1. היסטוריית פיתוח
PBO הומצא על ידי חוקרים באווירודינמיקה מחיל האוויר האמריקאי. הפטנט הבסיסי לפוליבנזותיאזול הוחזק על ידי מכון המחקר סטנפורד (SRI) בארצות הברית. מאוחר יותר, חברת דאו כימיקל השיגה את הרישיון ופיתחה PBO תעשייתית, תוך שיפור שיטת סינתזת המונומר המקורית. התהליך החדש לא יצר כמעט תוצרי לוואי איזומריים, מה שהגדיל את התפוקה של המונומרים המסונתזים והניח את הבסיס לתיעוש. בשנת 1990, חברת Toyobo היפנית רכשה את טכנולוגיית הפטנט PBO מ-Dow Chemical. בשנת 1991, חברת Dow-Badische Textile פיתחה סיבי PBO על הציוד של Toyobo, והגדילה משמעותית את החוזק והמודול של סיבי PBO לכפול מזה של סיבי PPTA. בשנת 1994, באישור מחברת הטקסטיל Dow-Badische, השקיעה טויובו 3 מיליארד ין כדי לבנות קו ייצור המסוגל לייצר 400 טון לשנה של מונומרים PBO ו-180 טון לשנה של טוויה. ייצור ממוכן חלקי החל באביב 1995, ועד שנת 1998 הגיע כושר הייצור ל-200 טון לשנה, כאשר המוצר נקרא זילון. על פי תוכנית הפיתוח של טויובו עבור זילון, כושר הייצור היה צפוי להגיע ל-380 טון לשנה בשנת 2000, 500 טון לשנה עד 2003, ו-1000 טון לשנה עד 2008. נכון לעכשיו, טויובו נותרה החברה היחידה בעולם המסוגלת מבחינה מסחרית ייצור סיבי PBO.
2. סיכויים לפיתוח סיבי PBO
בשנים האחרונות, נעשה שימוש נרחב בחומרי חיזוק סיבים מרוכבים בעלי ביצועים גבוהים בתחומי הבנייה כגון בניינים רבי קומות, גשרים גדולים והנדסה ימית במדינות ואזורים מפותחים כמו אירופה, אמריקה ויפן. על ידי הספגה של בד סיבים בשרף אפוקסי והדבקתו למשטח הבטון, ניתן לשפר משמעותית את כושר הנשיאה והעמידות בפני רעידות אדמה של המבנה המקורי. יתרה מכך, בבניית גשרים לא ניתן להשתמש בכבלי פלדה לגשרים ארוכים יותר בשל משקלם. במקום זאת, ישנה העדפה לכבלים קלים וחזקים יותר. כבלים העשויים מסיבי PBO, בעלי חוזק ספציפי גבוה ויציבות מימדית טובה, הם הבחירה הטובה ביותר. סיבי PBO מחליפים בהדרגה את חומרי האסבסט המסורתיים בתחום החומרים העמידים בחום ובוחנים כיום החלפה של פוליאמידים ארומטיים וסיבים מעכבי בעירה אחרים בטמפרטורות מתחת ל-350 מעלות. בטמפרטורות מעל 350 מעלות, הם מחליפים סיבי נירוסטה או סיבים קרמיים וסיבים אנאורגניים אחרים. מכיוון שסיבים אנאורגניים קשים למדי ונוטים לגרום לשריטות המשפיעות על הביצועים שלהם, סביר להניח שסיבי PBO יתגברו על החסרונות של סיבים אורגניים. בעבר, עמידות החום של סיבים אורגניים לא הייתה מספקת (בעיקר מתחת ל-400 מעלות), מה שהגביל את פיתוח היישום שלהם. עם זאת, לסיבי PBO יש טמפרטורת פירוק של עד 650 מעלות, הגבוהה ביותר מבין כל הסיבים האורגניים. לכן, ניתן בהחלט להחליף את השימוש בסיבים אורגניים ביישומים מעל 350 מעלות בסיבי PBO, ובכך להרחיב ולפתח את היישום של חומרים עמידים בחום של סיבי PBO. מחקר בינלאומי מצביע על כך שלסיבי PBO יש יישומים פוטנציאליים רבים בתחומים אחרים כגון חומרי בידוד חשמלי, זיהוי לוויינים, חומרים קלים, תעשיית הרכב ופיתוח שדות נפט בים עמוק. כחומר גוף לרכבת במהירות גבוהה, סיבי PBO לא רק מפחיתים את משקל הגוף אלא גם מגבירים את כוחו. תוך ניצול העמידות הכימית של סיבי PBO, ניתן לייצר בגדי הגנה שונים עמידים בפני קורוזיה. בחקר החלל, כדי להפחית את העומס המוגבל, סיבי PBO מתאימים לייצור מחברים ורצועות המשמשים בחלל. בטווח הטמפרטורות של סביבת החלל הקוסמית מ--10 מעלות ל-460 מעלות, הוא יכול לשמש גם כחומר לבלוני זיהוי עמידים בחום. בתחום השיט בתחרויות ספורט, מפרשים עשויים בעיקר מפלטות דקות דמויות יריעות העשויות מסיבים בעלי חוזק גבוה ובמודוס גבוה. כדי למזער את העיוות של המפרשים בעת חשיפה לרוח, יש לחפש את סיבי ה-PBO המודולוס הגבוה ביותר לייצור מפרשי מירוץ. בהתחשב בתכונות המכאניות המצוינות של סיבי PBO, הם גם החומרים הטובים ביותר לייצור אלות גולף, מחבטי טניס, מקלות סקי, לוחות סקי, גלשנים, מיתרי קשת וקשת וגלגלי מרוצי אופניים. המחקר והפיתוח הטכנולוגי העיקרי והתיעוש של סיבי PBO יכולים לאפשר לסין להשתחרר מהשליטה והמונופול ארוכי הטווח של טכנולוגיה זרה ולצאת לדרך של חדשנות עצמאית, סיכויים מזהירים ויישום רחב של פיתוח מקומי ובקנה מידה גדול. של סיבי PBO. זה יתרום לפיתוח ושימוש בר-קיימא בחומרי PBO בעלי ביצועים גבוהים בתעשיות התעופה והחלל, ההגנה הלאומית, הצבאית והאזרחית של סין.
3. מאפייני סיבים
לפי דיווחי Toyobo, חוזק מוצר סיבי ה-PBO היוקרתי שלה הוא 5.8GPa (דווח כ-5.2GPa בגרמניה), עם מודולוס של 180GPa, הגבוה ביותר מבין סיבים כימיים קיימים; הוא יכול לעמוד בטמפרטורות של עד 600 מעלות, ויש לו אינדקס חמצן מגביל של 68, לא נשרף או מתכווץ בלהבות, מה שמפגין עמידות בחום ועיכוב בעירה גבוהים יותר מכל סיב אורגני אחר. הוא משמש בעיקר עבור טקסטיל תעשייתי עמיד בחום וחומרים מחוזקים בסיבים.
השוואה של PBO עם סיבים בעלי ביצועים גבוהים אחרים: החוזק, המודולוס, עמידות החום ועיכוב הלהבה של סיבי PBO, במיוחד חוזקם, לא רק עולים על זה של סיבי פלדה אלא גם עולים על אלו של סיבי פחמן. יתרה מכך, סיבי PBO מציגים עמידות מצוינת בפני פגיעה, עמידות בפני שחיקה ויציבות מימדית, והם קלים ורך, מה שהופך אותו לחומר גלם טקסטיל אידיאלי ביותר.
PBO, כסיב בעל ביצועים של המאה ה-21, בעל תכונות פיזיקליות, מכניות וכימיות יוצאות דופן. החוזק והמודוס שלו פי שניים מזה של סיבי קוולר וכוללים גם עמידות בחום ועיכוב בעירה של סיבי מטא-ארמיד, עם תכונות פיסיקליות וכימיות כלליות העולה לחלוטין על אלו של סיבי קוולר, שהיו מובילים בתחום הביצועים הגבוהים. סיבים. חוט PBO בודד בקוטר של 1 מילימטר יכול להרים משקל של 450 קילוגרם, שהוא יותר מפי עשרה מחוזק של סיבי תיל פלדה.
4. שינוי פני השטח של סיבי PBO.
ניתן לשפר את חוזק הגזירה הממשקית (IFSS) בין סיבי PBO למטריצת השרף, אך כמות מוגזמת של חומר צימוד עלולה להוביל לשכבת צולבות עבה של חומר הצימוד, אשר בתורה מפחיתה את ה-IFSS. תחריט פלזמה על פני הסיבים משפיע בעיקר על חומר הצימוד, ויוצרת שכבת צולבות מושתלת המספקת הגנה מסוימת לסיבים, ולכן הירידה ב-σ של סיבי PBO אינה משמעותית. ניתוח מראה שהתנאים האופטימליים לתהליך המשולב של חומר צימוד ושינוי פלזמה הם: תכולת חומר צימוד A-187 ב-2%, זמן טיפול בפלזמה בארגון בטמפרטורה נמוכה של 2 דקות, לחץ ב-50 Pa והספק ב- 30 W. מבין חומרי הצימוד הנבחרים, לסוג A-187 יש את ההשפעה הטובה ביותר על שיפור ה-IFSS בין סיבי PBO ושרף אפוקסי, עם תכולה אופטימלית של 2%. (1) כאשר תכולת ה-A-187 היא 2%, ותנאי הטיפול בפלזמה בארגון בטמפרטורות נמוכות הם 2 דקות, 30 W ו-50 Pa, ה-IFSS של סיבי ה-PBO המתוקן יכול להגיע עד 10.44 MPa, אשר הוא עלייה של 52% בהשוואה לשימוש רק בסוכן הצימוד A-187 לשינוי, ועלייה של 78% בהשוואה ל-IFSS של הסיבים המקוריים. גם יכולת ההרטבה של סיבי PBO שופרה משמעותית. (2) עבור סיבי PBO ששונו על ידי פלזמה בטמפרטורה נמוכה של ארגון בשילוב עם חומר צימוד, הירידה ב-IFSS לאורך זמן אינה משמעותית; גם העלייה בזווית המגע אינה משמעותית, מראה נטייה ליציבות, ואף ישנה מגמת ירידה קלה. השפעת השפלה של סיבי PBO ששונו על ידי פלזמה בטמפרטורה נמוכה של ארגון בשילוב עם חומר צימוד אינה בולטת.
5.הכנה
PBO מסונתז על ידי עיבוי תמיסה של 4,6-diaminoresorcinol dihydrochloride (הידוע גם בשם DAR·2HCl) עם חומצה טרפתלית בממס של חומצה פולי-פוספורית (PPA), או באמצעות התייבשות באמצעות P2O5. PPA משמש הן כממס והן כזרז לפוליקונדנסציה. הסינתזה של המונומר DAR·2HCl פותחה בהצלחה על ידי Dow Chemical Company בארצות הברית, החל מטריכלורובנזן כחומר הגלם. שיטה זו מונעת היווצרות איזומרים במהלך הסינתזה, מניבה תפוקות גבוהות ומשחקת תפקיד משמעותי בייצור תעשייתי של PBO. את הסם הפולימרי מסתובב בתהליך טוויה יבש-רטוב, ולאחר מכן כביסה וייבוש. כאשר הוא מומס לתכונות גבישיות נוזליות, השימוש בסביבת גבישים נוזליים יכול ליצור מבנה שרשרת מורחב, כאשר הסיב המסתובב הראשוני (סיב AS - סוג סטנדרטי) בעל חוזק של מעל 3.53 N/tex ומודול אלסטי של מעל 10.84 N/ טקסט כדי לשפר את המודולוס, ניתן לבצע טיפול בחום בכ-600 מעלות, וכתוצאה מכך נוצר סיב מודולס גבוה (סיבי HM - סוג גבוה מודולוס) עם מודולוס של עד 176.4 N/tex תוך שמירה על אותו חוזק.
6.יישום
סיבי PBO מאופיינים בעמידות החום המצוינת שלהם, חוזק גבוה ומודולוס גבוה, מה שהופך אותם ליישום נרחב.
(1) יישומי נימה כוללים חומרי חיזוק למוצרי גומי כגון צמיגים, מסועים וצינורות; חומרי חיזוק לפלסטיק ובטון שונים; רכיבי חיזוק לטילים בליסטיים וחומרים מרוכבים; איברי מתח וממברנות הגנה עבור כבלים סיבים אופטיים; סיבי חיזוק לחוטי חשמל, חוטי אוזניות וחוטים גמישים אחרים; חומרים בעלי מתיחה גבוהה לחבלים וכבלים; חומרי סינון עמידים בחום לסינון בטמפרטורה גבוהה; ציוד מגן לטילים וכדורים, אפודים חסיני כדורים, קסדות חסינות כדורים וחליפות טיסה בעלות ביצועים גבוהים; ציוד ספורט לטניס, סירות מהירות, יאכטות מירוץ; דיאפרגמות רמקולים ברמה גבוהה, חומרי תקשורת חדשים; חומרי תעופה וחלל וכו'.
(2) יישומים של סיבים ועיסה קצוצים כוללים סיבי חיזוק לחומרי חיכוך ואטמי איטום; חומרים לשיפור שרפים ופלסטיקים שונים וכו'.
(3) יישומי חוט כוללים ביגוד כיבוי אש; בגדי עבודה עמידים בחום לטיפול במתכת מותכת, כגון יציקה ובגדי ריתוך; ביגוד מגן לעמידות לחתוך, כפפות בטיחות ונעלי בטיחות; חליפות נהג מרוצים, תלבושות רוכב; בגדי ספורט שונים וציוד ספורט פעיל; חליפות טייסים של קאראס; ציוד נגד חתכים וכו'.
(4) יישומים של סיבים קצרים כוללים בעיקר רפידות לבד חיץ עמידים בחום לעיבוד שחול אלומיניום; חומרי סינון עמידים בחום לסינון בטמפרטורה גבוהה; חגורות הגנה תרמיות וכו'.