做防弹衣的超级纤维：PBO纤维

PBO纤维PBO是聚对苯撑苯并双口恶唑纤维(Poly-p-phenylenebenzobisthiazole)的简称，是20世纪80年代美国为发展航天航空事业而开发的复合材料用增强材料，是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中有发展前途的一个成员，被誉为21世纪超级纤维。
1发展历史

PBO是由美国空军空气动力学开发研究人员发明的，首先由美国斯坦福(Stanford)大学研究所(SRI)拥有聚苯并唑的基本专利，以后美国陶氏(DOW)化学公司得到授权，并对PBO进行了工业性开发，同时改进了原来单体合成的方法，新工艺几乎没有同分异构体副产物生成，提高了合成单体的收率，打下了产业化的基础。1990年日本东洋纺公司从美国道化学公司购买了PBO专利技术。1991年由道一巴迪许化纤公司在日本东洋纺公司的设备上开发出PBO纤维，使PBO纤维的强度和模量大幅度上升，达到PPTA纤维的两倍。1994年，日本东洋纺公司得到道一巴迪许化纤公司的准许，出巨资30亿日元建成了400吨/年PBO单体和180吨/年纺丝生产线，并于1995年春开始投入部分机械化生产，1998年的生产能力达到200吨/年，商品名为Zylon。根据东洋纺对Zylon的发展计划，2000年的生产能力将达到380吨/年，2003年达到500吨/年，2008年达到1000吨/年。现在日本东洋纺仍然是世界上唯一一家可以进行商业化生产PBO纤维的公司。

2.PBO纤维的发展前景

近年来，欧美、日本等发达国家及其地区的高层建筑、大型桥梁、海洋工程等建筑领域广泛使用高性能纤维复合增强材料，将纤维布浸渍环氧树脂粘贴于混凝土表面，可以大幅度提高原结构的承载能力和抗地震能力。此外，在桥梁建筑方面，钢丝缆绳由于其自重不能用于长度较长的桥梁，而希望采用质量轻、强度高的缆绳，比强度高、尺寸稳定性好的由PBO纤维制作的缆绳就是好的选择。
PBO纤维在耐热材料领域中正在逐步替代传统材料石棉，且目前还在探索用PBO纤维在350℃以下的应用领域替代芳香族聚酰胺等难燃纤维。在350℃以上的应用替代不锈钢纤维或陶瓷纤维等无机纤维，由于无机纤维较硬，制品易出现伤痕，影响其使用性能，而PBO纤维完全有可能克服无机纤维的不足。以往的有机纤维耐热性不够(多在400℃以下),从而限制了有机纤维的应用发展，而PBO纤维分解温度达到650℃，是所有有机纤维中耐热温度高的。因此，对以前难以使用有机纤维在350℃以上的应用领域，用PB0纤维取而代之是完全可能的，并使PB0纤维耐热材料的应用得以拓宽与发展。
国外研究表明：在其他领域如电绝缘材料、卫星探测、轻质材料、汽车工业和深海油田开发等方面，PBO纤维还有很多的用武之地。PBO纤维作为高速列车车体不仅可减轻车身质量，还可以使车身强度增加；利用PBO纤维耐化学腐蚀性，可制成各种耐腐蚀防护服；在宇航方面为减轻有限的负担，PBO纤维适合于做宇宙空间使用的扣子、带子等；在从-10℃到地表温度460℃这样范围的宇宙空间环境下，它还可用作耐热性探测气球的材料；在体育竞技赛艇用帆方面主要用高强高模纤维制成的片状薄板式材料制作，为使帆布在受到风吹时具有小限度的变形程度，就必须寻求模量高的PBO纤维来制作赛艇用帆；鉴于PBO纤维优良的力学性能，它也是制造高尔夫球杆、网球拍、滑雪杖、滑雪板、冲浪板、射箭弓弦、自行车赛车好的材料。
PBO纤维关键技术研发与产业化发展，可以使我国PBO纤维摆脱长期受制于国外技术垄断与控制的困境，走上一条自主创新、前景光明、应用广阔的PBO纤维国产化、规模化发展之路，有助于我国航天航空、国防军工及民用工业等高性能PBO材料的开发应用与可持续发展。

3.纤维性能

据东洋纺报道，其高端PBO纤维产品的强度为5.8GPa（德国有报道为5.2GPa），模量180GPa，在现有的化学纤维中高；耐热温度达到600℃，极限氧指数68，在火焰中不燃烧、不收缩，耐热性和难燃性高于其它任何一种有机纤维。主要用于耐热产业纺织品和纤维增强材料。

PBO与其它高性能纤维的性能比较：

由表可见，PBO纤维的强度、模量、耐热性和抗燃性，特别是PBO纤维的强度不仅超过钢纤维，而且可凌驾于碳纤维之上。此外，PBO纤维的耐冲击性、耐摩擦性和尺寸稳定性均很优异，并且质轻而柔软，是极其理想的纺织原料。

PBO作为21世纪超性能纤维，具有十分优异的物理机械性能和化学性能，其强力、模量为Kevlar(凯夫拉)纤维的2倍并兼有间位芳纶耐热阻燃的性能，而且物理化学性能完全超过迄今在高性能纤维领域处于领先地位的Kevlar纤维。一根直径为1毫米的PBO细丝可吊起450千克的重量，其强度是钢丝纤维的10倍以上。

4.PBO纤维表面改性

PBO纤维和树脂基体间TIFSS提高，但过多的偶联剂会导致偶联剂交联层过厚，反而会TIFSS 降低．而等离子对纤维表面的刻蚀作用首先作用在偶联剂上，使得偶联剂形成接枝交联层，该偶联剂层对纤维能起到一定的保护作用， 因此PBO纤维的σ下降的不多。

分析可知，偶联剂与等离子结合起来改性的工艺条件是：A一187偶联剂的含量为2%，氩气低温等离子处理的时间为2 min ，压力为5Opa，功率为30W。在所选择的偶联剂中，A一187型偶联剂对提高PBO纤维的开发与环氧树脂间IFSS效果好，偶联剂的佳的含量2%．

(1)当A-187含量为2%，氩气低温等离子处理条件为2min，30W，50Pa时，改性后的PBO纤维的ΓIFSS胂高达lO．44MPa，相对于仅用偶联剂A-187改性的ΓIFSS提高了52%， 相对于原丝的ΓIFSS提高了78%。PBO纤维的浸润性也得到了很大的改善。

(2)氩气低温等离子结合偶联剂改性后的PBO纤维随着时问的推移，ΓIFSS的下降不明显；接触角增大的幅度也不明显，其变化趋向于平稳，还略有下降趋势。氩气低温等离子体结合偶联剂改性的PBO纤维的衰减效应不明显。

5制备

PBO是由4，6—二氨基苯酚盐酸盐(二氨基间苯二酚盐酸盐)与对苯二甲酸以多磷酸(PPA)为溶剂进行溶液缩聚而制得，也可利用P2O5脱水进行缩聚，PPA既是溶剂，也是缩聚催化剂。

单体二氨基间苯二酚的合成，美国道化学公司开发成功以三氯苯为起始原料进行合成，这样在合成过程中不会生成异构体，收率很高，对PBO的工业化生产起了很大的作用。
聚合物纺丝液用干—湿式纺丝法纺丝、水洗、干燥。纺丝液溶至液晶性，采用液晶纺丝法纺丝时能形成伸直链结构，初纺丝(AS丝—标准型)就具有3.53N/tex以上的强度和10.84N/tex以上的弹性模量。为了提高模量，可在约600℃的温度中进行热处理，得到模量达176.4N/tex而强度保持不变的高模量丝(HM丝—高模量型)。

6应用

PBO纤维的主要特点是耐热性好、强度和模量高，故应用广泛。

(1)长丝的应用，可用于轮胎、胶带(运输带)、胶管等橡胶制品的补强材料；各种塑料和混凝土等的补强材料；弹道导弹和复合材料的增强组分；纤维光缆的受拉件和光缆的保护膜；电热线、耳机线等各种软线的增强纤维；绳索和缆绳等高拉力材料；高温过滤用耐热过滤材料；导弹和子弹的防护设备、防弹背心、防弹头盔和高性能航行服；网球、快艇、赛艇等体育器材；高级扩音器振动板、新型通讯用材料；航空航天用材料等。

(2)短切纤和和浆粕的应用，可用于摩擦材料和密封垫片用补强纤维；各种树脂、塑料的增强材料等。

(3)纱线的应用，可用于消防服；炉前工作服、焊接工作服等处理熔融金属现场用的耐热工作服；防切伤的保护服、安全手套和安全鞋；赛车服、骑手服；各种运动服和活动性运动装备；Carrace飞行员服；防割破装备等。

(4)短纤维的应用，主要用于铝材挤压加工等用的耐热缓冲垫毡；高温过滤用耐热过滤材料；热防护皮带等。