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(duì)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(chǎng)的一個(gè)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(shí)的產(chǎn)能是190t左右，2001年末時(shí)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)聚苯并惡唑纖維表面進(jìn)行改性，纖維表面潤(rùn)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(duì)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(rùn)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(duì)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(duì)纖維浸潤(rùn)性能及纖維/環(huán)氧樹脂界面性能的影響[1～3]。將實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(jí)擴(kuò)音器振動(dòng)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(chǎng)的一個(gè)較新品種，PBO已經(jīng)引起越來越多的重視，同時(shí)近年來隨著對(duì)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(jì)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(zhǎng)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(dòng)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(bào)（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(yíng),胡文祥．究化工時(shí)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。