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1、超纖維PBO1．PBO簡介PBO是聚對苯撐苯并二噁唑Poly(p-phenylene-2,6-benzoxazole)的簡稱，它是一種直線型聚芳雜環(huán)液晶聚合物分子，其分子化學結(jié)構(gòu)為下式如下：PBO最初是由美國空軍材料實驗室于上個世紀70年代作為一種耐高溫性能的材料進行開發(fā)的，但是一直受到合成工藝的限制，不能合成大分子量的PBO聚合物，其優(yōu)越的性能也難以體現(xiàn)出來。直到80年代中期，由DOW化學公司開發(fā)出了一種新的單體合成、聚合及紡絲技術，1991年又與東洋紡織公司開始聯(lián)合研究開發(fā)PBO纖維，并于1995年，由東洋紡織公司在D
2、OW化學公司的專利許可下開始了試生產(chǎn)，1998年10月開始商業(yè)化生產(chǎn)，注冊商標為Zylon[1]。然而，作為具有特種用途的高性能纖維，PBO作為軍需品只有在歐美和日本銷售，對我國禁銷，價格也比較昂貴，高達到2700元／千克。目前，我國很多軍工單位都需要這種材料，因此，有必要建立自己的PBO生產(chǎn)線。為了填補國內(nèi)這一空白，我國已有多家單位，如華東理工大學、哈爾濱工業(yè)大學、東華大學、上海交通大學等進行了PBO聚合和纖維制備的研究。其中，上海交通大學印杰研究小組和東華大學劉兆峰研究小組的聯(lián)合研究團隊近期取得了可喜進展。他們在實驗室
3、進行了PBO的聚合并成功紡絲得到PBO纖維，通過了有關部門組織的鑒定[2]。2．PBO的結(jié)構(gòu)及其性能2.1PBO的結(jié)構(gòu)PBO分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較特殊。對PBO分子鏈構(gòu)象的分子軌道理論計算結(jié)果表明：PBO分子鏈中苯環(huán)和苯撐苯并二噁唑環(huán)是共平面的。從空間位阻效應和共扼效應角度分析，PBO纖維分子鏈間可以實現(xiàn)非常緊密的堆積，而且由于共平面的原因，PBO7分子鏈各結(jié)構(gòu)成分間存在更高程度的共軛，因而導致了更高的剛性。剛性鏈聚合物纖維由于其芳香主鏈、剛性分子鏈節(jié)和高度有序而有很高的熱穩(wěn)定性，加之PBO纖維主鏈上雜環(huán)的存在而使得其耐熱性比P
4、PTA纖維高出100℃左右；同時，PBO的大分子中剛性的苯環(huán)及雜環(huán)是幾乎與鏈軸共軸的，在拉伸變形時，應變能直接由剛性對位鍵和環(huán)的變形而消耗，而PPTA的分子鏈是鋸齒構(gòu)型的，鏈鍵向鏈軸傾斜，這樣，拉伸應變能部分用于苯環(huán)的重新取向上而導致其模量不如PBO纖維。總之，PBO纖維的高性能就來自于苯環(huán)及芳雜環(huán)組成的剛棒狀分子結(jié)構(gòu)以及分子鏈在液晶態(tài)紡絲時形成的高度取向的有序結(jié)構(gòu)[3]。PBO纖維最顯著的特征是大分子鏈、晶體和微纖/原纖均沿纖維軸向呈現(xiàn)幾乎完全取想的排列，形成高度取向的有序結(jié)構(gòu)。微纖由幾條鏈通過分子間結(jié)合在一起構(gòu)成的。P
5、BO纖維直徑一般為10~15μm。由眾多微纖結(jié)構(gòu)組成。通常微纖的次級結(jié)構(gòu)又含有3個層次：微纖、小微和分子鏈。微纖的尺寸為0.5~5μm。微纖之間則有較弱的分子間力，如范德華力結(jié)合在一起構(gòu)成纖維，因此PBO纖維比較容易出現(xiàn)微纖化[4]。2.2PBO的性能2.2.1力學性能PBO纖維具有十分優(yōu)異的力學性能，一根直徑為lmm的PBO細絲就可吊起450千克的重量。其拉伸強度為5.8GPa[3]，拉伸模量最高可達280.380GPa；PBO纖維在受沖擊的纖維可原纖而吸收大量的沖擊能，是一種優(yōu)異的耐沖擊材料，PBO纖維復合材料的最大沖
6、擊載荷可達3.5KN，能量吸收為20J；PBO的耐磨性良好，磨斷循環(huán)周期為5000次。在超過300℃高溫下，更能體現(xiàn)PBO纖維的耐磨性，在300℃的空氣中處理100小時之后的強度保持率為45％左右。但是PBO纖維的抗壓強度只有0.2—0.4GPa，相比較其拉伸強度相差甚遠[5]。PBO纖維與其它縣委性能的比較見圖17性能指針纖維品種拉伸強度（Gpa?）拉伸模?量（Gpa）壓縮強度（?Gpa）密度（g/cm）PBO5.82800.201.56PBT4.13250.26—0.411.58“M5”4.03301.001.70Ke
7、vlar493.51250.35—0.451.45T3003.22302.70—3.201.80鋁纖維1.73506.903.70E玻璃纖維3.4764.22.58表1PBO與其它高性能纖維的性能比較2.2.2熱學性能圖2幾種高性能有機纖維的LOI和使用溫度的比較[7]7分子鏈的共軛芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)賦予了PBO纖維優(yōu)異的耐熱性能，其熱分解溫度高達670℃，比芳綸的分解溫度高約100℃[7]。它的工作溫度為300-350℃，即便在400℃還能保持在室溫時強度的40%，模量的75%，同時其密度僅為1.56g/cm3，熱膨脹系數(shù)為3×
8、10-6m/(m·k)[1]，主要性能指標均屬目前有機和無機纖維之最。PBO的極限氧指數(shù)（LOI）為68[8]，燃燒過程中幾乎不產(chǎn)生有毒氣體。2.2.3其它性能PBO纖維幾乎對所有的有機溶劑和堿是穩(wěn)定的，但耐酸效果不佳。室溫下，PBO纖維在丙酮、煤油、無水乙醇等溶液中浸泡100小時，強度保持率幾乎不發(fā)生
