第3期 纤维复合材料 2003年9月 FIBER COMPOSITES PBO纤维及其复合材料性能研究 贾丽霞赵洪斌吴宏博 (哈尔滨玻璃钢研究院,150036 摘要本文对具有21世纪超级纤维之称的BBO纤维的性能与其它高性能纤维进行了对比,实验数据表明BO 纤维在高性能纤维中强度最高。但HBO纤维复合材料层间剪切强度低于芳纶纤维复合材料,这是由于BBO纤维未 经表面处理,纤维表面的活性低而且光滑所致 关键词HBO纤维,PBO纤维复合材料,性能 Study on Performance of PBo Fiber and Its Composites Jia lixia Zhao hongbin Wu hongbo Harbin FRP Institute, 150036) ABSTRACT This paper compares the performance of pBO fiber with other high perfomance fibers. The test indicates that BO fiber has the highest strength, but its composites shear strength is lower than Aramid fibers due to the smoth surface and poor activation of untreated fibers KEYWORDS FBO fiber, HBO fiber composites performance 1前言 现了商业生产。这两种PO纤维的商品名为ZY LON RHM、 ZYON DAS HO(聚对苯撑苯并双唑)纤维是20世纪70年 ZYON OHM模量高于 ZYON DAS,吸湿性低 代美国空军研究人员开发的一种吲哚系聚合物,其强于ZMON&AS 度和模量是芳纶纤维的2倍。由于它的高强度2.3mO纤维与其它纤维性能的比较 (58a)和高模量(270(a)以及低密度(1.56g/cm3) 在表1和图2、图3的高性能纤维中,BO纤维 和耐高温(6500性能被称为2世纪超级纤维,有实强度最高。 验数据表明:RO纤维复合材料压力容器性能系数 表1HBO纤维与其它纤维性能的比较 比最高性能的石墨纤维复合材料压力容器高30% 2PO纤维的性能 纤维名称强度模量(%)(gcm)℃(% Zylon OAS5.81803.51.546502.0 2.1BO纤维的化学结构 2onHM5.82702.51.566500.6 PO纤维由聚对苯撑苯并双唑[By-(P 对位-芳纶2.81092.41455504.5 Phenylene-26- benzobisoxaole)刚性分子链组成, 间位·芳纶0.651722 1.38400 其化学结构如下 E·聚乙烯纤维3.51103.50.971500 聚酯纤维1.115 1.382600.4 碳纤维(1700)5.12292.21.806770.05 碳纤维(HM)3.3 玻璃纤维2.2683 图1BO纤维的化学结构 22PO纤维的种类 24BO纤维的特点 目前,有两种类型的PBO纤维由日本东洋纺实 综上所述,BO纤维具有的高强度(5.8Ga)和 o1994-2010chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://nw.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net PBO 纤维及其复合材料性能研究 贾丽霞 赵洪斌 吴宏博 (哈尔滨玻璃钢研究院 ,150036) 摘 要 本文对具有 21 世纪超级纤维之称的 PBO 纤维的性能与其它高性能纤维进行了对比 ,实验数据表明 PBO 纤维在高性能纤维中强度最高。但 PBO 纤维复合材料层间剪切强度低于芳纶纤维复合材料 ,这是由于 PBO 纤维未 经表面处理 ,纤维表面的活性低而且光滑所致。 关键词 PBO 纤维 ,PBO 纤维复合材料 ,性能 Study on Performance of PBO Fiber and Its Composites Jia Lixia Zhao Hongbin Wu Hongbo (Harbin FRP Institute ,150036) ABSTRACT This paper compares the performance of PBO fiber with other high performance fibers. The test indicates that PBO fiber has the highest strength ,but its composites’shear strength is lower than Aramid fiber’s due to the smooth surface and poor activation of untreated fibers. KEYWORDS PBO fiber ,PBO fiber composites ,performance 1 前 言 PBO(聚对苯撑苯并双 唑)纤维是 20 世纪 70 年 代美国空军研究人员开发的一种吲哚系聚合物 ,其强 度和模量是芳纶纤维的 2 倍。由于它的高强度 (5. 8GPa)和高模量(270GPa) 以及低密度 (1. 56g/ cm 3 ) 和耐高温(650 ℃)性能被称为 21 世纪超级纤维 ,有实 验数据表明 :PBO 纤维复合材料压力容器性能系数 比最高性能的石墨纤维复合材料压力容器高 30 %。 2 PBO 纤维的性能 2. 1 PBO 纤维的化学结构 PBO 纤维由聚对苯撑苯并双 唑[ Poly - (P - Phenylene - 2 ,6 - benzobisoxazole) ]刚性分子链组成 , 其化学结构如下 : 图 1 PBO 纤维的化学结构 2. 2 PBO 纤维的种类 目前 ,有两种类型的 PBO 纤维由日本东洋纺实 现了商业生产。这两种 PBO 纤维的商品名为 ZY2 LON ○R HM、ZYLON ○R AS。 ZYLON ○R HM 模量高于 ZYLON ○R AS,吸湿性低 于 ZYLON ○R AS。 2. 3 PBO 纤维与其它纤维性能的比较 在表 1 和图 2、图 3 的高性能纤维中 ,PBO 纤维 强度最高。 表 1 PBO 纤维与其它纤维性能的比较 纤维名称 拉 伸 强度 ( GPa) 模量 ( GPa) 延伸率 ( %) 密度 (g/ cm 3 ) 耐热性 3 ℃ 吸湿性 ( %) Zylon ○R AS 5. 8 180 3. 5 1. 54 650 2. 0 Zylon ○R HM 5. 8 270 2. 5 1. 56 650 0. 6 对位 - 芳纶 2. 8 109 2. 4 1. 45 550 4. 5 间位 - 芳纶 0. 65 17 22 1. 38 400 4. 5 钢丝 2. 8 200 1. 4 7. 8 ——— 0 HS - 聚乙烯纤维 3. 5 110 3. 5 0. 97 150 0 聚苯并咪唑(PBI) 0. 4 5. 6 30 1. 4 550 1. 5 聚酯纤维 1. 1 15 25 1. 38 260 0. 4 碳纤维(T700) 5. 1 229 2. 2 1. 80 677 0. 05 碳纤维(HM) 3. 3 413 0. 5 1. 87 0. 05 玻璃纤维 2. 2 68 3 2. 5 0. 02 3 熔点或分解温度 2. 4 PBO 纤维的特点 综上所述 ,PBO 纤维具有的高强度 (5. 8GPa) 和 第 3 期 纤 维 复 合 材 料 No. 3 15 2003 年 9 月 FIBER COMPOSITES Sep. ,2003
2003年 强度( 表2BBO纤维束纱性能 纤维种类强度模量延伸率线密度(lex) (MPa) (GPa) 粗PC 2.67 细HBO51532202.60 测试标准 33362·82 CB76901-87 33.2BBO纤维/环氧复合材料单向环(NOL环) 即使是强度很高的纤维,如果与树脂基体的界 面相容性差,会导致复合材料层间剪切强度低,也不 能制成高性能复合材料。纤维与树脂基体的界面相 zM 容性可通过复合材料单向环的层间剪切强度来判 定 为了研究BBO纤维与树脂基体的界面相容性、 图2BO纤维的强度与其它纤维的比较 浸润性以及受力状态下传递应力的能力,我们用高 强型的(线密度不同的)两种PO纤维,分别制作了 模量(pa PBO纤维/环氧复合材料(以下略为O环氧)单向 环,测得了PO/环氧单向环的层间剪切强度和拉伸 强度。BBO环氧单向环力学性能实测值见表3。 表3HBO环氧单向环力学性能 粗BO环氧 2717 细PO环氧 参照测试标准 图3BO纤维的模量与其它纤维的比较 两种PBO环氧单向环的层间剪切强度相同均 低于芳纶/环氧复合材料 高模量(270GPa)以及耐高温(6500性能等高性能3.3.3BO纤维复合材料压力容器性能 是由于图1所示的苯环和苯杂环组成的刚棒状分子据国外资料报导,BO纤维复合材料压力容器 结构,以及分子链在液晶态纺丝时形成的高取向的性能系数比最高性能的石墨纤维复合材料压力容器 有序结构所致。 高30%,PBO纤维复合材料压力容器见图4 3PBO纤维复合材料性能 4结语 3.1材料 1)本文研究结果表明,PBO纤维具有优异的力 本文研究中采用高强型的(线密度不同的)两种学性能在高性能纤维中强度最高 BO纤维,一种为粗PBO纤维(线密度实测值 2)PBO纤维吸湿性小,方面使树脂基体的选 l66X),另一种为细PBO纤维(线密度实测值择范围变宽,另一方面在纤维缠绕成型工艺中可不 55ex)。树脂采用环氧类 必设置纤维去湿工艺 3.2成型工艺 3)BBO纤维复合材料层间剪切强度低于其它 采用湿法纤维缠绕成型工艺制备BO纤维复高性能纤维复合材料,是由于BO纤维未经表面处 合材料试验件 理,纤维表面的活性低而且光滑所致。 3.3性能 4)要提高复合材料层间剪切强度,纤维的表面 3.3.1PO纤维束纱 处理是关键。目前国内有关人员已开展BBO纤维 PBO纤维浸胶束纱力学性能和其它性能实测值的表面处理研究 见表2。 (下转第20页) 2 01994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. htp: /hre. cnki. net
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2 PBO 纤维的强度与其它纤维的比较 图 3 PBO 纤维的模量与其它纤维的比较 高模量 (270GPa) 以及耐高温 (650 ℃) 性能等高性能 是由于图 1 所示的苯环和苯杂环组成的刚棒状分子 结构 ,以及分子链在液晶态 ,纺丝时形成的高取向的 有序结构所致。 3 PBO 纤维复合材料性能 3. 1 材料 本文研究中采用高强型的(线密度不同的) 两种 PBO 纤维 , 一种为粗 PBO 纤维 (线密度实测 值 166Tex) , 另一种为细 PBO 纤维 (线密度实测值 55Tex) 。树脂采用环氧类。 3. 2 成型工艺 采用湿法纤维缠绕成型工艺制备 PBO 纤维复 合材料试验件。 3. 3 性能 3. 3. 1 PBO 纤维束纱 PBO 纤维浸胶束纱力学性能和其它性能实测值 见表 2。 表 2 PBO 纤维束纱性能 纤维种类 拉 伸 强 度 (MPa) 模 量 ( GPa) 延伸率 ( %) 线密度(Tex) 粗 PBO 4618 216 2. 67 166 细 PBO 5153 220 2. 60 55 参照 测试标准 GB3362 - 82 GB76901 - 87 3. 3. 2 PBO 纤维/ 环氧复合材料单向环(NOL 环) 即使是强度很高的纤维 ,如果与树脂基体的界 面相容性差 ,会导致复合材料层间剪切强度低 ,也不 能制成高性能复合材料。纤维与树脂基体的界面相 容性可通过复合材料单向环的层间剪切强度来判 定。 为了研究 PBO 纤维与树脂基体的界面相容性、 浸润性以及受力状态下传递应力的能力 ,我们用高 强型的(线密度不同的) 两种 PBO 纤维 ,分别制作了 PBO 纤维/ 环氧复合材料(以下略为 PBO/ 环氧) 单向 环 ,测得了 PBO/ 环氧单向环的层间剪切强度和拉伸 强度。PBO/ 环氧单向环力学性能实测值见表 3。 表 3 PBO/ 环氧单向环力学性能 PBO/ 环氧 拉伸强度(MPa) 粗 PBO/ 环氧 2717 细 PBO/ 环氧 2806 参照测试标准 BG1458 - 88 两种 PBO/ 环氧单向环的层间剪切强度相同 ,均 低于芳纶/ 环氧复合材料。 3. 3. 3 PBO 纤维复合材料压力容器性能 据国外资料报导 ,PBO 纤维复合材料压力容器 性能系数比最高性能的石墨纤维复合材料压力容器 高 30 % ,PBO 纤维复合材料压力容器见图 4。 4 结 语 1) 本文研究结果表明 ,PBO 纤维具有优异的力 学性能 ,在高性能纤维中强度最高。 2) PBO 纤维吸湿性小 ,一方面使树脂基体的选 择范围变宽 ,另一方面在纤维缠绕成型工艺中 ,可不 必设置纤维去湿工艺。 3) PBO 纤维复合材料层间剪切强度低于其它 高性能纤维复合材料 ,是由于 PBO 纤维未经表面处 理 ,纤维表面的活性低而且光滑所致。 4) 要提高复合材料层间剪切强度 ,纤维的表面 处理是关键。目前国内有关人员已开展 PBO 纤维 的表面处理研究。 (下转第 20 页) 16 纤 维 复 合 材 料 2003 年
2003年 表9玄武岩纤维及制品的分类以及应用领域 玄武岩超细纤维(BCTB 单元丝参数 直径d=1-3m;长度L=30-90mm 原材料:玄武岩纤维 可制作的纤维材料与制品 可应用的工业领域 ECTB 隔热隔声材料:粗布,针刺与包缝毡玄武岩纸板,后能源工业、机械制造业、航空、 板,衬垫,悬挂天棚等制品。 船舶制造、冶金、化工 玄武岩细纤维(bIB 纤维参数:d=5-um,L=30-70mm bTB 隔热隔声材料 t刺毡、软板、硬板、填料、制造棚建筑、能源、机械制造、船舶制 盖材料的粗麻卷 岩塑料板、印刷电路板、过滤器。造、冶金、化工建材。 玄武岩细纤维(BTB 纤维参数:d=9-12umL=30.70mm bTB(粗的) 加强的粗麻卷、过滤材料、通风制品混凝土加强材料、选矿、治金、建筑、筑路、水利灌 沥青混凝土加强材料 溉工程 玄武岩连续纤维(HbB HBB 纤维参数:直径d=6-9m;长度L>10km 原材料:玄武岩纤维 可制作的纤维材料与制品 可应用的工业领域 多股粗纱、纺织用的扭绳 细布电绝缘布网、针织材料电绝缘材料、卷材防火电力电子、化工、塑料及建材生 纤维参数:直径d=10-15m;长度L>10km 制作棒材用的多股粗纱、其它型材、武岩塑 电子、化工、各种用途的 多股粗纱、多股粗纱网和织物、粗 容器;生产玻璃板及表面防护板的增强用 产、建材生产、能源工业、机 麻卷、短切纤维、针刺材料 物;增强塑料用的短切纤维;筑路及地表维 强路表、路基和固化地面突起用的网与织物 械制造业、汽车制造业、船舶制 用的针刺材料 造及其它工业领域 纤维参数:直径d=15-19m;长度L>10km 多股粗纱、粗麻卷短切纤维 表层等增强用短切纤维,制动块摩擦板的加强材料筑建材工业机械制造业汽车制 路及地表维护材料一加强路表路基和固化地面突起用严房建设和筑路行业 HBB 纤维参数:直径d>19m;长度L>10km 短切纤维 青混凝土路表材料 工业生产厂房建设和筑路行业 (上接第16页) 参考文献 1贾丽霞.碳纤繼/聚酰亚胺耐高温复合材料成型工艺及其性能研 究,纤维复合材料,19 2贾丽霞等译.高性能复合材料最新技术,中国建筑工业出版社, 3黄玉东等.HO超级纤维及其表面处理NM-11,2000 4李瑞华等.BBO纤维表面空气冷等离子体改性,复合材料学扌 5 S. T. Peters W. D. Humphrey R. F. Foral. Filament winding composite structure fabrication. SAMPE 图4BBO纤维复合材料压力容器 c1994-2010ChinaAcademicJounalElectronicPublishingHouseAlrightsreservedhttp://nne.cnki.ner
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 表 9 玄武岩纤维及制品的分类以及应用领域 短纤维 玄武岩超细纤维 (БСТВ) 单元丝参数 : 直径 d = 1 - 3μm;长度L = 30 - 90mm. 原材料 :玄武岩纤维 可制作的纤维材料与制品 可应用的工业领域 БСТВ 隔热隔声材料 : 粗布 , 针刺与包缝毡 ,玄武岩纸板 , 后 板 , 衬垫 , 悬挂天棚等制品。 能源工业、机械制造业、航空、 船舶制造、冶金、化工。 玄武岩细纤维 (БТВ) 纤维参数 :d = 5 - 9μm;L = 30 - 70mm. БТВ 隔热隔声材料 : 粗布、针刺毡、软板、硬板、填料、制造棚 盖材料的粗麻卷 , 玄武岩塑料板、印刷电路板、过滤器。 建筑、能源、机械制造、船舶制 造、冶金、化工、建材。 玄武岩细纤维 (БТВ) 纤维参数 :d = 9 - 12μm;L = 30 - 70mm. БТВ(粗的) 加强的粗麻卷、过滤材料、通风制品、混凝土加强材料、 沥青混凝土加强材料 选矿、冶金、建筑、筑路、水利灌 溉工程。 玄武岩连续纤维 ( НБВ) НБВ 纤维参数 :直径 d = 6 - 9μm;长度L > 10km。 原材料 :玄武岩纤维 可制作的纤维材料与制品 可应用的工业领域 多股粗纱、纺织用的扭绳 细布、电绝缘布、网、针织材料、电绝缘材料、卷材、防火 贴面板 电力电子、化工、塑料及建材生 产。 НБВ 纤维参数 :直径 d = 10 - 15μm;长度L > 10km。 多股粗纱、多股粗纱网和织物、粗 麻卷、短切纤维、针刺材料 制作棒材用的多股粗纱、其它型材、武岩塑料配件、管、 容器 ;生产玻璃板及表面防护板的增强用多股粗纱织 物 ;增强塑料用的短切纤维 ;筑路及地表维护材料 —加 强路表、路基和固化地面突起用的网与织物 ;隔热隔声 用的针刺材料。 电力电子、化工、各种用途的板 材生产、建材生产、能源工业、机 械制造业、汽车制造业、船舶制 造及其它工业领域。 НБВ 纤维参数 :直径 d = 15 - 19μm;长度L > 10km。 多股粗纱、粗麻卷、短切纤维 加强网 ;板材生产用多股粗纱布 ;塑料、混凝土、建筑物 表层等增强用短切纤维 ;制动块、摩擦板的加强材料 ;筑 路及地表维护材料 —加强路表、路基和固化地面突起用 的网与织物 ;隔热隔声用的针刺材料。 建材工业、机械制造业、汽车制 造业及其它工业领域、工业生产 厂房建设和筑路行业。 НБВ 纤维参数 :直径 d > 19μm;长度L > 10km。 短切纤维 混凝土和沥青混凝土路表材料 工业生产厂房建设和筑路行业 (上接第 16 页) 图 4 PBO 纤维复合材料压力容器 参 考 文 献 1 贾丽霞. 碳纤维/ 聚酰亚胺耐高温复合材料成型工艺及其性能研 究 ,纤维复合材料 ,1996 2 贾丽霞等译. 高性能复合材料最新技术 ,中国建筑工业出版社 , 1989 3 黄玉东等. PBO 超级纤维及其表面处理 ,NCCM - 11 ,2000 4 李瑞华等. PBO 纤维表面空气冷等离子体改性 ,复合材料学报 , 2003 5 S. T. Peters W. D. Humphrey R. F. Foral. Filament winding composite structure fabrication ,SAMPE 20 纤 维 复 合 材 料 2003 年