光现象,具有显著的发色团效应苯并嗯唑有很 理100h之后的强度保持率分别为48%和42 强的发散荧光的能力,并且表现出与其各自的激 PBO-HM纤维在400℃还能保持在室温时强度的光光谱呈镜像对称的发射光谱图 01994-2010chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouselrightsreservedhttp://nnw.cnkz.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 合 成 纤 维 年第 卷 压性能差 。 纤 维 的拉伸 强 度 为 , 拉 伸模量最高可达 一 “ , 抗压强度仅为 一 毛’“ 飞 , 研究表明造成这种现 象的原 因 是 的微纤结构在压应力 的作用下 , 产生纠结 带使纤维变弯曲 ” 〕。 耐 冲击性 能 纤维 在受 冲击时纤 维 可 原 纤 化 而 吸 收 大量 的 冲击 能 , 是 十 分 优 异 的 耐 冲击 材 料 ” 纤维复合材 料 的最 大 冲击载荷 和 能 量吸 收 均高于芳纶 和碳 纤 维 , 在相 同 的条件 下 , 纤 维复合材料的最大冲击载荷可达 到 , 能量 吸收 为 而 碳纤 维 复合材料 的最 大 冲 击载荷为 , 能量吸收约 , 高模芳纶复合材 料的最大 冲击载荷约为 , 能量 吸收略大 于 碳纤维 。 因此 纤 维无 论在结 构 复合材料 还 是在防弹复合材料上都具有广阔的应用前景 ” 尺 寸稳 定性 纤维在 断裂载荷下 的塑性形 变不超过 。 纤 维 在 的断裂载 荷 下的抗蠕变值是 同样 条件下 的对位 芳纶 的 倍 在一 定载荷下 , 一 定时 间后纤 维 会发生 断裂 使 用外推法 , 得到在 断裂 应 力水平 下 其断裂 时 间为 , 纤维在吸脱湿时尺寸 变化 和特性 变化小比 一 耐磨和 耐 弯曲疲 劳性 能 比对 位芳纶 的耐 磨性 优 良 对 于线 密 度均为 的 一 , 一 , 对位芳纶 和 高模 对位芳纶 在 ℃弯曲 次之 后 的强 度保持率都约为 , 而在 初 始张 力下却有很大的差别 , 其中 纤维远 远 高于芳 纶 , 一 和 一 在此 条件下 , 磨断循环周 期 为 次和 次 , 而对位芳纶 和高模对位 芳纶分别为 次和 次 ”‘ 在超过 ℃高温下 , 更 能体现 纤 维 的 耐磨性 若在 纤 维 和 对位芳纶 制成 的织 物 上 , 将温度为 ℃的钥匙 片在一 定荷 重 郭 下呈 圆周状移动 , 接触摩擦 而 后 速度 “ “ , 结果 纤维织物颜色略变深 , 而重 量不 减少 , 并 保持挺 括 和柔 软性 , 而对 位 芳纶 织 物 , 由于热和摩擦的作用 , 中央有大洞 出现 ” 」 热 力 学性 能 · , ’ 一 和 一 纤 维 在 ℃ 空 气 中处 理 之后的强度保持率分别为 和 一 纤维在 ℃还 能保持在室 温 时强 度 的 喂 , 模量 的 在高达 ℃和 ℃仍能保 持 和 的室 温 强 度 在 ℃ 饱 和 热蒸汽 中处理 后强 度保持率为 一 铸 处于对位芳纶 和共 聚芳纶之 间 在 ℃热 空气中无 张力处理 , 收缩 率只有 , 比 共聚对位芳纶和对 位芳纶在同样条件下 的热收缩 率 分别为 和 低 许多 抗压 强 度 纤维 的抗压强度 只有 一 , 相 比较其拉 伸强 度 相 差 甚 远 已 有 人 在增 强 纤维抗 压 性 能这 一 领域展 开研 究 如 采用 交联 法 ’“ 、 涂层法 ’ 以 及 引人 取代基 ’ 」都 是有效 的 提高抗压性 能的方法 化学稳定性 纤维具有优异 的耐 化 学 介质性 , 在儿 乎 所有的有机 溶 剂及 碱 中都是稳 定 的 ’, 但 能溶 解于 的浓 硫 酸 、 甲基磺酸 、 氯磺 酸 、 多聚 磷 酸 此外 , 对 次 氯酸 也 有 很 好 的稳 定性 , 芳 纶在漂 白剂 中数 内就 完 全 分解 , 而 在 后仍保持 以 上 的强度 ’ , 因此 洗 涤 时 即使采用漂 白剂也不会损伤 的特性 ” 吸湿性 纤 维 的吸 湿 率 比芳纶 小 , 八 的吸 湿率为 , 一 的吸 湿率 为 铸 , 而 对 位和间位芳纶 的吸湿率都为 ” ’ 。 光 电性能 口前 只有 少 数研 究 者 对 纤 维 光电性 能 进行 研究 , , , ’ 提 出用 常规 的掺 杂 方法 来提 高 这 一 类 聚 合 物 的 电 导 率 小 太 理 想 与 合作用 一 离子种植的 方法提 高 此 类高分子 电导率 , 得 到 了令 人满意的结 果 吴 平平 等 人也 用 ‘ 种 植 的方 法 对 进 行表 面处理 , 并利用 电子顺 磁共振 和拉 曼 光 普的 手段 深人解释此类高分子顺磁特性 及离 子种植 与常规 掺杂提高电导性 的机理 区 别 , 提 出 ’苯并哗 类聚 合物 “ 受限 ” 的 “ 孤 子 一 反 孤 子 ” 的模 型 , 少月它 来解 释离子掺杂不能有效提高此类 聚合物电 浮率的原 因 , 等 人对 苯 并呼 哩 的 光学 理 化性 能进 行 深人 的研究 苯并啥哗基 团通过降低非 放射湮 灭速率常数 , 增强发射量 一 子场 , 产牛共扼体系的荧 光现象 , 具有 显著的发色团效 应 苯并嗯 哗 有很 强的发散荧光 的能 力 , 并且 表现 出 与其各 自的激 光光谱 呈镜像对称的发射光谱图形
刘丹丹等.PBO纤维的性能及应用 2,6耐光性及染色性 3.4防护服以及体育用品 BO纤维耐日晒性能较差,暴露在紫外线中 PBO纤维可用作防切伤的保护服、安全手套 的时间越长,强度下降越多。特别是经过40h的和安全鞋赛车服骑手服各种运动服和活动性 日晒实验,芳纶的拉伸断裂强度值还可以稳定在运动装备、飞行员服防割破装备7以及其它体 原值的80%左右,而PBO纤维的拉伸断裂强度值育用品(如羽毛球、网球拍、高尔夫棒及钓鱼杆, 仅为原来的37%。 山地自行车、赛车制动器、滑雪板、托柄、盔、降落 BO纤维分子非常刚直且密实性高,染料难伞、船帆、运动鞋、跑鞋、钉鞋、溜冰鞋骑士服装 以向纤维内部扩散所以染色性能差,一般只可用运动服等)。已有体育用品公司开发出全PBO纤 颜料印花着色”。 维增强复合材料的运动自行车轮辐和网球拍。另 外,在赛艇建造方面也已有应用 3PBO纤维在复合材料中的应用 3.5防弹抗冲击材料 3.1耐热垫材及高温滤材 在纤维增强塑料领域,由于要求高弯曲刚性, 利用PBO纤维的耐热的特点,可用于制造温其补强材料一般以碳纤维为主流,但碳纤维增强 度超过350℃以上的耐热垫材,如用于制作铝合塑料存在的一个问题是耐冲击性低,PBO纤维 金和玻璃加工时的耐高温的垫材,铝合金为轻金的耐冲击强度远远高于由碳纤维以及其它纤维增 属,在高温挤出成型时容易损伤,出料后冷却过程强的复合材料能吸收大量的冲击能,利用其优异 要使用柔软的垫材,一边在垫材上移动,一边逐步的抗冲击性能,应用于防弹材料,使装甲轻型化, 从500℃冷却到室温 也可用于导弹和子弹的防护装备如警用的防弹 用PBO纤维制造的高温过滤袋和过滤毡高衣、防弹头盔,防弹背心 温下长期使用仍可保持高强度高耐磨性,因此在 36在航空宇宙方面及军事领域的应用 金属冶炼、水泥和石灰、石膏生产、炼焦发电和化 PBO纤维在航天领域可用于火箭发动机隔 工等行业除尘器中使用,更有利于改善劳动环境,热、绝缘、燃料油箱、太空中架线行星探索气球等 回收资源 方面。美国预定在2006年把行星探测遥控装置 3.2消防服 送上金星,使用PBO气球(内装遥控装置)进行探 测。金星地表面温度为460℃,金星上空的硫酸 PBO纤维阻燃性好,在火焰中不燃烧不收 云中的温度为-10℃,在这样的温度下,作为能用 缩、非常柔软可用于高性能的消防服和炉前工作 的耐热性气球薄膜材料只有PBO。 服、焊接工作服等处理熔融金属现场用的耐热工 PBO纤维还可用于弹道导弹战术导弹和航 作服以及军服 空航天领域使用的复合材料增强材料。主要用于 3.3增强材料及高性能帆布 军用飞机、宇宙飞船及导弹等的结构材料。在火 利用PBO纤维高模量的特性,可用于光导纤星轨道探测器的空气袋应用方面特别是对减少 维的增强,可减小光缆直径使之易于安装,并减发射经费起着重要的作用。此外PBO纤维已广 少通讯中的噪音。在橡胺增强领域,PBO纤维泛用于各种武器装备,对促进武器装备的轻量化 可代替钢丝作为轮胎的增强材料使轮胎轻量化,小型化和高性能化起着至关重要的作用 有助于节能?。PBO纤维也可在密封垫片、轮 胎胶带(运输带)、胶管等橡胶制品、各种树脂、4结语 塑料、混凝土抗震水泥构件和高性能同步传动带 PBO纤维的优异特性吸引了材料学界的高 中作为增强纤维。PBO纤维也可做电热线、耳度重视其在先进纤维增强树脂基高性能复合材 机线等各种软线的增强纤维以及弹道导弹和复合料中的应用成为该领域的研究热点,但在应用的 材料的增强组分 过程中主要遇到两个问题:一是PBO纤维与树脂 利用PBO纤维的高强及高模量特性,可用于基体间界面结合较差,故对其进行适当的表面处 绳索和缆绳等高拉力材料、光纤电缆承载构件、纤理,以改善其与树脂基体的界面粘结性能成为目 维光缆的受拉件、光缆的保护膜件材料、桥梁缆前亟需解决的问题;二是纤维的抗压强度差,研究 绳、航海运动帆船的主缆以及赛船用帆布 表面PBO纤维的微纤结构在压力作用下发生纠 01994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseallrightsreservedhttp://ww.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 期 刘丹丹等 纤维的性能及应用 耐光性及染色性 纤维耐 日晒性 能较差 , 暴露在 紫外线 中 的时间越长 , 强度下 降越 多 。 特别是经过 的 日晒实验 , 芳纶 的拉伸断裂 强度值还 可 以稳定在 原 值的 左右 , 而 纤维 的拉伸断裂强度值 仅为原来的 改 。 纤维分子 非常刚直且 密实性 高 , 染料难 以 向纤维 内部扩散 , 所 以染色性能差 , 一般只可用 颜料印花着色二’〕。 纤维在 复合材料 中的应 用 耐热垫材及高温滤材 利用 纤维的耐热的特点 , 可 用 于制造温 度超过 ℃ 以 上 的耐 热垫 材 , 如用 于制 作铝 合 金 和玻璃加工时 的耐高温 的垫材 , 铝合金 为轻金 属 , 在高温挤出成型时容易损伤 , 出料后冷却过程 要使用 柔软的垫材 , 一边在垫材上移动 , 一边逐 步 从 ℃冷却到室温 〔” 」 。 用 纤维制造 的高温过 滤袋和过 滤毡 , 高 温下 长期使用仍可 保持高强度高耐磨性 , 因此 在 金属 冶炼 、 水泥 和 石 灰 、 石 膏生 产 、 炼焦 发 电和 化 工等行业除尘器 中使用 , 更有利于改善劳动环境 , 回收资源 ” 。 消 防服 纤维 阻 燃性 好 , 在 火焰 中不 燃 烧 不 收 缩 、 非常柔 软可用 于高性 能 的消防服 和炉前工 作 服 、 焊接工作服等处理熔 融 金 属 现场用 的耐热工 作服 以及军 服 ’ 」。 增强材料及高性能帆布 利用 纤维高模量 的特性 , 可 用于光 导纤 维 的增强 , 可减小 光缆直径 , 使之 易 于安装 , 并 减 少通 讯中的噪音 〔 , 几 。 在橡胶增强 领域 , 纤维 可代替钢丝作为轮胎 的增强材料 , 使轮胎轻量化 , 有助 于 节 能 ’ 。 纤 维 也 可 在 密 封 垫 片 、 轮 胎 、 胶带 运 输带 、 胶 管等橡 胶制 品 、 各种树脂 、 塑料 、 混凝土抗震 水 泥 构件和高性 能 同步传动带 中作 为增强纤维 仁’ 。 纤维也可做 电热线 、 耳 机线等各种软线 的增强纤维 以及弹道导弹和复合 材料的增强组分 「’ 」。 利用 纤 维的高强 及 高模量 特性 , 可用 于 绳索和缆绳 等高拉力 材料 、 光纤 电缆承载构件 、 纤 维光 缆 的受拉 件 、 光 缆 的保护 膜 件材料 、 桥梁 缆 绳 、 航海运 动帆船的主缆以及赛船用 帆布 ’。〕 防护服 以及体育用 品 纤维可用 作防切 伤 的保护 服 、 安全 手套 和安全鞋 、 赛车服 、 骑手服 、 各种运 动服 和活动性 运动装备 、 飞行员服 、 防割破装备〔’ , ‘ 〕以及 其它体 育用 品 如 羽 毛球 、 网球 拍 、 高尔夫 棒及 钓 鱼 杆 , 山地 自行 车 、 赛车制动器 、 滑雪板 、 托柄 、 盔 、 降落 伞 、 船帆 、 运 动鞋 、 跑鞋 、 钉鞋 、 溜 冰鞋 、 骑 士 服装 、 运动服等 。 已有体育用 品公司开发 出全 纤 维增强复合材料 的运 动 自行车轮辐 和 网球拍 。 另 外 , 在赛艇建造方面也 已有应用 。 防弹抗冲击材料 在纤维增强塑料领域 , 由于要求高弯曲刚性 , 其补强材料一 般 以碳纤维 为主流 , 但碳纤 维增强 塑料存在的一 个问题是耐冲击性低 缸” , 纤 维 的耐 冲击强 度远远高于 由碳纤维 以及其它纤维增 强的复合材料 , 能吸收大量的冲击能 , 利用其优异 的抗 冲击性 能 , 应用 于防弹材料 , 使装 甲轻型化 , 也可用 于导 弹 和 子 弹 的 防护装备如警用 的防弹 衣 、 防弹头盔 、 防弹背心 〔’“ 。 在航空宇宙方面及军事领域的应用 纤维 在航 天 领 域 可 用 于 火 箭 发 动机 隔 热 、 绝缘 、 燃料油箱 、 太空 中架线 、 行星探索气球等 方 面 。 美国预定 在 年把行星探测 遥 控装置 送上金 星 , 使用 气球 内装遥控装置 进行探 测 。 金 星地 表 面温 度为 ℃ , 金 星 上 空 的硫 酸 云 中的温度为 一 ℃ , 在这样 的温度下 , 作为能用 的耐热性气球薄膜材料 只有 口 ’三。 纤维还可用 于 弹道 导 弹 、 战术导 弹和航 空航天领域使用 的复合材料增强材料 。 主要用于 军用 飞机 、 宇宙 飞船 及导 弹等 的结构材料 。 在火 星轨道探测器 的空气 袋应 用 方 面 , 特别是 对减少 发射经 费起 着 重要 的作用 。 此 外 纤 维 己广 泛用于各种武器装备 , 对促进武器装备的轻量化 、 小型化和高性能化起着至关重要 的作用 「’ 。 结语 纤维 的优 异 特性 吸 引 了材 料 学 界 的 高 度重视 , 其在先进 纤 维 增 强树脂基高性 能 复合材 料中的应用成为该领域 的研究热点 , 但在应用 的 过程 中主要遇到两个 问题 一 是 纤维与树脂 基体间界面结合较 差 , 故对其进行适 当的表面处 理 , 以改善其与树脂基 体的界 面粘结性 能成为 目 前函需解决的问题 二是纤维 的抗压强度差 , 研究 表面 纤 维 的微纤 结 构在压 力作用下发 生 纠
合成纤维工业 2005年第28卷 结,最后导致纤维微纤化。 力学性能及应用[J].产业用纺织品,2001,19(2):38~41 PBO纤维作为20世纪末才开始工业化的高12 MeGarry F., Malli J. Mechanical behaviour of rigid-rod poly- 性能纤维,以其卓越的力学性能和耐热性能将具 1991,32(10);1816~1820 有广阔的应用前景因而被称之为“21世纪的超13金宁人,黄银华,王学杰超级纤维PO的性能应用及研究进 级纤维”。目前,尽管由于其生产成本较高,PBO 展[J]浙江工业大学学报,2003,31(1):82-87,10 纤维主要应用于航天航空和军事上。但是,随着14汪多仁PBO纤维的制备与应用[J高科技纤维与应用 其合成、成纤工艺的改进以及工业化程度的提高, 成本将不断降低,并且随着对其研究的进一步深15罗益锋面向21世纪的超级纤维PBO打化工新型材料, 1996,(9):10~14,5 入,PBO纤维将具有更加广泛的应用前景。 16 So YH, Sen A, Kim P, et al. Molecular composite fibers from rig id rod polymers and thermoset resin matrixes[ J] Journal of Poly 参考文献 er Science, Part A: Polymer Chemistry, 1995, 33( 17) 1黄美荣,李新贵.高性能纤维评述[J纺织学报,1997,182893-289 17 Santhosh U, Newman K E, Lee C Y-C Compressive strength of 夏延致綦明正纪全等新一代高技术纤维一PBO纤维[J] coated rigid-rod polymer fibers[ J]. Joumal of Materials Science 青岛大学学报,2002,15(4):21-24 995,30(7):1894-901 3 Kitagawa T, Murase h, Yabuki K. Morphological study on poly-p18黄美荣李新贵王琳液晶芳香族聚苯唑纤维的性能[J].合 phenylenebenzobisoxazole( PBO)fiber[ J]. J Polym Sci: Part B 成纤维工业,1999,22(3):33-3719黄美荣,李新贵,朱立 998,36(1):39-48 华.高性能芳族聚苯唑的液晶纺丝与纤维结构[J].合成纤维 4 Tashiro K. Theoretical Young's Moduli of PBT and PBo[J]. Mac- 工业,2000,23(5):35-39 molecules,1991,24(12):3706-3709 20谢雄军.21世纪超级纤维一PBO[J].中国个体防护设备, 2002,(3) ties in high-modulus ABPBO fiber[. Polymer,l992,3(5):21王山峰吴平平韩哲文苯并唑类聚合物近期的研究概况 (下)[J].高分子通报,2001,(4):1-8 6 Takahashi Y. Neutron structure analysis and structure disorder of 22 Wang S F, Wu P P, Han Z W Electron paramagnetic resonance of PBO[J]. Macromolecues, 1999, 10(32): 4 010-4 014 李晔,汪晓峰,沃志坤.二十一世纪的超级纤维一PBO纤维 ( benzazole)s[J]. Polymer,2001,42(1):217-226 [刀].合成纤维,2002,31(1):18-22 23 So Y H, Zaleski J M, Murlick C, et al. Synthesis and photophysi g Charles Y. Lee C. The role of the fibrillar structures in the com- pressive behavior of rigid-rod polymeric fiber[ J]. Polymer Engin- J]. macromolecules,1996,29(8):2183-2795 rring and Science, 1993, 33(14): 907+912 24林兰天,周静. PBOAS纤维的力学性能探讨[].上海纺织科 9黄玉东PBO超级纤维研究进展及其表面处理[].高科技纤 技,2004,32(1):5 维与应用,2001,23(1):11~16 25姜永恺.新问世的高性能纤维 ZYLON [J].合成纤维工业 10任鹏刚,梁国正,杨洁颖等PBO纤维研究进展[J].材料导报 1999,22(1):5 2003,17(6):50-52 26袁江,王建营,胡文祥等.聚苯并嗯唑(PBO)的合成及其应用 11张华朋,张建春,王善元,超高性能PBO纤维 Zylon的结构 研究[].化学时刊,2003,17(8):4~8 Properties and application of PBo fiber Liu Dandan, Zhou Xuesong, Zhao Yaoming, Hu Jian, Wang Yi, nir South China University of Technology, Guangzhou 510640) Abstract: The structure characteristics, properties and application of poly( p-phenylene benzobisoxazole)(PBO)fiber were introduced. The molecular of PBO fiber was highly oriented axially. PBO fiber exhibited high strength and modulus and other lendid properties, such as heat resistance, flame retardance, impact resistance, resistance to flexural fatigue, chemical envi ronmental resistance. PBO fiber can be widely used as heat resistant materials, reinforcement materials, bulletproof and impact resisting materials in aeronautic and military field. Key words: poly( p-phenylene benzobisoxazole)fiber; structure; property; composite materials; heat resistance:reinforce- 01994-2010ChinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHousealrightsreservedhttp://ww.cnki.net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 合 成 纤 维 工 业 年第 卷 结 , 最后导致纤维微纤化 。 纤维作为 世纪末才开始工业化的高 性能纤维 , 以其卓越 的力学性 能和耐热性能将具 有广阔的应用前景 , 因而被称之为 “ 世纪 的超 级纤维 ” 。 目前 , 尽管 由于其生 产成本较高 , 纤维主要应用 于航天 航空 和 军事上 。 但是 , 随着 其合成 、成纤工艺的改进以及工业化程度的提高 , 成本将不断降低 , 并且 随着对其研究 的进一步深 人 , 纤维将具有更加广泛的应用前景 。 参 考 文 献 黄美荣 , 李新 贵 高性 能纤 维 评 述【 纺织 学报 , , 兀 一 夏延致 , 茶明正 , 纪全等 新一代高技术纤维一 纤维【 青岛大学学报 , , 一 , , 甲 一 尹 一 韶 仁 阮 , , 一 翻 ’ 朗 〕 二 。 , , 一 邵 一 』 〕 , , 如 , 记 〕 ‘ , , , 一 李哗 , 汪 晓峰 , 沃 志坤 二 十一 世纪 的 超级纤 维一 纤 维 〕合成纤维 , , 一 , 比 一 〕 】 币 , , 一 黄玉东 超级纤维研究进展及其表面处理【 〕高科技纤 维与应用 , , 一 任鹏刚 , 梁国正 , 杨洁颖等 纤维研究进展 材料导报 , , 一 张 华朋 , 张 建 春 , 王 善元 超高性 能 纤维 的 结 构 、 力学性能及应用 〔 〕产业用纺织品 , , 一 可 , 侧 一 耐 州 呷 【 , , 一 金宁人 , 黄银华 , 王学杰 , 超级纤维 的性能应用及研究进 展 〕浙江工业大学学报 , , 一 , 汪多仁 纤 维 的 制 备 与应 用【 高科技 纤 维 与 应 用 , , 一 巧 罗益锋 面 向 世 纪 的超级纤维 〔 化工 新 型 材 料 , , 一 , , , 儿 , 阳 卯 ‘ 二 , 而就叮 , , · , , 玩 一 的 忱 一 〕 ‘ , , 一 黄美荣 , 李新贵 , 王琳 液晶芳香族聚苯哩 纤维 的性能 〔 〕合 成纤维工业 , , 一 黄美荣 , 李新贵 , 朱立 华 高性能芳族聚苯哇的液晶纺丝与纤维结构 〔 〕合成纤 维 工业 , 】 , 一 谢雄军 世 纪 超 级 纤 维一 【 中 国个 体 防护 设 备 , , 一 ‘ 王 山峰 , 昊平平 , 韩哲 文 苯并哇 类 聚 合物 近 期 的研 究概 况 下 高分子通报 , , 一 , , 。 卯 幽 邓 一 呷 训 。 , , 一 , , , 押 哪 仁 〕 , , 一 林兰 天 , 周静 一 纤维 的力学性 能探讨【 上海纺织 科 技 , 《 , 一 姜永恺 新 问世 的高性 能纤 维 〔 〕合成纤 维工 业 , , 袁江 , 王建营 , 胡文祥等 聚苯并嗯 哇 的合成及 其应用 研究 化学时刊 , , 一 肠 , , , , , 乙 优 妙 叨 口 , ‘叨门乎人。“ 仅抖 , 伴 叩 州 尹 一 , , , , , , , , 心 尹 一