PBO纤维性能的试验研究及其产品开发

(陕西省纺织科学研究所，西安，710038)

人类进入21世纪，科学技术得到突飞猛进的发展，人们的自身保护意识越来越强，对纺织品的安全、防护性能提出了更高的要求，纺织品的开发呈现出向生态纺织品和高技术纺织品方向发展的趋势。高技术纺织品的发展是以高科技纤维的发展为基础的[1]。

耐高温阻燃纤维是21世纪我国重点研究开发的一类高性能纤维，现已在航天、航空、国防、石化、海洋、通信、汽车等行业得到进一步的应用。耐高温阻燃纤维的分子结构独特，无需添加阻燃剂或通过改性，本身就具有耐高温阻燃特性，且附加值高，具有很好的经济效益和社会效益，因而近年来已引起了国内众多企业的关注和开发。随着科学技术的进步、经济的发展和产业结构的调整，耐高温阻燃纤维将会得到进一步的开发和应用。

本文主要对PBO(聚对苯撑苯并双噁唑)纤维、PSA(芳砜纶)、P84(芳香族聚酰亚胺)纤维、PX-01(高吸湿阻燃纤维)、POD(宝德纶，聚芳噁二唑)，以及芳纶1313和芳纶1414几种阻燃纤维的理化性能进行了分析探讨。

1 几种常见的阻燃纤维

1.1 PBO纤维

PBO纤维是现有含芳香杂环的苯氮聚合物中性能最优秀的一种化合物，是继Kevlar纤维之后出现的又一合成高性能纤维，被誉为“21世纪的超级纤维”，其商品名为Zylon(柴隆)。最早于20世纪60年代初，由美国空军空气动力学开发研究人员发明，首先由美国斯坦福大学研究所拥有聚苯并唑的基本专利，而后美国Dow化学公司得到授权，对PBO进行了工业化开发。PBO纤维的主要特点是难燃性极好，点火时不燃，在空气中的稳定温度高达650 ℃，在惰性气体中可达到700 ℃以上。纤维耐燃烧性能非常好，在650 ℃才开始分解，极限氧指数高达68%；纤维也不收缩，在400 ℃高温中加热3 h后，纤维质量仅减少3%。纤维富有柔韧性，手感近似于涤纶，几乎对所有的有机溶剂和碱具有很好的稳定性，因此，在航空航天、军工国防、交通运输、体育器材、建筑、高温防护领域有着重要的应用价值和广阔的应用前景，有着其他材料不可替代的作用。另外，由于PBO纤维的密度远远低于碳纤维，而强度、模量等力学性能远远高于芳纶，因而PBO纤维可用于制造更轻的高强复合材料，而其优秀的耐高温性能使其应用更加广泛。利用PBO纤维密度较低、比强度和比模量却很高的性能特点，将其作为结构材料来应用，轻量化特性尤其明显，这为宇航器材节省燃料、小型化、高速化带来了很多有利条件，因而被认为是航空航天先进结构复合材料中的新一代超级纤维。

1.2 PSA纤维

PSA，即聚苯砜对苯二甲酰胺纤维，是上海市纺织科学研究院和上海市合成纤维研究所经多年研究开发的拥有独立自主知识产权的有机耐高温纤维，其商品名为特氨纶。PSA的问世填补了我国耐250 ℃等级合成纤维的空白，主要用于开发耐高温防护纺织品，如宇航服、特种军服、军用篷布、消防服、炉前工作服、电焊工作服、化学防护服等[2]。

1.3 P84纤维

P84纤维是奥地利Lenzing公司于20世纪80年代后半期开发的阻燃聚酰亚胺纤维，其主要特点是良好的热稳定性和不燃烧性，在250 ℃以下使用不会熔融，在350 ℃以下经3 h后质量损失在5%以内。由于纤维价格昂贵，P84纤维仅用于要求有热稳定等良好特性的领域，不规则的叶形截面增加了纤维的表面积系数，使P84纤维成为耐高温集尘器的首选材料[3-4]。

1.4 芳纶1313

芳纶1313(间位芳纶)，美国杜邦公司生产的商品名为Nomex®，日本帝人公司生产的商品名为Conex®。它具有优异的耐热性、阻燃性以及高温下的尺寸稳定性、电绝缘性、耐老化性和耐辐射性。芳纶1313以其优异的性能，除用于高温、化学品、烟尘等过滤、提纯外，还可以制作各种军事和消防用防火帘、隔热服、消防服、作战服、地毯、耐热降落伞等，同时在工业用耐高温传输带等生产领域也发挥了重要作用。

1.5 芳纶1414

芳纶1414(对位芳纶)，美国杜邦公司生产的商品名为Kevlar®。该纤维以其优异的机械强度和弹性模量高、耐高温、防火、低密度、抗疲劳、抗化学腐蚀等性能，除了在高温防护材料上的应用外，还用于制作适合载重汽车和飞机轮胎的帘子线，在复合材料方面是极为理想的纤维增强材料；用其制作的防弹头盔、防弹背心等防弹性能优良，在绳索、防割手套和体育用品方面也具有重要的应用。

1.6 POD纤维

POD纤维是2009年由江苏宝德新材料有限公司研制成功的改性聚芳噁二唑纤维。该纤维具有良好的阻燃性能、热稳定性、化学稳定性和绝缘性，达到世界领先水平。

1.7 PX-01纤维

PX-01是一种高吸湿性阻燃纤维，是以“安全”和“舒适”为关键开发出来的复合功能纤维。它遇热不熔融，燃烧时产生的热比一般有机纤维低，基本不产生烟，具有优良的吸湿性，根据环境的变化，还有可能实现吸湿和放湿的循环，即使经过高温环境，纤维也不会变硬，手感柔软，是一种具有环保性能的非卤素、非磷系的阻燃性能纤维。

2 试验

2.1 试验材料及仪器

2.1.1 试验材料

PBO(1.9 dtex×44 mm，东洋纺织株式会社)；PSA(2.2 dtex×51 mm，上海特氨纶纤维有限公司)；P84(2.2 dtex×51 mm，奥地利INSPEC FIBERS公司)；POD(1.7 dtex×51 mm，江苏宝德新材料有限公司)；PX-01(2.2 dtex×47 mm，东洋纺织株式会社)；芳纶1414(1.7 dtex×51 mm，烟台泰和新材料股份有限公司)；芳纶1313(2.2 dtex×51 mm，烟台泰和新材料股份有限公司)。

阳离子染料(德司达印染科技有限公司)，分散染料(青岛双桃精细化工有限公司)，活性染料(上海汇邦精细化工有限公司)，直接染料(上海科颜化学制品有限公司)。

2.1.2 试验仪器

YG747C型通风式快速八篮烘箱(南通宏大实验仪器有限公司)，YG321型纤维比电阻仪(南通宏大实验仪器有限公司)，YG001A型纤维电子强力仪(太仓纺织仪器厂)，HS-12型高温小样染色机(南通宏大实验仪器有限公司)，XY系列精密电子天平(常州幸运电子设备有限公司)。

2.2 试验方法

2.2.1 纤维断裂强力

参考GB/T 14337—2008《化学纤维 短纤维拉伸性能试验方法》。用镊子随机地从绒板上夹取一根纤维，在规定的张力下，将纤维放在强力仪上、下夹持器的中间位置。拉伸纤维，直至纤维完全断裂，记录试验结果。每批试样测试50次。

2.2.2 纤维体积比电阻

参考GB/T 14342—1993《合成短纤维比电阻试验方法》。随机称取30 g纤维放入测试盒内，将“放电—测试”开关拨到“测试”位置进行测量；测量完成后再将开关拨到“放电”位置，使极板上因填装纤维产生的静电散逸。测试过程中以通电1 min的读数作为被测纤维的电阻值。试验结果以2次平行试验结果的算术平均值表示。

2.2.3 回潮率

参考GB/T 9995—1997《纺织材料含水率和回潮率的测定 烘箱干燥法》。将试样放入烘箱的称重容器内，按规定的时间间隔称重，当连续两次的称重差异小于后一次称重的0.1%时，计算试样的烘前质量与烘干质量的差数，并求出对烘干质量的百分率，即为回潮率。

2.2.4 染色性能

分别采用阳离子染料、分散染料、直接染料、活性染料对几种阻燃纤维进行染色性能试验。

3 结果与分析

3.1 极限氧指数(LOI值)

几种阻燃纤维的LOI值如表1所示。

表1 几种阻燃纤维的LOI值对比

极限氧指数是纤维材料在氧—氮混合气体中点燃后维持燃烧所需要的最低含氧量体积百分数[8]。极限氧指数越大，燃烧所需要的氧气浓度越高，则材料的阻燃性越好，越阻燃。从表1可以看出，测试的几种阻燃纤维中，极限氧指数均远高于棉(18%)，其中PBO纤维的LOI值最大，高达68%，居有机纤维之最。PBO纤维在火焰中不燃烧、不收缩、耐热性和难燃性高于其他任何一种有机纤维，属于不燃纤维，可用于制作高性能、高附加值的特殊消防服、炉前工作服和焊接工作服等处理熔融金属现场用的耐热工作服。芳纶1313、芳纶1414、PSA纤维等属于难燃纤维，在燃烧时不熔融、不收缩或很少收缩，离开火焰自熄，极少有阴燃或续燃现象。

3.2 热分解温度

几种阻燃纤维的热分解温度对比如表2所示。

表2 几种阻燃纤维的热分解温度

热分解温度是纤维材料在热能的作用下纤维内部的大分子被破坏成小分子的温度。此时纤维强力下降，同时颜色和其他性能也会发生变化。从表2可以看出，几种阻燃纤维的热分解温度都较高，其中以PBO纤维的热分解温度最高，达650 ℃，是目前热稳定性最高的有机纤维。在400 ℃的温度下PBO纤维的性能基本没有变化，因此可在350 ℃下长期使用。

3.3 回潮率

几种阻燃纤维的回潮率测试结果如表3所示。

表3 几种阻燃纤维的回潮率

回潮率是指纤维材料中所含水分的质量占纤维干质量的百分数，是纤维吸湿性能的指标之一。从表3可以看出，PX-01纤维的回潮率最大，高达44.51%，说明PX-01纤维的吸湿性能较好。其原因可能是，纤维的吸湿发生在无定形区，而纤维大分子中亲水基团的数目和种类均能影响纤维的吸湿性能，同时由于纤维本身是一种非卤素、非磷系的阻燃纤维，纤维吸湿后自身的膨胀使纤维内部的空隙增大，从而使纤维表面的吸附能力大大增强，进一步增加了纤维的回潮率，因此PX-01纤维的回潮率最大。而PSA纤维大分子中含有酰胺键(—CO—NH—)和砜基(—SO2—)均可以吸附水分子，因此吸湿性较高；与POD纤维大分子结构相比，PBO纤维分子更复杂，疏水基团更多，因此PBO纤维的吸湿性低于POD纤维，从而表现出回潮率低。P84纤维由于分子间结合紧密，各向异性小，因此水分子难以进入纤维内部，从而表现出P84纤维的回潮率低，吸湿性能差。测试纤维的回潮率可以作为在纺纱前向纤维中加入抗静电溶液量的参考。

3.4 纤维断裂强度

几种阻燃纤维的拉伸断裂强度如表4所示。

表4 几种阻燃纤维的断裂强度

空气的温湿度影响到纤维的温度和回潮率，从而影响到纤维内部结构的状态和纤维的拉伸性能。纤维的回潮率越大，纤维大分子之间的结合力越弱，因此一般情况下，纤维的回潮率越大，纤维的强度越低[8]。从表4可以看出，几种阻燃纤维中PBO纤维的断裂强度最大，高于芳纶1414，达到37.0 cN/dtex，其次是芳纶1414和POD纤维，之后是P84纤维、芳纶1313、PSA纤维，强度最小的是回潮率最大的PX-01纤维，测试结果与理论分析基本一致。而PBO纤维的断裂强度远大于POD纤维，其原因可能是PBO大分子中的刚性苯环及杂环是链轴与链轴几乎共轴，在拉伸变形时，应变能直接由刚性对位键和环的变形而消耗，以及分子链在液晶纺丝过程中形成的高取向的有序结构[9-10]。因此使得PBO纤维的断裂强度很大，而断裂伸长率较小，尺寸稳定性好，可用作光纤电缆的承载和绳索等领域。

3.5 体积比电阻

几种阻燃纤维的体积比电阻如表5所示。

表5 几种阻燃纤维的体积比电阻

纤维的体积比电阻是反映纤维导电性能的指标，也是预测纤维可纺性的重要指标。因此，化学纤维的比电阻必须控制在规定范围内，即在温度为(20±2) ℃，相对湿度为63%～67%条件下测试与生产时，纤维比电阻<109Ω·cm，具有正常的可纺性。从表5可以看出，几种阻燃纤维的体积比电阻都很大，说明其可纺性差，因此在纺纱加工过程中需要加入大量的水和油剂。而PBO纤维的体积比电阻大，使得其介电常数也大，同时由于热稳定性好，因此PBO纤维适合用于制作火箭与发动机等的高性能耐热绝缘材料。但PBO纤维在纺纱过程中易产生静电，应采取措施减少纤维的静电。

3.6 染色性能

通过对纤维的染色性能进行试验对比，得出几种染料对各阻燃纤维的染色情况。采用阳离子染料上染 PSA纤维时，纤维得色鲜亮，具有良好的染色性能。其原因可能是，PSA大分子链端有氨基(—NH2)和羧基(—COOH)，并且砜基(—SO2—)为强吸电子基，使得该基团显负电荷，因此PSA纤维可以用阳离子染料染色。分散染料虽能上染PSA纤维，但得色较暗，而活性染料和直接染料均不上染PSA纤维。

POD纤维大分子是含有苯基的芳香族杂环类，因此易与染料中的(—NH2)发生电子转移，形成电荷转移结合，故POD纤维可以被阳离子染料和分散染料上染，但活性染料和直接染料不上染POD纤维。

P84纤维大分子的官能团中由于缺少活泼氢，同时可能在分子链聚合过程中引入稳定的杂环，因此，试验所选取的几种染料均未能上染P84纤维。

芳纶1313、芳纶1414可用阳离子染料在加入一种气味较大的载体后上染，得色鲜亮。分散染料虽能上染，但得色偏暗。

PBO纤维内部分子非常刚直并且密实性高，使得染料分子难以在纤维内部扩散，因此试验选取的几种染料均未能上染PBO纤维。需进一步进行试验，对纤维进行改性，筛选助剂，改进工艺等，突破PBO纤维染色困难的问题。

PX-01纤维在采用试验所选取的几种染料上染后，经水洗易于去除，故染料不上染PX-01纤维。

4 产品开发

4.1 PBO混纺织物的研究

芳砜纶是具有自主知识产权的国产耐高温纤维，其阻燃、耐高温性能优于间位芳纶，但主要缺点是强力较间位芳纶低，纺纱性能较差。为解决上述问题，开发出强度和耐高温优异的阻燃面料，将PBO纤维与芳砜纶混纺，开发出特殊的面料。但要解决PBO纤维与芳砜纶在纺纱中遇到的问题。

为了研究PBO纤维的加入量对混纺纱线的影响，现以两种纱线组成，选用三种混纺比例，即采用PSA/PBO和PSA/芳纶1414两种组成，分别试纺6种纱线并试织样品。测试纱线和织物的断裂强力，结果如表6和图1所示。

表6 混纺纱线的拉伸断裂强力

由表6可以看出，随着PBO纤维含量的增加，混纺纱线的断裂强力增加，而断裂伸长率逐渐降低。其原因可能是， PBO纤维优异的力学性能，很高的拉伸强度和拉伸模量，弥补了PSA纤维断裂强力低的缺陷，因此随着PBO纤维含量的增加，提高了混纺纱线的强力。但是当PBO纤维含量增加一倍后，混纺纱线的断裂强力增加不显著。

图1为试织的分别含有PBO纤维和芳纶1414的织物样品的经纬向断裂强力对比曲线图。从图中可以看出，虽然加入少量的PBO纤维，混纺纱线的强力变化不明显，但是其织物的拉伸断裂强力仍高于加入芳纶1414纤维的断裂强力，说明加入的PBO纤维在一定程度上起到了提高织物强力的作用。

(a)经向

(b)纬向图1 混纺织物的断裂强力

4.2 PBO编织套管的研制

这一产品是PBO纤维的典型用途，作为发挥PBO纤维超高强、阻燃、耐高温、高温下的电绝缘性等优异性能，此PBO编织套管将用于非常特殊的领域。产品研发过程中，采用对PBO纤维不加捻，选取适当的放线张力，螺旋绞合(一种编织方法)在紧套金属护管周围，依据金属护管的强力及厚度要求，合理选择绞合角度、股数和绞合层数。经测试，试制的PBO编织套管完全满足客户对结构编织紧度、拉伸强度和侧压强度、使用安全系数等技术指标要求，现已按合同交客户试用。

4.3 PBO缝纫线的研制

我们研制出的PBO超级缝纫线，强力是同规格芳纶1414缝纫线的5倍，此缝纫线将用于非常特殊的高温下物体的连接。由于PBO纤维的超高强、高模量，在纺纱过程中，纤维原纤化严重，极易产生棉结，纺纱极其困难，用常规的工艺在棉纺设备上无法进行正常纺纱。为此我们对纺纱设备进行了改造，调整工艺方案并进行了多次试验，摸索出了比较合理的生产工艺，有效解决了棉结丛生的现象，生产出的PBO纯纺纱线基本符合客户要求，但工艺仍需进一步改进，产品质量需进一步提高。

5 结语

(1)通过对比试验得出，PBO纤维的热分解温度650 ℃，极限氧指数68%，断裂强度高，而断裂伸长率小，性能优异，是一种大大优于芳纶1414等高性能纤维的新型耐高温阻燃纤维，是目前综合性能最好的高性能纤维，具有极其广阔的应用前景。

(2)PBO纤维的体积比电阻较大，可作为高性能绝缘材料使用，但在纺织过程中易造成困难，需要加入一定量的水和油剂。

(3)PBO纤维与PSA纤维混纺试验得出，当PBO纤维的加入量小于20%时，混纺纱线的强力增加不明显，但对织物的阻燃、耐高温、热防护等性能有较大影响。

(4)试验选取的几种染料中，PBO纤维均不能上染，因此需进一步改进试验方法，进行PBO纤维染色的探索试验。

(5)已开发出满足要求的PBO编织软管和缝纫线，但仍需进一步改进工艺，提高质量。

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