1. تاریخچه توسعه
PBO توسط محققان توسعه آیرودینامیک از نیروی هوایی ایالات متحده اختراع شد. حق اختراع اولیه پلی بنزوکسازول در ابتدا متعلق به موسسه تحقیقاتی استنفورد (SRI) در دانشگاه استنفورد در ایالات متحده بود. بعداً، شرکت داو کمیکال مجوز دریافت کرد و PBO را به صورت صنعتی توسعه داد، در حالی که روش سنتز اصلی مونومر را نیز بهبود بخشید. فرآیند جدید تقریباً هیچ محصول جانبی ایزومری تولید نمیکند و بازده مونومر سنتز شده را افزایش میدهد و پایههای صنعتیسازی را میسازد. در سال 1990، شرکت Toyobo، Ltd. ژاپن فناوری ثبت اختراع PBO را از شرکت Dow Chemical خریداری کرد. در سال 1991، Dow-Badische Fibers Inc. فیبر PBO را بر روی تجهیزات Toyobo Co., Ltd. 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 شرکت Dow-Badische Fibers، شرکت Toyobo، 3 میلیارد ین ژاپن برای ساخت یک خط تولید با تولید سالانه 400 تن مونومر PBO و 180 تن ریسندگی سرمایه گذاری کرد. در بهار 1995 تولید جزئی مکانیزه را آغاز کرد و تا سال 1998 ظرفیت تولید به 200 تن در سال با نام تجاری Zylon رسید. با توجه به برنامه توسعه تویوبو برای زایلون، انتظار می رفت ظرفیت تولید در سال 2000 به 380 تن در سال، در سال 2003 به 500 تن در سال و در سال 2008 به 1000 تن در سال برسد. در حال حاضر، شرکت تویوبو تنها شرکت در این زمینه است. جهان قادر به تولید تجاری فیبر PBO است.
2. چشم انداز توسعه فیبر PBO
در سال های اخیر، کشورها و مناطق توسعه یافته مانند اروپا، آمریکا و ژاپن به طور گسترده ای از مواد کامپوزیت تقویت شده با الیاف با کارایی بالا در زمینه های ساخت و ساز ساختمان های بلند، پل های بزرگ و مهندسی دریایی استفاده کرده اند. 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 بهبود بخشید. 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 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 کاربردهای کمتر از 350 درجه برای جایگزینی الیاف ضد شعله مانند پلی آمیدهای معطر هستند. بالاتر از 350 درجه، آنها جایگزین الیاف معدنی مانند فولاد ضد زنگ یا الیاف سرامیکی می شوند. از آنجایی که الیاف معدنی سخت تر و مستعد خراش هایی هستند که عملکرد آنها را تحت تاثیر قرار می دهد، الیاف PBO این پتانسیل را دارند که بر این کاستی ها غلبه 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 دارای دمای تجزیه 650 درجه هستند که بالاترین درجه حرارت در بین تمام الیاف آلی است. بنابراین، جایگزینی الیاف آلی با الیاف PBO در کاربردهای بالاتر از 350 درجه که قبلاً استفاده از الیاف آلی دشوار بود کاملاً امکان پذیر است، بنابراین کاربرد مواد مقاوم در برابر حرارت الیاف PBO را گسترش و توسعه داد.
تحقیقات بین المللی نشان می دهد که الیاف PBO در زمینه های دیگر مانند مواد عایق الکتریکی، تشخیص ماهواره، مواد سبک وزن، صنعت خودروسازی و توسعه میدان نفتی در اعماق دریا کاربردهای زیادی دارند. الیاف PBO مورد استفاده در بدنه قطارهای پرسرعت نه تنها وزن وسیله نقلیه 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 هوافضا، برای کاهش بار محدود، الیاف PBO برای ساخت بست ها و تسمه های مورد استفاده در فضا مناسب هستند. در محدوده دمای کیهانی از -10 درجه تا 460 درجه، می توان از آنها به عنوان موادی برای بالن های تشخیص مقاوم در برابر حرارت نیز استفاده کرد. در قایقرانی مسابقات ورزشی، بادبان ها عمدتاً از مواد نازک صفحه مانند فیبر ساخته شده با استحکام بالا و مدول بالا ساخته می شوند. برای به حداقل رساندن تغییر شکل هنگام وزش بادبان ها توسط باد، الیاف PBO با بالاترین مدول باید برای ساخت بادبان های بادبانی رقابتی 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، رشته کمان تیراندازی و دوچرخه های مسابقه ای هستند.
تحقیق و توسعه فناوری کلیدی و صنعتیسازی الیاف PBO میتواند چین را قادر سازد تا از کنترل بلندمدت و انحصار فناوری خارجی رهایی یابد، مسیر نوآوری مستقل، چشماندازهای روشن و کاربرد گسترده توسعه داخلی و در مقیاس بزرگ را در پیش بگیرد. 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
طبق گزارش های تویوبو، محصول رده بالای فیبر PBO آنها دارای قدرت 5.8 گیگا پاسکال (در آلمان به عنوان 5.2 گیگا پاسکال گزارش شده)، مدول 180 گیگا پاسکال است که بالاترین میزان در بین الیاف شیمیایی موجود است. این می تواند دمای تا 600 درجه را با شاخص اکسیژن محدود 68 تحمل کند و در شعله های آتش نمی سوزد یا منقبض می شود و نسبت به هر فیبر آلی دیگر مقاومت حرارتی و مقاوم در برابر شعله را نشان می دهد. این عمدتا برای منسوجات صنعتی مقاوم در برابر حرارت و مواد تقویت شده با الیاف استفاده می شود.
مقایسه عملکرد PBO با سایر الیاف با کارایی بالا:
همانطور که از جدول مشاهده می شود، الیاف PBO دارای استحکام، مدول، مقاومت در برابر حرارت و بازدارندگی شعله بالاتری هستند. قابل توجه است که استحکام الیاف PBO نه تنها از الیاف فولادی بیشتر است بلکه از الیاف کربن نیز بیشتر است. علاوه بر این، الیاف PBO در مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر سایش و پایداری ابعادی عالی هستند. آنها همچنین سبک و انعطاف پذیر هستند و آنها را به یک ماده خام نساجی ایده آل تبدیل می کند.
PBO، به عنوان یک فیبر فوق العاده در قرن بیست و یکم، دارای خواص فیزیکی و مکانیکی فوق العاده و همچنین خواص شیمیایی است. استحکام و مدول آن دو برابر الیاف کولار است و همچنین دارای مقاومت حرارتی و مقاوم در برابر شعله الیاف متاآرامید است. علاوه بر این، خواص فیزیکی و شیمیایی آن کاملاً بهتر از الیاف کولار است که تاکنون در زمینه الیاف با کارایی بالا پیشرو بوده است. یک فیلامنت PBO با قطر 1 میلی متر می تواند وزنی معادل 450 کیلوگرم را که بیش از ده برابر الیاف فولادی استحکام دارد، بلند کند.
4. اصلاح سطح الیاف PBO
افزایش TIFSS (مقاومت برشی سطحی) بین الیاف PBO و ماتریس رزین بهبود مییابد، اما زیادهروی عوامل جفتکننده میتواند منجر به لایه اتصال عرضی ضخیمتری از عامل جفتکننده شود که به نوبه خود TIFSS را کاهش میدهد. اثر اچینگ پلاسما بر روی سطح الیاف در درجه اول بر روی عامل جفت کننده عمل می کند و امکان تشکیل یک لایه اتصال عرضی پیوندی را فراهم می کند. این لایه عامل جفت کننده حفاظت خاصی را برای الیاف فراهم می کند، بنابراین کاهش σ (استحکام) الیاف PBO قابل توجه نیست.
می توان تجزیه و تحلیل کرد که شرایط بهینه برای فرآیند ترکیبی اصلاح با عوامل جفت کننده و پلاسما عبارتند از: محتوای A{0}} عامل جفت کننده در 2٪، زمان درمان پلاسما در دمای پایین آرگون برای 2 دقیقه، فشار در 50Pa. و قدرت در 30 وات. از بین عوامل کوپلینگ انتخابی، A{6}} بهترین اثر را در بهبود IFSS بین الیاف PBO و رزین اپوکسی با محتوای بهینه 2% دارد.
(1) هنگامی که محتوای A{1}} 2% باشد و شرایط تصفیه پلاسمای دمای پایین آرگون 2 دقیقه، 30 وات و 50 پاسکال باشد، GIFSS فیبر PBO اصلاح شده (مقاومت برشی سطحی) می تواند به 10.44 برسد. MPa این نشان دهنده افزایش 52 درصدی در مقایسه با استفاده از عامل جفت کننده A برای اصلاح و 78 درصد افزایش نسبت به GIFSS فیبر اصلی است. ترشوندگی الیاف PBO نیز تا حد زیادی بهبود یافته است.
(2) برای الیاف PBO اصلاح شده توسط پلاسمای با دمای پایین آرگون همراه با یک عامل جفت کننده، کاهش GIFSS در طول زمان قابل توجه نیست. افزایش زاویه تماس نیز قابل توجه نیست و تمایل به ثبات با یک روند نزولی جزئی را نشان می دهد. بنابراین، 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،{1}}دیامینورسورسینول هیدروکلراید (DAR·HCl) با اسید ترفتالیک با استفاده از پلی فسفریک اسید (PPA) به عنوان یک حلال تهیه می شود. متناوبا، می توان آن را با استفاده از کم آبی P2O5 برای چند تراکم سنتز کرد. PPA هم به عنوان حلال و هم به عنوان یک کاتالیزور برای پلی تراکم عمل می کند.
سنتز مونومر دی آمینو رزورسینول با موفقیت توسط شرکت آمریکایی داو شیمیایی توسعه یافته است و با تری کلروبنزن به عنوان ماده اولیه شروع شده است. این روش از تولید ایزومرها در طول فرآیند سنتز جلوگیری می کند و نرخ بازیابی بالایی را به همراه دارد که نقش مهمی در تولید صنعتی PBO ایفا می کند.
دوپ پلیمری با استفاده از روش ریسندگی خشک و مرطوب و به دنبال آن شستشو و خشک کردن چرخانده می شود. هنگامی که محلول ریسندگی برای تشکیل کریستال های مایع حل می شود و از ریسندگی کریستال مایع استفاده می شود، می تواند یک ساختار زنجیره ای گسترده را تشکیل دهد. الیاف چرخانده اولیه (نوع استاندارد فیبر AS) در حال حاضر دارای استحکام بیش از 3.53N/tex و مدول الاستیک بیش از 10.84N/tex است. برای افزایش مدول، عملیات حرارتی را می توان در حدود 600 درجه انجام داد، که منجر به یک فیبر مدول بالا (نوع مدول بالا فیبر HM) با مدول رسیدن به 176.4N/tex و در عین حال حفظ همان استحکام می شود.
6. برنامه های کاربردی
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 فیلم های محافظ برای کابل های فیبر نوری؛ الیاف تقویت کننده برای سیم های گرمایش الکتریکی، کابل های 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 مسابقه و غیره؛ دیافراگم بلندگوهای درجه بالا، مواد ارتباطی جدید؛ مواد هوافضا و غیره
(2) کاربردهای الیاف و خمیر خرد شده شامل الیاف تقویت کننده برای مواد اصطکاکی و واشرهای آب بندی می باشد. 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 عملیات های جوشکاری و جلوی کوره؛ 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) کاربرد الیاف کوتاه عمدتاً برای پد بافر مقاوم در برابر حرارت است که در پردازش اکستروژن آلومینیوم استفاده می شود. مواد فیلتر مقاوم در برابر حرارت برای فیلتراسیون در دمای بالا؛ تسمه های محافظ حرارتی و غیره