聚苯并恶唑纤维研究进展

张蕊，周博，李贤宇

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

聚苯并恶唑纤维研究进展

张蕊，周博，李贤宇

（天津渤海职业技术学院，天津 300402）

聚苯并恶唑纤维是新一代高性能高分子材料，具有优异的力学性能、耐高温、优良的环境稳定性以及高的比强度和比模量。本文对聚苯并恶唑纤维近年来的发展作一些介绍。

聚苯并恶唑纤维；性能；应用

聚苯并恶唑 (PBO)是新一代高性能高分子材料。聚苯并恶唑的化学结构为：

1 PBO纤维的发展

PBO纤维是高性能有机纤维市场的一个较新品种，Toyobo与Dow公司联合于1998年首次推出商品Zylon纤维[1]。1998年的11月下旬，日本东洋纺纤维公司研究开发了高功能性聚苯并恶唑纤维，并率先投入工业化生产[2]。据介绍，这种新型高功能性纤维在空气中的热解温度可达650℃，在316℃环境下经100h仍能保持其质量无损，纤维无熔点，工作温度可达330℃左右[3]。纤维的强度是芳香族纤维的2倍，极限模量是芳香族纤维的2.5倍。作为一种新型高功能纤维，可用来生产特种织物，供航天、航海、阻燃和各种防护服用。目前该种纤维生产技术主要被日本东洋纺纤维公司掌握,1999年时的产能是190t左右，2001年末时增加到400t。由于该种纤维比其它高功能性纤维更优秀，加上没有竞争对手，发展前景被专家普遍看好。

2 PBO纤维的性能

聚苯并恶唑聚合物纺丝液用干-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10．84 N/tex以上的弹性模量[4]。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）。

聚苯并恶唑作为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，并具有阻燃性、耐高温高压、抗老化和耐摩擦等性能，可广泛应用于航空航天、防火服等领域，它的极限氧指数LOI是68，是目前有机高分子纤维中最高的。TGA显示出其热失重起始温度为650℃，比全芳香族聚酞胺纤维高100℃，在有机纤维中耐热性、难燃性是最好的。ZYLON(PBO商品名)具有耐化学试剂性，对有机溶剂、以及醇是稳定的，强度几乎不变，耐酸、耐漂白剂、耐紫外光。ZYLON可用于增强材料、体育用品、耐热耐光材料及航空航天用材料[1]。

聚苯并恶唑纤维强度和刚性都很大，有极好的耐氧化、耐潮湿、耐紫外光和耐辐照性能，绝缘和热稳定性良好，工作温度高达300～500℃。聚苯并恶唑具有相当高的耐热性，聚合物不熔融，也没有玻璃化转变，在惰性气体中，起始热分解温度为650℃，在316℃下，经100h处理，重量保持不变。371℃下50h后重量保持80%，650℃以上才分解。采用TGMS分析表明，在660℃以上，分解产物为CO2、CO、HCN等，聚合物不溶不熔。耐化学药品性能极好，除溶解于100%的浓硫酸、甲基磺酸、氯磺酸等强酸外，不溶于任何其它化学溶剂[5]。

3 PBO纤维的改性

由于PBO纤维的表面呈现很强的惰性，限制PBO树脂基复合材料的应用。因此必须对其维表面进行处理，以改善复合材料的界面粘结，充分发挥PBO纤维的性能扩大应用领域。

化学处理法：利用强质子酸如甲基磺酸（MeSA)、PPA等对聚苯并恶唑分子链中的杂原子进行质化，降低分子间的相互作用，从而可以溶解刻蚀PBO纤维皮层，增加纤维表面粗糙程度，达到改纤维与树脂间的界面结合的目的。罗果[6]采用磷以及其乙醇溶液（体积比1∶1）对PBO纤维进行表面处理。PBO纤维经两种溶液分别处理1min和5min后，纤维/树脂的界面粘结强度分别提高了24%和55%[6]。

偶联剂处理法：用偶联剂处理PBO纤维不会影响纤维本身的力学性能且改性效果较好。但PBO常被用在高温领域，对偶联剂的耐热性能也提出了很高的要求[5]。王斌等[3]采用5种不同化学结构的硅烷偶联剂，对PBO纤维表面进行了涂层处理，PBO纤维与树脂基体间的兼容性和化学反应活性得到了改善，从而提高了PBO纤维/树脂复合材料界面的粘结强度。

等离子处理法：利用氨气、氧气、空气等不同气氛等离子体刻蚀纤维的皮层，增大纤维的比表面积，从而可以提高纤维树脂间的单丝拔出强度。周雪松等[1]采用低温等离子体表面处理技术对聚苯并恶唑纤维表面进行改性。发现经低温氦气等离子处理后，聚苯并恶唑纤维表面亲水性增强，聚苯并恶唑纤维/环氧树脂的界面剪切强度提高了42%。李瑞华等[1]采用空气等离子体处理的方法对聚苯并恶唑纤维表面进行改性，纤维表面润湿性得到改善，纤维表面的苯环上引入了很多经基，等离子体处理最佳条件下(170W，10min)，纤维表面粗糙度最大，纤维表面氧元素含量最大，氧/碳比率提高了50．5%，界面剪切强度提高了64．7%。

电晕处理法：王斌等[3]对聚苯并恶唑纤维表面进行了电晕处理，纤维表面含氧量增多，表面浸润性得到改善，单丝拔出的聚苯并恶唑纤维/环氧树脂界面剪切强度提高了25．6%。这种方法对改善聚苯并恶唑纤维的表面性能效果不太明显。

辐射处理法：研究了聚苯并恶唑纤维经下射线辐照表面改性处理前后对纤维浸润性能及纤维/环氧树脂界面性能的影响[1～3]。将实验结果与化学交联和等离子氧处理的结果进行了比较。结果表明，下射线辐照对聚苯并恶唑纤维表面的改性效果最好。此法可以实现批量处理，但高能射线的辐照可能对聚苯并恶唑纤维的一些性能造成一定的影响[1～3]。

4 PBO纤维的应用

PBO纤维的优异性及具有阻燃性、耐高温高压、抗老化和耐摩擦等性能[6]，可广泛应用于航空航天、防火服等领域，在高技术纤维、热稳定非线性光学材料[7]、光敏材料[8]等方面也获得了应用。PBO纤维长丝：可用于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；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、航空航天材料等。PBO纤维短切和浆粕：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[9]。

PBO纤维是高性能有机纤维市场的一个较新品种，PBO已经引起越来越多的重视，同时近年来随着对PBO研究的深入，发现它具有较好的透波、吸波性能[10]，这与它的共轭结构相关，已取得一定进展。它与其它材料复合成先进树脂基复合材料[11]，具有比强度和比刚度高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐腐蚀、结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体成形的独特优点，还有特殊的电磁性能和吸波隐身作用，充分体现了集结构承载和功能于一身的鲜明特点。

总之，PBO纤维具有优异的性能，如热稳定性和阻燃性，可用作防火服装；优良的卷曲、耐化学品、耐剪切、耐摩擦及耐高温磨擦性质，耐冲击性能，吸湿性小，能制成长丝、短纤等各种织物，可用作安全防护服和防弹材料等；很高的比强度和比模量,作为增强纤维可用于高性能的结构复合材料如发动机、宇宙空间器材；优异的耐烧蚀性能,可用于隔热烧蚀复合材料等。因此，PBO在很多领域都有很大的用途，必将得到很大的发展。

［1］ 李金焕，黄玉东，许辉．高分子材料科学与工程[J]，2003，19（6）：46-50．

［2］ Gordon L,Lon J．Polymer．[J],1999,40（40）：3463-3468．

［3］ 汤威宜，金俊弘，朱慧君，等．东华大学学报（自然科学版）[J]，2008，34（2）：132-140．

［4］ Tullos GL,Powers JM,Jeskey SJ,et al．Macromolecules[J],1999, 32(11):3-598．

［5］ Hsiao SH,Huang YH．Eur．Poly．J．[J],2004,40(6):1-127．

［6］ Hasegawa M,Kobayashi J,Vladimirov L．J．Photopolym．Sci．Tech．[J],2004,17(2):253．

［7］ Park KH,Song S,Lee YS,et al．Polymer[J],1998,30(6):470．

［8］ Ueda M,Ebara K,Shibasaki Y．J．Photopolym．Sci．Tech．[J],2003, 16(2):237．

［9］ 袁江,王建营,胡文祥．究化工时刊2003,17(8):4-8．

［10］莫美芳．材料工程,1993,(4):38-41．

［11］胡国有,陈强,胡志翔．大学化学,1993,8(5):5-9．

book=173,ebook=109

10.3969/j.issn.1008-1267.2010.03.005

TQ342+733

A

1008-1267（2010）03-012-03

2010-01-06

周博（1981-），男，研究生学历，化工课程主讲教师。