聚苯并惡唑纖維研究進(jìn)展

張蕊，周博，李賢宇

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

聚苯并惡唑纖維研究進(jìn)展

張蕊，周博，李賢宇

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300402）

聚苯并惡唑纖維是新一代高性能高分子材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫、優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性以及高的比強(qiáng)度和比模量。本文對聚苯并惡唑纖維近年來的發(fā)展作一些介紹。

聚苯并惡唑纖維；性能；應(yīng)用

聚苯并惡唑 (PBO)是新一代高性能高分子材料。聚苯并惡唑的化學(xué)結(jié)構(gòu)為：

1 PBO纖維的發(fā)展

PBO纖維是高性能有機(jī)纖維市場的一個較新品種，Toyobo與Dow公司聯(lián)合于1998年首次推出商品Zylon纖維[1]。1998年的11月下旬，日本東洋紡纖維公司研究開發(fā)了高功能性聚苯并惡唑纖維，并率先投入工業(yè)化生產(chǎn)[2]。據(jù)介紹，這種新型高功能性纖維在空氣中的熱解溫度可達(dá)650℃，在316℃環(huán)境下經(jīng)100h仍能保持其質(zhì)量無損，纖維無熔點(diǎn)，工作溫度可達(dá)330℃左右[3]。纖維的強(qiáng)度是芳香族纖維的2倍，極限模量是芳香族纖維的2.5倍。作為一種新型高功能纖維，可用來生產(chǎn)特種織物，供航天、航海、阻燃和各種防護(hù)服用。目前該種纖維生產(chǎn)技術(shù)主要被日本東洋紡纖維公司掌握,1999年時的產(chǎn)能是190t左右，2001年末時增加到400t。由于該種纖維比其它高功能性纖維更優(yōu)秀，加上沒有競爭對手，發(fā)展前景被專家普遍看好。

2 PBO纖維的性能

聚苯并惡唑聚合物紡絲液用干-濕式紡絲法紡絲、水洗、干燥。紡絲液溶至液晶性，采用液晶紡絲法紡絲時能形成伸直鏈結(jié)構(gòu)，初紡絲 (AS絲-標(biāo)準(zhǔn)型)就具有3．53N/tex以上的強(qiáng)度和10．84 N/tex以上的彈性模量[4]。為了提高模量，可在約600℃的溫度中進(jìn)行熱處理，得到模量達(dá)176．4N/tex，而強(qiáng)度保持不變的高模量絲（HM絲高模量型）。

聚苯并惡唑作為21世紀(jì)超性能纖維，具有十分優(yōu)異的物理機(jī)械性能和化學(xué)性能，其強(qiáng)力、模量為Kevlar纖維的2倍并兼有間位芳綸耐熱阻燃的性能，而且物理化學(xué)性能完全超過迄今在高性能纖維領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的Kevlar纖維，并具有阻燃性、耐高溫高壓、抗老化和耐摩擦等性能，可廣泛應(yīng)用于航空航天、防火服等領(lǐng)域，它的極限氧指數(shù)LOI是68，是目前有機(jī)高分子纖維中最高的。TGA顯示出其熱失重起始溫度為650℃，比全芳香族聚酞胺纖維高100℃，在有機(jī)纖維中耐熱性、難燃性是最好的。ZYLON(PBO商品名)具有耐化學(xué)試劑性，對有機(jī)溶劑、以及醇是穩(wěn)定的，強(qiáng)度幾乎不變，耐酸、耐漂白劑、耐紫外光。ZYLON可用于增強(qiáng)材料、體育用品、耐熱耐光材料及航空航天用材料[1]。

聚苯并惡唑纖維強(qiáng)度和剛性都很大，有極好的耐氧化、耐潮濕、耐紫外光和耐輻照性能，絕緣和熱穩(wěn)定性良好，工作溫度高達(dá)300～500℃。聚苯并惡唑具有相當(dāng)高的耐熱性，聚合物不熔融，也沒有玻璃化轉(zhuǎn)變，在惰性氣體中，起始熱分解溫度為650℃，在316℃下，經(jīng)100h處理，重量保持不變。371℃下50h后重量保持80%，650℃以上才分解。采用TGMS分析表明，在660℃以上，分解產(chǎn)物為CO2、CO、HCN等，聚合物不溶不熔。耐化學(xué)藥品性能極好，除溶解于100%的濃硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等強(qiáng)酸外，不溶于任何其它化學(xué)溶劑[5]。

3 PBO纖維的改性

由于PBO纖維的表面呈現(xiàn)很強(qiáng)的惰性，限制PBO樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用。因此必須對其維表面進(jìn)行處理，以改善復(fù)合材料的界面粘結(jié)，充分發(fā)揮PBO纖維的性能擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

化學(xué)處理法：利用強(qiáng)質(zhì)子酸如甲基磺酸（MeSA)、PPA等對聚苯并惡唑分子鏈中的雜原子進(jìn)行質(zhì)化，降低分子間的相互作用，從而可以溶解刻蝕PBO纖維皮層，增加纖維表面粗糙程度，達(dá)到改纖維與樹脂間的界面結(jié)合的目的。羅果[6]采用磷以及其乙醇溶液（體積比1∶1）對PBO纖維進(jìn)行表面處理。PBO纖維經(jīng)兩種溶液分別處理1min和5min后，纖維/樹脂的界面粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了24%和55%[6]。

偶聯(lián)劑處理法：用偶聯(lián)劑處理PBO纖維不會影響纖維本身的力學(xué)性能且改性效果較好。但PBO常被用在高溫領(lǐng)域，對偶聯(lián)劑的耐熱性能也提出了很高的要求[5]。王斌等[3]采用5種不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的硅烷偶聯(lián)劑，對PBO纖維表面進(jìn)行了涂層處理，PBO纖維與樹脂基體間的兼容性和化學(xué)反應(yīng)活性得到了改善，從而提高了PBO纖維/樹脂復(fù)合材料界面的粘結(jié)強(qiáng)度。

等離子處理法：利用氨氣、氧氣、空氣等不同氣氛等離子體刻蝕纖維的皮層，增大纖維的比表面積，從而可以提高纖維樹脂間的單絲拔出強(qiáng)度。周雪松等[1]采用低溫等離子體表面處理技術(shù)對聚苯并惡唑纖維表面進(jìn)行改性。發(fā)現(xiàn)經(jīng)低溫氦氣等離子處理后，聚苯并惡唑纖維表面親水性增強(qiáng)，聚苯并惡唑纖維/環(huán)氧樹脂的界面剪切強(qiáng)度提高了42%。李瑞華等[1]采用空氣等離子體處理的方法對聚苯并惡唑纖維表面進(jìn)行改性，纖維表面潤濕性得到改善，纖維表面的苯環(huán)上引入了很多經(jīng)基，等離子體處理最佳條件下(170W，10min)，纖維表面粗糙度最大，纖維表面氧元素含量最大，氧/碳比率提高了50．5%，界面剪切強(qiáng)度提高了64．7%。

電暈處理法：王斌等[3]對聚苯并惡唑纖維表面進(jìn)行了電暈處理，纖維表面含氧量增多，表面浸潤性得到改善，單絲拔出的聚苯并惡唑纖維/環(huán)氧樹脂界面剪切強(qiáng)度提高了25．6%。這種方法對改善聚苯并惡唑纖維的表面性能效果不太明顯。

輻射處理法：研究了聚苯并惡唑纖維經(jīng)下射線輻照表面改性處理前后對纖維浸潤性能及纖維/環(huán)氧樹脂界面性能的影響[1～3]。將實(shí)驗結(jié)果與化學(xué)交聯(lián)和等離子氧處理的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，下射線輻照對聚苯并惡唑纖維表面的改性效果最好。此法可以實(shí)現(xiàn)批量處理，但高能射線的輻照可能對聚苯并惡唑纖維的一些性能造成一定的影響[1～3]。

4 PBO纖維的應(yīng)用

PBO纖維的優(yōu)異性及具有阻燃性、耐高溫高壓、抗老化和耐摩擦等性能[6]，可廣泛應(yīng)用于航空航天、防火服等領(lǐng)域，在高技術(shù)纖維、熱穩(wěn)定非線性光學(xué)材料[7]、光敏材料[8]等方面也獲得了應(yīng)用。PBO纖維長絲：可用于彈道導(dǎo)彈和復(fù)合材料的增強(qiáng)組分、纖維光纜的受拉件和光纜的保護(hù)膜；繩索和纜繩等高拉力材料、高溫過濾用耐熱過濾材料、導(dǎo)彈和子彈的防護(hù)設(shè)備、防彈背心、防彈頭盔和高性能航行服、網(wǎng)球、快艇、賽艇等體育器材高級擴(kuò)音器振動板、新型通訊、航空航天材料等。PBO纖維短切和漿粕：可用于摩擦材料和密封墊片用補(bǔ)強(qiáng)纖維；各種樹脂、塑料的增強(qiáng)材料等[9]。

PBO纖維是高性能有機(jī)纖維市場的一個較新品種，PBO已經(jīng)引起越來越多的重視，同時近年來隨著對PBO研究的深入，發(fā)現(xiàn)它具有較好的透波、吸波性能[10]，這與它的共軛結(jié)構(gòu)相關(guān)，已取得一定進(jìn)展。它與其它材料復(fù)合成先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料[11]，具有比強(qiáng)度和比剛度高、可設(shè)計性強(qiáng)、抗疲勞斷裂性能好、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及便于大面積整體成形的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，還有特殊的電磁性能和吸波隱身作用，充分體現(xiàn)了集結(jié)構(gòu)承載和功能于一身的鮮明特點(diǎn)。

總之，PBO纖維具有優(yōu)異的性能，如熱穩(wěn)定性和阻燃性，可用作防火服裝；優(yōu)良的卷曲、耐化學(xué)品、耐剪切、耐摩擦及耐高溫磨擦性質(zhì)，耐沖擊性能，吸濕性小，能制成長絲、短纖等各種織物，可用作安全防護(hù)服和防彈材料等；很高的比強(qiáng)度和比模量,作為增強(qiáng)纖維可用于高性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料如發(fā)動機(jī)、宇宙空間器材；優(yōu)異的耐燒蝕性能,可用于隔熱燒蝕復(fù)合材料等。因此，PBO在很多領(lǐng)域都有很大的用途，必將得到很大的發(fā)展。

［1］ 李金煥，黃玉東，許輝．高分子材料科學(xué)與工程[J]，2003，19（6）：46-50．

［2］ Gordon L,Lon J．Polymer．[J],1999,40（40）：3463-3468．

［3］ 湯威宜，金俊弘，朱慧君，等．東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）[J]，2008，34（2）：132-140．

［4］ Tullos GL,Powers JM,Jeskey SJ,et al．Macromolecules[J],1999, 32(11):3-598．

［5］ Hsiao SH,Huang YH．Eur．Poly．J．[J],2004,40(6):1-127．

［6］ Hasegawa M,Kobayashi J,Vladimirov L．J．Photopolym．Sci．Tech．[J],2004,17(2):253．

［7］ Park KH,Song S,Lee YS,et al．Polymer[J],1998,30(6):470．

［8］ Ueda M,Ebara K,Shibasaki Y．J．Photopolym．Sci．Tech．[J],2003, 16(2):237．

［9］ 袁江,王建營,胡文祥．究化工時刊2003,17(8):4-8．

［10］莫美芳．材料工程,1993,(4):38-41．

［11］胡國有,陳強(qiáng),胡志翔．大學(xué)化學(xué),1993,8(5):5-9．

book=173,ebook=109

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.03.005

TQ342+733

A

1008-1267（2010）03-012-03

2010-01-06

周博（1981-），男，研究生學(xué)歷，化工課程主講教師。