1. تاریخچه توسعه
PBO توسط محققان آیرودینامیک از نیروی هوایی ایالات متحده اختراع شد. ثبت اختراع اولیه پلی بنزوتیازول توسط موسسه تحقیقاتی استنفورد (SRI) در ایالات متحده برگزار شد. بعداً شرکت داو کمیکال مجوز را گرفت و PBO را به صورت صنعتی توسعه داد و در عین حال روش سنتز مونومر اصلی را نیز بهبود بخشید. فرآیند جدید تقریباً هیچ محصول جانبی ایزومری تولید نمیکند و بازده مونومرهای سنتز شده را افزایش میدهد و پایههای صنعتیسازی را ایجاد میکند. در سال 1990، شرکت تویوبوی ژاپن فناوری ثبت اختراع PBO را از داو کیمیکال خریداری کرد. در سال 1991، شرکت نساجی Dow-Badische فیبر PBO را روی تجهیزات تویوبو توسعه داد و به طور قابل توجهی استحکام و مدول فیبر PBO را به دو برابر فیبر PPTA افزایش داد. در سال 1994، با مجوز از شرکت نساجی Dow-Badische، تویوبو 3 میلیارد ین برای ساخت یک خط تولید با قابلیت تولید 400 تن در سال مونومرهای PBO و 180 تن در سال ریسندگی سرمایهگذاری کرد. تولید جزئی مکانیزه در بهار 1995 آغاز شد و تا سال 1998 ظرفیت تولید با محصول به نام Zylon به 200 تن در سال رسید. با توجه به برنامه توسعه تویوبو برای Zylon، انتظار می رفت ظرفیت تولید تا سال 2000 به 380 تن در سال، تا سال 2003 به 500 تن در سال و تا سال 2008 به 1000 تن در سال برسد. در حال حاضر، تویوبو تنها شرکت در جهان است که توانایی تجاری دارد. تولید فیبر PBO
2.چشم انداز توسعه الیاف PBO
در سالهای اخیر، مواد تقویتکننده کامپوزیت الیافی با کارایی بالا بهطور گسترده در زمینههای ساختمانی مانند ساختمانهای بلند، پلهای بزرگ، و مهندسی دریایی در کشورهای توسعهیافته و مناطقی مانند اروپا، آمریکا و ژاپن استفاده شدهاند. با آغشته کردن پارچه الیافی به رزین اپوکسی و چسباندن آن به سطح بتن می توان ظرفیت باربری و مقاومت سازه اصلی در برابر زلزله را به میزان قابل توجهی افزایش داد. علاوه بر این، در ساخت پل، کابل های فولادی به دلیل وزن خود، برای پل های طولانی تر قابل استفاده نیستند. در عوض، کابل های سبک تر و قوی تر ترجیح داده می شود. کابل های ساخته شده از الیاف PBO که دارای استحکام ویژه بالا و پایداری ابعادی خوبی هستند، بهترین انتخاب هستند. الیاف PBO به تدریج جایگزین مواد آزبست سنتی در زمینه مواد مقاوم در برابر حرارت می شوند و در حال حاضر در حال بررسی جایگزینی پلی آمیدهای معطر و سایر الیاف مقاوم در برابر شعله در دمای زیر 350 درجه هستند. در دمای بالاتر از 350 درجه، آنها جایگزین الیاف فولاد ضد زنگ یا الیاف سرامیکی و سایر الیاف معدنی می شوند. از آنجایی که الیاف معدنی بسیار سخت هستند و مستعد ایجاد خراش هایی هستند که بر عملکرد آنها تأثیر می گذارد، الیاف PBO احتمالاً بر کاستی های الیاف معدنی غلبه می کنند. قبلاً مقاومت حرارتی الیاف آلی کافی نبود (عمدتاً زیر 400 درجه) که توسعه کاربرد آنها را محدود می کرد. با این حال، الیاف PBO دمای تجزیه تا 650 درجه دارند که بالاترین درجه حرارت در بین تمام الیاف آلی است. بنابراین، جایگزینی استفاده از الیاف آلی در کاربردهای بالاتر از 350 درجه با الیاف PBO کاملاً امکان پذیر است و در نتیجه کاربرد مواد مقاوم در برابر حرارت فیبر PBO گسترش و توسعه می یابد. تحقیقات بین المللی نشان می دهد که الیاف PBO کاربردهای بالقوه زیادی در زمینه های دیگر مانند مواد عایق الکتریکی، تشخیص ماهواره، مواد سبک وزن، صنعت خودروسازی و توسعه میدان نفتی در اعماق دریا دارند. الیاف PBO به عنوان یک ماده بدنه قطار سریع السیر نه تنها وزن بدن را کاهش می دهد بلکه استحکام آن را نیز افزایش می دهد. با استفاده از مقاومت شیمیایی الیاف PBO می توان انواع لباس های محافظ مقاوم در برابر خوردگی را ساخت. در اکتشاف فضا، برای کاهش بار محدود، الیاف PBO برای ساخت بست ها و تسمه های مورد استفاده در فضا مناسب هستند. در محدوده دمای محیط فضای کیهانی از -10 درجه تا 460 درجه، می توان از آن به عنوان ماده ای برای بالن های تشخیص مقاوم در برابر حرارت نیز استفاده کرد. در زمینه قایقرانی مسابقات ورزشی، بادبان ها عمدتاً از صفحات نازک ورقه مانند ساخته شده از الیاف با استحکام و مدول بالا ساخته می شوند. برای به حداقل رساندن تغییر شکل بادبان ها هنگام قرار گرفتن در معرض باد، الیاف PBO با بالاترین مدول باید برای تولید بادبان های مسابقه ای جستجو شود. با توجه به خواص مکانیکی عالی الیاف PBO، آنها همچنین بهترین مواد برای ساخت چوب گلف، راکت تنیس، چوب اسکی، تخته اسکی، تخته موج سواری، کمان تیراندازی با کمان و چرخ های مسابقه دوچرخه هستند. تحقیق و توسعه فناوری کلیدی و صنعتی سازی الیاف PBO می تواند چین را قادر سازد تا از کنترل بلندمدت و انحصار فناوری خارجی رهایی یابد و در مسیر نوآوری مستقل، چشم اندازهای روشن و کاربرد گسترده توسعه داخلی و در مقیاس بزرگ قدم بگذارد. از الیاف PBO این به توسعه و استفاده پایدار از مواد PBO با کارایی بالا در صنایع هوافضا، دفاع ملی، نظامی و غیرنظامی چین کمک خواهد کرد.
3. خواص فیبر
بر اساس گزارش های تویوبو، قدرت محصول الیاف PBO پیشرفته آن 5.8 گیگا پاسکال (در آلمان به عنوان 5.2 گیگا پاسکال گزارش شده است)، با مدول 180 گیگا پاسکال، بالاترین در میان الیاف شیمیایی موجود است. این می تواند تا دمای 600 درجه را تحمل کند و دارای شاخص اکسیژن محدود 68 است، در شعله نمی سوزد یا منقبض نمی شود و نسبت به هر فیبر آلی دیگر مقاومت حرارتی و تاخیر شعله بالاتری را نشان می دهد. در درجه اول برای منسوجات صنعتی مقاوم در برابر حرارت و مواد تقویت شده با الیاف استفاده می شود.
مقایسه PBO با سایر الیاف با کارایی بالا: استحکام، مدول، مقاومت در برابر حرارت، و تاخیر در شعله الیاف PBO، به ویژه استحکام آن، نه تنها از الیاف فولادی بیشتر است، بلکه از الیاف کربن نیز فراتر می رود. علاوه بر این، فیبر PBO مقاومت بسیار خوبی در برابر ضربه، مقاومت در برابر سایش و پایداری ابعادی دارد و سبک و نرم است و آن را به یک ماده خام نساجی بسیار ایده آل تبدیل می کند.
PBO، به عنوان یک فیبر فوق العاده در قرن بیست و یکم، دارای خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی برجسته ای است. استحکام و مدول آن دو برابر الیاف کولار است و همچنین دارای مقاومت حرارتی و مقاوم در برابر شعله الیاف متاآرامید است، با خواص فیزیکی و شیمیایی کلی که به طور کامل از الیاف کولار که در زمینه کارایی بالا پیشرو بوده اند، پیشی گرفته است. الیاف یک رشته PBO با قطر 1 میلی متر می تواند وزنی معادل 450 کیلوگرم را که بیش از ده برابر الیاف سیم فولادی استحکام دارد، بلند کند.
4. اصلاح سطح الیاف PBO.
استحکام برشی سطحی (IFSS) بین الیاف PBO و ماتریس رزین را می توان افزایش داد، اما مقدار بیش از حد عامل جفت کننده ممکن است منجر به یک لایه اتصال عرضی ضخیم از عامل جفت شود که به نوبه خود باعث کاهش IFSS می شود. اچ پلاسما بر روی سطح الیاف در درجه اول بر عامل جفت کننده تأثیر می گذارد و یک لایه اتصال عرضی پیوندی را تشکیل می دهد که محافظت خاصی برای الیاف ایجاد می کند، بنابراین کاهش σ الیاف PBO قابل توجه نیست. تجزیه و تحلیل نشان می دهد که شرایط بهینه برای فرآیند ترکیبی عامل جفت و اصلاح پلاسما عبارتند از: محتوای عامل جفت کننده در 2٪، زمان درمان پلاسمایی با دمای پایین آرگون 2 دقیقه، فشار در 50 Pa، و قدرت در 30 W. در بین عوامل کوپلینگ انتخاب شده، نوع A{6}} بهترین اثر را در بهبود IFSS بین الیاف PBO و رزین اپوکسی با محتوای بهینه 2% دارد. (1) هنگامی که محتوای A-187 2% باشد و شرایط تصفیه پلاسمایی با دمای پایین آرگون 2 دقیقه، 30 وات و 50 پاسکال باشد، IFSS فیبرهای PBO اصلاح شده میتواند تا 10.44 مگاپاسکال برسد. در مقایسه با استفاده از تنها عامل جفت کننده A{18}} برای اصلاح، 52 درصد افزایش و نسبت به IFSS الیاف اصلی 78 درصد افزایش یافته است. ترشوندگی الیاف PBO نیز به طور قابل توجهی بهبود یافته است. (2) برای الیاف PBO اصلاح شده توسط پلاسمای با دمای پایین آرگون همراه با یک عامل جفت کننده، کاهش IFSS در طول زمان قابل توجه نیست. افزایش زاویه تماس نیز قابل توجه نیست و تمایل به ثبات را نشان می دهد و حتی یک روند نزولی جزئی وجود دارد. اثر تخریب الیاف PBO اصلاح شده توسط پلاسمای دمای پایین آرگون همراه با یک عامل جفت کننده مشخص نیست.
5. آماده سازی
PBO با پلی تراکم محلول 4 دیآمینورسورسینول دی هیدروکلراید (همچنین به عنوان DAR·2HCl شناخته میشود) با اسید ترفتالیک در حلال پلیفسفریک اسید (PPA) یا از طریق آبگیری با استفاده از P2O5 سنتز میشود. PPA هم به عنوان حلال و هم به عنوان یک کاتالیزور برای پلی تراکم عمل می کند. سنتز مونومر DAR·2HCl با موفقیت توسط شرکت Dow Chemical در ایالات متحده توسعه یافت و از تری کلروبنزن به عنوان ماده اولیه شروع شد. این روش از تشکیل ایزومرها در حین سنتز جلوگیری می کند و بازده بالا را به همراه دارد و نقش مهمی در تولید صنعتی PBO ایفا می کند. دوپ پلیمری با استفاده از یک فرآیند ریسندگی خشک و مرطوب و به دنبال آن شستشو و خشک کردن چرخانده می شود. هنگامی که به خواص کریستالی مایع حل می شود، استفاده از ریسندگی کریستال مایع می تواند یک ساختار زنجیره ای گسترده ایجاد کند، با الیاف چرخانده اولیه (الیاف AS - نوع استاندارد) دارای استحکام بیش از 3.53 N/tex و مدول الاستیک بیش از 10.84 N/. تکس برای بهبود مدول، عملیات حرارتی را می توان در حدود 600 درجه انجام داد که در نتیجه یک فیبر مدول بالا (HM fiber - نوع مدول بالا) با مدول تا 176.4 N/tex با حفظ همان استحکام ایجاد می شود.
6. کاربرد
الیاف PBO با مقاومت عالی در برابر حرارت، استحکام بالا و مدول بالا مشخص می شوند و به طور گسترده ای قابل استفاده هستند.
(1) کاربردهای فیلامنت شامل مواد تقویت کننده برای محصولات لاستیکی مانند لاستیک، تسمه نقاله و شیلنگ است. مواد تقویت کننده برای انواع پلاستیک و بتن؛ اجزای تقویت کننده موشک های بالستیک و مواد کامپوزیتی؛ اعضای کششی و غشاهای محافظ برای کابل های فیبر نوری؛ الیاف تقویت کننده برای سیم های برق، سیم هدفون و سایر سیم های انعطاف پذیر. مواد با کشش بالا برای طناب و کابل؛ مواد فیلتر مقاوم در برابر حرارت برای فیلتراسیون در دمای بالا؛ تجهیزات حفاظتی برای موشک و گلوله، جلیقه ضد گلوله، کلاه ایمنی ضد گلوله، و لباس پرواز با کارایی بالا؛ تجهیزات ورزشی برای تنیس، قایق های تندرو، قایق های تفریحی مسابقه ای؛ دیافراگم بلندگوهای درجه یک، مواد ارتباطی جدید؛ مواد هوافضا و غیره
(2) کاربردهای الیاف و خمیر خرد شده شامل الیاف تقویت کننده برای مواد اصطکاک و واشرهای آب بندی است. مواد تقویت کننده برای انواع رزین ها و پلاستیک ها و غیره
(3) کاربردهای نخ شامل لباس های آتش نشانی است. لباس کار مقاوم در برابر حرارت برای جابجایی فلزات مذاب، مانند پوشاک ریخته گری و جوشکاری؛ لباس محافظ برای مقاومت برش، دستکش ایمنی و کفش ایمنی؛ لباس راننده ماشین مسابقه، لباس جوکی؛ انواع لباس ورزشی و تجهیزات ورزشی فعال؛ لباس خلبانی Carrace; تجهیزات ضد برش و غیره
(4) کاربردهای الیاف کوتاه عمدتاً شامل پدهای نمدی بافر مقاوم در برابر حرارت برای پردازش اکستروژن آلومینیوم است. مواد فیلتر مقاوم در برابر حرارت برای فیلتراسیون در دمای بالا؛ تسمه های محافظ حرارتی و غیره