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“21世紀超級纖維”技術(shù)壟斷，PBO在我國的發(fā)展旅程
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2023-04-18 16:25:05
你了解過嗎？其實聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維是有機高性能纖維中力學(xué)性能和耐熱性最高的品種！科研人員以打破國外壟斷為動力，國內(nèi)企業(yè)以量產(chǎn)關(guān)鍵材料為目標(biāo)，經(jīng)過多年努力，中國PBO纖維實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。



PBO的工業(yè)化生產(chǎn)始于上世紀末的1998年，因其優(yōu)異的性能一出現(xiàn)就引起極大關(guān)注，被稱為“21世紀超級纖維”。



PBO為什么能被稱為“21世紀超級纖維”？



PBO纖維是目前強度最高、綜合性能最好的高性能有機纖維，是繼芳綸纖維、碳纖維之后的新一代高性能纖維。其突出性能優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾方面：



力學(xué)性能優(yōu)異，PBO纖維強度達到5.8GPa（芳綸為2.9～3.4GPa），模量達到280GPa（芳綸為64～144GPa），為有機纖維中最高，同時也高于碳纖維等無機高性能纖維；



耐熱性能好，PBO纖維熱分解溫度達到650℃，同樣為有機纖維中最高，耐熱工作溫度比芳綸高100℃左右；



阻燃性能優(yōu)異，PBO纖維極限氧指數(shù)達到68%（芳綸為29%），在有機纖維中僅次于聚四氟乙烯纖維；



化學(xué)穩(wěn)定性極好，除溶解于100%的濃硫酸、甲基磺酸、多聚磷酸等強酸外 , 在其他所有的有機溶劑和堿中都是穩(wěn)定的，強度幾乎不變。



因此，PBO纖維被認為是下一代裝甲防護用基礎(chǔ)材料及航天結(jié)構(gòu)部件、航空結(jié)構(gòu)/隱身領(lǐng)域的關(guān)鍵原材料，同時在光纜、車輛防護、人體防護、建筑增強和體育用品等民用領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景，是一種軍民兩用的高端纖維材料，對支撐傳統(tǒng)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)性能跨越式提升、推動升級換代具有重要意義。



最新研發(fā)進展評述



PBO纖維是由美國發(fā)明的一種新型高性能纖維，日本東洋紡公司從美國購買了PBO纖維專利技術(shù)。隨后，東洋紡公司建成了PBO纖維生產(chǎn)線，成為世界上唯一一家可以工業(yè)化批量生產(chǎn)PBO纖維的公司，東洋紡公司的PBO纖維卻不對中國出售。



工業(yè)化批量生產(chǎn)PBO纖維是一道難題，但沒有難倒中國。中科金綺打破了國外封鎖，率先建成了國內(nèi)首條PBO纖維工業(yè)化生產(chǎn)線，實現(xiàn)了PBO纖維的工業(yè)化批量生產(chǎn)。



中科金綺的民用PBO纖維已經(jīng)實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，可用于防護、消防、耐溫墊材、高溫濾材等。中科金綺用于火箭殼體的PBO纖維，經(jīng)過測試，各主要性能指標(biāo)均能夠滿足測試標(biāo)準(zhǔn)，個別數(shù)據(jù)超過國外同類產(chǎn)品。



中科金綺的PBO纖維還成功應(yīng)用于國內(nèi)飛機的黑匣子殼體，PBO纖維是制造飛機黑匣子的理想材料，其透波率高達98%以上，在海水里三個月也不會腐爛，在火焰中不燃燒、不收縮，并且具有耐沖擊性，對飛機黑匣子起到保護作用。



另外，新晨新材建成了年產(chǎn)380噸的PBO纖維生產(chǎn)線，中國已經(jīng)有兩家企業(yè)可以PBO纖維工業(yè)化量產(chǎn)PBO纖維。



PBO纖維的工業(yè)化生產(chǎn)中的問題



進入21世紀的十多年來，PBO纖維的工業(yè)化生產(chǎn)在規(guī)模上穩(wěn)定推進。



但仍會面對一些問題：一是PBO纖維生產(chǎn)過程控制難度高，表現(xiàn)在聚合階段因為HCl氣體脫除引發(fā)的聚合相對不穩(wěn)；二是PBO纖維光穩(wěn)定性和軸向壓縮性能有待提升；三是PBO纖維作為增強材料時與基體的界面粘結(jié)問題。



對此，近十幾年來的國內(nèi)外積極開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究。目前，國內(nèi)在改善PBO纖維光穩(wěn)定性、軸向壓縮性能、與樹脂界面結(jié)合力等方面的研究已居世界先進水平。



PBO纖維的切割技術(shù)突破



PBO這類纖維復(fù)合材料整體優(yōu)良的特性，在帶來優(yōu)良力學(xué)性能和廣闊應(yīng)用場景的同時，對加工也提出了很多要求。據(jù)了解，PBO纖維的“斷離”方式主要以傳統(tǒng)機械加工為主，容易出現(xiàn)刀具磨損、纖維損傷、基體結(jié)構(gòu)應(yīng)力破壞以及加工柔性差等問題，難以滿足一些對高精度裝配所需的高品質(zhì)切割要求。



激光加工有望克服以上難題，尤其是超短脈沖皮秒激光的冷加工，切割效果好，速度快，無機械應(yīng)力也能保護材料本身，是可靠的加工利刃。



PBO性能概述



目前PBO主要有PBO-AS（初生纖維）和PBO-HM（高模量纖維）兩種規(guī)格，PBO-HM是通過對PBO-AS進行高溫?zé)崽幚砗蟮玫剑诶鞆姸缺３植蛔兓蚵杂邢陆档幕A(chǔ)上，模量由110GPa提高至200GPa。



PBO-HM對應(yīng)更高結(jié)晶程度、更少結(jié)構(gòu)缺陷，更能滿足航空航天承力部件等的要求。例如作為航天飛行器的機翼、固體火箭發(fā)動機機身、運動帆船的主纜、操縱桿等都需要PBO-HM作為原料；PBO-AS在消防服、壓力器具、纜繩、高溫過濾、鋁合金和玻璃工業(yè)耐高溫氈等方面有重要應(yīng)用。



國內(nèi)對高性能PBO纖維的研究前后已歷經(jīng)20多年，關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)性問題已經(jīng)得到解決。



掌握了PBO聚合的工藝控制技術(shù)和液晶干噴濕紡成型高性能PBO纖維的紡絲工藝和技術(shù)。發(fā)現(xiàn)了提高PBO纖維光穩(wěn)定性、軸向壓縮性能以及其作為復(fù)合材料增強體時界面粘結(jié)性能的有效途徑。在PBO纖維應(yīng)用方面也開展了樹脂浸膠工藝技術(shù)，壓力容器纏繞成型等的研究。



但工業(yè)化生產(chǎn)中的工程化技術(shù)包括設(shè)備和工藝控制仍需要在實踐中不斷優(yōu)化。



PBO纖維應(yīng)用前瞻



基于PBO纖維的高強高模耐高溫和阻燃特性，其應(yīng)用前瞻包括如下：



1. 航空航天



PBO纖維以更高比強度、模量取代玻璃纖維甚至碳纖維作為復(fù)合材料增強體，在無人飛機機身、機翼制造，隱身飛機透波層材料等方面將體現(xiàn)優(yōu)越性，實現(xiàn)更強更輕和在溫度極端變化環(huán)境下性能保持的要求。



2. 交通運輸



列車上的承力及非承力構(gòu)件，例如車頭，車身，轉(zhuǎn)向盤，座椅等。以PBO纖維復(fù)合材料代替碳纖維復(fù)合材料能進一步減重，對于高速列車運行節(jié)省電力，提高載客能力具有重要意義。



3. 高溫生產(chǎn)



PBO纖維是鋁合金和玻璃加工業(yè)耐高溫墊氈的優(yōu)良原料，比芳綸氈使用壽命長。



4. 新能源



燃料電池也是未來汽車能源的一種重要方向，其中氫氣的儲存需要壓力容器，PBO纖維纏繞成型可滿足要求。



文章來源： 材料PLUS，前沿科技FrontierTec，科工世界，納飛小峰

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