1.Arenguajalugu
PBO leiutasid Ameerika Ühendriikide õhujõudude aerodünaamika arendamise teadlased. Polübensoksasooli põhipatent kuulus algselt Ameerika Ühendriikide Stanfordi ülikooli Stanfordi uurimisinstituudile (SRI). Hiljem sai Dow Chemical Company loa ja arendas tööstuslikult välja PBO, parandades samal ajal ka monomeeri algset sünteesimeetodit. Uus protsess ei tekitanud peaaegu üldse isomeerseid kõrvalsaadusi, suurendades sünteesitud monomeeri saagist ja pannes aluse industrialiseerimisele. 1990. aastal ostis Jaapani Toyobo Co., Ltd. Dow Chemical Companylt PBO patenditehnoloogia. 1991. aastal töötas Dow-Badische Fibers Inc. välja PBO-kiu Toyobo Co., Ltd.-i seadmetel, suurendades oluliselt PBO-kiu tugevust ja moodulit kahekordseks PPTA-kiu omast. 1994. aastal investeeris Toyobo Co., Ltd. Dow-Badische Fibers Inc. loal 3 miljardit Jaapani jeeni, et ehitada tootmisliin, mille aastane toodang on 400 tonni PBO monomeere ja 180 tonni ketramist. 1995. aasta kevadel alustas osalise mehhaniseeritud tootmist ja 1998. aastaks jõudis tootmisvõimsus 200 tonnini aastas, kaubandusliku nimetusega Zylon. Toyobo Zyloni arengukava kohaselt eeldati, et tootmisvõimsus ulatub 2000. aastal 380 tonnini aastas, 2003. aastal 500 tonnini aastas ja 2008. aastal 1000 tonnini aastas. Praegu on Toyobo Co., Ltd. maailm, mis on suuteline kaubanduslikult tootma PBO-kiudu.
2. PBO kiudude arendamise väljavaated
Viimastel aastatel on arenenud riigid ja piirkonnad, nagu Euroopa, Ameerika ja Jaapan, laialdaselt kasutanud suure jõudlusega kiududega tugevdatud komposiitmaterjale kõrghoonete, suurte sildade ja mereehituse valdkonnas. Fiiberriie epoksüvaiguga immutamise ja betoonpinna külge kinnitamisega saab oluliselt parandada algse konstruktsiooni kandevõimet ja maavärinakindlust. Veelgi enam, sillaehituses ei saa terastrosse kasutada pikemate sildade jaoks nende enda kaalu tõttu. Selle asemel eelistatakse kergemaid ja tugevamaid kaableid. Parim valik on PBO-kiududest valmistatud kaablid, millel on kõrge tugevus ja hea mõõtmete stabiilsus.
PBO-kiud asendavad järk-järgult traditsioonilisi asbestimaterjale kuumuskindlate materjalide valdkonnas ja uurivad praegu alla 350-kraadiseid rakendusi leegiaeglustavate kiudude, näiteks aromaatsete polüamiidide asendamiseks. Üle 350 kraadi asendavad need anorgaanilisi kiude, nagu roostevaba teras või keraamilised kiud. Kuna anorgaanilised kiud on kõvemad ja kalduvad kriimustustele, mis mõjutavad nende jõudlust, on PBO-kiududel potentsiaali need puudused ületada. Varem oli orgaaniliste kiudude kuumakindlus ebapiisav (enamasti alla 400 kraadi), mis piiras nende rakenduste arendamist. PBO kiudude lagunemistemperatuur on aga 650 kraadi, mis on kõigi orgaaniliste kiudude seas kõrgeim. Seetõttu on üle 350 kraadise temperatuuriga rakendustes täiesti võimalik asendada orgaanilised kiud PBO-kiududega, kus orgaanilisi kiude oli varem raske kasutada, laiendades ja arendades nii PBO-kiudude kuumuskindlate materjalide kasutusala.
Rahvusvahelised uuringud näitavad, et PBO kiududel on palju rakendusi muudes valdkondades, nagu elektriisolatsioonimaterjalid, satelliidituvastus, kerged materjalid, autotööstus ja süvamere naftaväljade arendamine. Kiirrongide keredes kasutatavad PBO-kiud mitte ainult ei vähenda sõiduki kaalu, vaid suurendavad ka selle tugevust. Kasutades PBO kiudude keemilist vastupidavust, saab valmistada erinevaid korrosioonikindlaid kaitseriietusi. Lennunduses sobivad PBO-kiud piiratud koormuse vähendamiseks kosmoses kasutatavate kinnitusdetailide ja rihmade valmistamiseks. Kosmiliste temperatuuride vahemikus -10 kraadist 460 kraadini saab neid kasutada ka kuumakindlate õhupallide materjalidena. Spordivõistluspurjetamises valmistatakse purjed peamiselt ülitugevast, suure mooduliga kiududest valmistatud plaaditaolistest õhukestest materjalidest. Deformatsiooni minimeerimiseks tuule puhumisel purjede puhumisel tuleb konkurentsivõimeliste purjede valmistamiseks otsida kõrgeima mooduliga PBO kiude. Arvestades PBO kiudude suurepäraseid mehaanilisi omadusi, on need ka parimad materjalid golfikeppide, tennisereketite, suusakeppide, suusalaudade, surfilaudade, vibulaskmisnööride ja võidusõidujalgrataste valmistamiseks.
PBO-kiudude võtmetehnoloogia teadus- ja arendustegevus ning industrialiseerimine võib võimaldada Hiinal vabaneda välismaise tehnoloogia pikaajalisest kontrollist ja monopolist, asuda iseseisva innovatsiooni, eredate väljavaadete ning kodumaise ja suuremahulise arendustegevuse laialdase rakendamise teele. PBO kiududest. See aitab kaasa suure jõudlusega PBO materjalide arendamisele ja säästvale kasutamisele Hiina lennundus-, riigikaitse-, sõja- ja tsiviiltööstuses.
3. Kiudude omadused
Toyobo aruannete kohaselt on nende kõrgekvaliteedilise PBO-kiudtoote tugevus 5,8 GPa (Saksamaal teatatud kui 5,2 GPa), moodul 180 GPa, mis on olemasolevate keemiliste kiudude seas kõrgeim; see talub kuni 600 kraadi temperatuuri, piirava hapnikuindeksiga 68 ning ei põle ega kahane leekides, millel on suurem kuumuskindlus ja leegiaeglustus kui mis tahes muul orgaanilisel kiul. Seda kasutatakse peamiselt kuumakindlate tööstuslike tekstiilide ja kiududega tugevdatud materjalide jaoks.
PBO jõudluse võrdlus teiste suure jõudlusega kiududega:
Nagu tabelist näha, on PBO kiududel suurepärane tugevus, moodul, kuumakindlus ja leegiaeglustus. PBO-kiudude tugevus ei ületa mitte ainult teraskiudude oma, vaid ka süsinikkiudude tugevust. Lisaks on PBO kiud suurepärased löögikindluse, kulumiskindluse ja mõõtmete stabiilsuse poolest. Samuti on need kerged ja paindlikud, muutes need ideaalseks tekstiili tooraineks.
PBO-l kui 21. sajandi üliefektiivsel kiul on erakordselt suurepärased füüsikalised ja mehaanilised ning keemilised omadused. Selle tugevus ja moodul on kaks korda suuremad kui Kevlari kiududel ning sellel on ka metaaramiidkiudude soojustakistus ja leegiaeglustus. Veelgi enam, selle füüsikalised ja keemilised omadused ületavad täielikult Kevlari kiude, mis on seni juhtinud suure jõudlusega kiudude valdkonda. Üks 1-millimeetrise läbimõõduga PBO hõõgniit suudab tõsta 450 kilogrammi raskust, mis on enam kui kümme korda suurem kui teraskiudude tugevus.
4.PBO kiudude pinna modifitseerimine
TIFSS-i (Interfacial Shear Strength) suurenemine PBO-kiudude ja vaigumaatriksi vahel paraneb, kuid sideainete liig võib põhjustada sideaine paksema ristsiduva kihi, mis omakorda vähendab TIFSS-i. Plasma söövitav toime kiu pinnale mõjutab peamiselt sideainet, võimaldades moodustada poogitud ristsiduva kihi. See sideainekiht pakub kiududele teatud kaitset, seega ei ole PBO kiudude σ (tugevuse) langus märkimisväärne.
Võib analüüsida, et sidumisainete ja plasmaga kombineeritud modifitseerimisprotsessi optimaalsed tingimused on: A-187 sidumisaine sisaldus 2%, argooni madala temperatuuriga plasmatöötlusaeg 2 minutit, rõhk 50 Pa juures. ja võimsus 30W. Valitud sidestusainetest on A-187 parim mõju PBO-kiudude ja epoksüvaigu vahelise IFSS-i parandamisel, mille optimaalne sisaldus on 2%.
(1) Kui A-187 sisaldus on 2% ja argooni madala temperatuuriga plasmatöötlustingimused on 2 min, 30 W ja 50 Pa, võib modifitseeritud PBO kiu ΓIFSS (liidese nihketugevus) ulatuda 10,44-ni. MPa. See tähendab 52% kasvu võrreldes ainult A-187 sideaine kasutamisega modifitseerimiseks ja 78% tõusu võrreldes algse kiu ΓIFSS-iga. Samuti on oluliselt paranenud PBO kiudude märguvus.
(2) PBO-kiudude puhul, mida on modifitseeritud argooni madala temperatuuriga plasmaga koos sidestusainega, ei ole ΓIFSS-i langus aja jooksul märkimisväärne; kontaktnurga suurenemine ei ole samuti märkimisväärne, näidates suundumust stabiilsuse poole koos kerge langustrendiga. Seetõttu ei ole argooni madala temperatuuriga plasmaga koos sideainega modifitseeritud PBO kiudude lagunemisefekt väljendunud.
5.Ettevalmistus
PBO valmistatakse 4,6-diaminoresortsinoolvesinikkloriidi (DAR·HCl) lahuse polükondenseerimisel tereftaalhappega, kasutades lahustina polüfosforhapet (PPA). Teise võimalusena saab seda sünteesida polükondensatsiooniks P2O5 dehüdratsiooniga. PPA toimib nii lahusti kui ka polükondensatsiooni katalüsaatorina.
Monomeeri diaminoresortsinooli sünteesi on edukalt välja töötanud Ameerika Dow Chemical Company, alustades toorainena triklorobenseenist. See meetod väldib isomeeride teket sünteesiprotsessi ajal, andes kõrge taastumismäära, mis mängib olulist rolli PBO tööstuslikus tootmises.
Polümeeri dope tsentrifuugitakse kuiv-märgketramise meetodil, millele järgneb pesemine ja kuivatamine. Kui ketruslahus lahustatakse vedelkristallide moodustamiseks ja kasutatakse vedelkristallide ketramist, võib see moodustada pikendatud ahela struktuuri. Esialgse kedratud kiu (AS-kiu standardtüüp) tugevus on juba üle 3,53 N/tex ja elastsusmoodul üle 10,84 N/tex. Mooduli suurendamiseks saab kuumtöödelda umbes 600 kraadi juures, mille tulemuseks on kõrge mooduliga kiud (HM-kiudkõrge mooduliga tüüp), mille moodul ulatub 176,4 N/tex, säilitades samal ajal sama tugevuse.
6.Rakendused
PBO kiude iseloomustab nende suurepärane kuumakindlus, kõrge tugevus ja kõrge moodul, mistõttu on need laialdaselt kasutatavad.
(1) Hõõgniidi kasutusalad hõlmavad kummitoodete, nagu rehvid, konveierilindid ja voolikud, tugevdavaid materjale; erinevate plastide ja betooni tugevdusmaterjalid; ballistiliste rakettide ja komposiitmaterjalide parenduskomponendid; fiiberoptiliste kaablite pingutuselemendid ja kaitsekiled; elektriküttejuhtmete, kõrvaklappide kaablite ja muude painduvate juhtmete tugevduskiud; suure tõmbetugevusega materjalid trosside ja kaablite jaoks; kuumakindlad filtrimaterjalid kõrgel temperatuuril filtreerimiseks; kaitsevarustus rakettmürskude ja kuulide jaoks, kuulikindlad vestid, kuulikindlad kiivrid ja suure jõudlusega lennuülikonnad; tennise, kiirpaatide, võidusõidupaatide jms spordivarustus; kõrgekvaliteedilised kõlarite membraanid, uudsed sidematerjalid; kosmosematerjalid jne.
(2) Tükeldatud kiudude ja paberimassi kasutusalad hõlmavad hõõrdematerjalide tugevdavaid kiude ja tihendeid; parendusmaterjalid erinevatele vaikudele ja plastidele jne.
(3) Lõnga kasutusalad hõlmavad tuletõrjerõivaid; kuumakindlad tööriided ahju esiosa ja keevitustööde jaoks; lõikekindluse kaitseriietus, kaitsekindad ja kaitsejalatsid; võidusõiduautode juhiülikonnad, džokiülikonnad; mitmesugused spordirõivad ja aktiivsed spordivahendid; Sõiduautode piloodiülikonnad; lõikevastased seadmed jne.
(4) Lühikeste kiudude rakendused on peamiselt alumiiniumi ekstrusiooni töötlemisel kasutatava kuumuskindla puhverpadja vildi jaoks; kuumakindlad filtrimaterjalid kõrgel temperatuuril filtreerimiseks; termokaitserihmad jne.