超高性能PBO纤维Zylon的结构_力学性能及应用
PBO纤维发展概况与应用前景

PBO纤维发展概况与应用前景随着技术的不断发展和人们对环境友好材料的需求增加,PBO(聚对苯二酰乙烯)纤维作为一种高性能、轻质、耐火、耐化学腐蚀和高温等特性的新型功能材料,逐渐受到人们的关注。
本文将从PBO纤维的发展概况和应用前景两方面进行阐述。
一、PBO纤维的发展概况PBO纤维是由聚对苯二酰乙烯单体经过拉伸加工制成的高强度纤维。
PBO纤维具有比强度高、耐高温、耐腐蚀和耐磨损等优良性能,被誉为“材料之王”,在军事、航空航天、汽车、能源、体育用品等领域具有广泛的应用前景。
PBO纤维的发展史可以追溯到20世纪60年代,当时日本东丽公司首次从聚对苯二酰乙烯合成单体中制备出了PBO纤维。
随着材料科学的不断发展和技术的进步,PBO纤维的生产工艺逐渐得到改良和完善,其性能也得到了进一步提升。
目前,PBO纤维已经成为一种独特的高性能材料,备受各行业关注。
二、PBO纤维的应用前景1.军事领域:PBO纤维具有高强度、高模量、耐热、耐腐蚀等优异性能,可以用于制造防弹衣、飞机翼和导弹外壳等军事装备,在提高作战效率和保障士兵安全方面具有重要意义。
2.航空航天领域:PBO纤维具有轻质、高强度和抗热性能,适合用于制造飞机结构部件、卫星材料等,可大幅减轻航空航天器的重量,提高其性能和安全性。
3.汽车工业:PBO纤维可用于制造汽车轮胎、制动系统、发动机舱盖等汽车部件,提高汽车的燃油效率和安全性,降低碳排放。
4.能源领域:PBO纤维具有耐高温、耐磨损等性能,可用于制造核电站和风力发电设备中的密封件、轴承等部件,提高设备的可靠性和耐久性。
5.体育用品领域:PBO纤维可以用于制造健身器材、运动鞋、网球拍等体育用品,提高产品的耐用性和性能,增加运动员的竞技优势。
总的来说,PBO纤维作为一种具有广泛应用前景的高性能材料,将在未来的科技领域发挥重要作用。
随着技术的不断进步和市场对高性能材料需求的增加,PBO纤维将会逐渐成为各个行业中不可或缺的材料之一,为人类社会的发展做出更大的贡献。
pbo纤维化学式 -回复

pbo纤维化学式-回复
摘要:
1.主题介绍:PBO纤维的化学式
2.PBO纤维的性质和应用
3.PBO纤维的发展前景
正文:
PBO纤维是一种高性能的合成纤维,其化学式为聚对苯撑苯并双噁唑。
这种纤维具有优异的力学性能、热稳定性和化学稳定性,因此在许多领域都有广泛的应用。
PBO纤维的性质主要表现在以下几个方面:
1.高强度:PBO纤维的强度高达6.0GPa,是钢的8倍,因此被广泛应用于高强度、高模量的结构材料。
2.高模量:PBO纤维的模量高达300GPa,是钢的4倍,使得其在受到外力时不容易变形。
3.耐高温:PBO纤维在高温下具有很好的稳定性,其耐热性可达400℃。
4.化学稳定性:PBO纤维具有很好的耐腐蚀性,对大部分酸、碱、盐等化学物质都有很好的抗性。
PBO纤维的应用领域非常广泛,主要包括以下几个方面:
1.航空航天:PBO纤维的高强度、高模量和低膨胀系数使其成为航空航天领域的理想材料。
2.汽车工业:PBO纤维可以用于制造汽车刹车盘、发动机零件等,以提高
汽车的安全性和性能。
3.电子设备:PBO纤维的耐高温性能使其成为制造电子设备散热件的理想材料。
4.体育用品:PBO纤维的高强度和低膨胀系数使其成为制造高尔夫球杆、网球拍等体育用品的理想材料。
随着科技的发展,PBO纤维在许多领域都有巨大的发展潜力。
例如,通过改性可以进一步提高PBO纤维的强度和模量,从而使其在更多领域得到应用。
PBO纤维的开发与应用进展

各种高性能纤维的性能
5
2、PBO纤维的性能
PBO纤 维的缺 陷
PBO纤维的耐光性极 差,耐光性低于芳纶。
PBO纤维没有极性侧 基,表面密实而光滑。 因此PBO纤维与复合 材料基体的界面粘结性 较弱。
表面刻蚀和氧化处理: 用酸和氧化剂进行表面 处理。
其他方法:共聚改性、 辐射处理、电晕处理
8
谢 谢!
9
PBO纤维的紫外老化曲线
6
3、PBO纤维的应用
耐高温材料
7
3、PBO纤维的表面改性
PBO纤维表面较为惰性,需要通过表面 改性来增加纤维表面的粗糙度或极性, 以提高纤维与复合材料基体的界面粘结 性。
表面 改性 方法
等离子体改性:操作简 便,改性效果会随着时 间衰退。
PBO纤维表面
偶联剂处理:偶联剂与 纤维表面化学基团结合。
PBO的分子结构
3
1、PBO纤维的开发
PBO纤维的制备方法: 干喷湿纺,纺丝溶液呈 液晶态。 日本的东洋纺是唯一可以生产商品化的PBO纤维的公司,其商品名为 Zylon,年产量约为400吨。 我国近几十年也对PBO纤维进行了诸多研究,已建成了PBO纤维的中试线, 但仍未实现PBO纤维的工业化。
4
2、PBO纤维的性能
PBO纤维的开发与应用进展
1
一
PBO纤维的开发
二
PBO纤维的性能
三
PBO纤维的应用
四
PBO纤维的表面改性研苯撑苯并双噁唑 纤维,由于其十分优异的性能, PBO纤维被称为21世纪的超级纤维。 PBO的分子链由苯环和噁唑环组成, 因此分子链具有很大的刚性。
PBO纤维缠绕复合材料的初步应用研究

第23卷 第4期2003年12月航 空 材 料 学 报JOU RNAL O F A ERONAU T I CAL M A T ER I AL SV o l.23,N o.4M arch2003PB O纤维缠绕复合材料的初步应用研究王 斌1,2,金志浩1,丘哲明2,刘爱华2(1.西安交通大学材料学院,陕西西安,710049;2.中国航天科技集团四院四十三所,陕西西安,710000)摘要:分别进行了PBO纤维缠绕成型的单向复合材料力学性能试验和<150mm压力容器试验,与Kevlar249和F212纤维的单向复合材料力学性能及<150mm压力容器性能进行了对比,初步的应用研究结果表明,缠绕成型的PBO 环氧<150mm压力容器的容器特性系数PV W和纤维强度转化率都达到最高,其值分别达到了60km 和90%,但其容器的环向变形较F212纤维复合材料容器的大。
关键词:PBO纤维;单向复合材料;压力容器中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:100525053(2003)0420035205 PBO纤维(聚对苯撑苯并双恶唑)原是美国空军1970年开始作为飞机用结构材料而着手研究的产品。
20世纪末,日本东洋纺公司把它进行商业化生产(商品名为"Zylon"),其分子化学结构为刚性极强的线形伸直链结构[1~3]。
PBO纤维的强度、弹性模量约为对位芳纶纤维Kevlar249的2倍,尤其是它具有直链高分子纤维的极限弹性模量。
在固体火箭发动机壳体方面,美国布伦斯维克(B ru s w ick)公司采用抗拉强度为5.5GPa的PBO纤维进行缠绕容器的综合研究表明, <250mm的球形高压容器特性系数(PV W c)达到了65.2km,与同样抗拉强度5.65GPa的T2400碳纤维缠绕容器相比(PV W c值仅为45.2km), PBO纤维的容器性能要高31%[4]。
高性能PBO纤维的开发和应用

收稿日期:2010-04-09 修回日期:2010-05-24 作者简介:李旭 (1963~),男,高级工程师,长期从事涤纶短纤维的 生产和研究开发工作。
180 t/a 纺丝生产线,并于 1995 年春开始投入部分 机械化生产,1998 年 PBO 的生产能力达到 200 t/a, 商品名为 Zylon。2003 年达到 500 t/a,2008 年达到 1 000 t/a [3]。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。此外,荷 兰阿克苏诺贝尔公司纤维研究所和 DELF 大学于 1997 年合作开发了商品名为 M5 的新型 PBO 纤维, 但目前尚处在开发阶段 [4]。
232抗冲击防护服北京宇航通泰应用技术研究所特种纤维复合材料天津加工中心德国rbus公司中国总代理是从事高性能纤维应用产品研发生产与销售的高科技企业公司推出的p纤维防弹衣系列产品基于穿甲力学和创伤弹道生物力学的原理应用国外最新的p纤维软质防弹材料和国内先进技术采用该研究所独特的结构设计和制造新工艺不但能有效地防止不同级别弹头的贯穿同时能避免或显著地减轻人体受弹击时造成的非贯穿性损伤能完全吸收高能量子弹射入能量有效地防止子弹贯穿
国家尖端科技的发展水平,并成为一类具有战略意
义的材料资源。东洋纺生产的 Zylon 主要产品和规
格如表 1 所示。
表 1 东洋纺公司生产的 Zylon 主要产品和规格
PBO纤维

PBO纤维PBO 是聚苯撑苯并噁唑(Poly-P—Phenylene Benzobithia-zole) 纤维的简称,属于是含有杂环芳香族的聚酰胺族,最初由美国空军材料实验室作为耐高温性能比凯芙拉(Kevlar) 好的材料而进行开发。
最早开发出聚苯唑类纤维为PBZT(聚苯撑苯并口恶唑)纤维,由于PBO 在性能和成本上的优势,从而成为聚苯唑类纤维开发的主流。
关国空军材料实验室对芳香族杂环类聚合物的继续研究,开发f—一系列的杂环聚台物,其化学结构式如下所示;PBO的合成:(1)PBO的合成可用2,6—二氨基间苯二酚盐酸盐与对苯二中酸缩聚、其单体合成方法的反应如下:由三氯化苯为原料,经过三步反应制得,产物过滤,洗涤后减压干燥,可用于缩聚反应。
另一个单体是对苯二甲酸,是聚酯合成用的大宗产品.这两个中体在多聚磷酸(PPA)溶剂中消液缩聚反应,P2O5作为脱水剂。
其反应式如下:(2)PBO的台成也可以2,6一二氨基间苯二酚盐酸盐与对苯二甲酰氯在甲磺酸(MSA)溶剂和P2O5(质量分数为40%-50%)中加热反应制得,反应时间短,收率高。
缩聚反应式如下所示:PBO 纤维的制备PBO 纤维纺制原则上类似于Kevlar 纤维的液晶纺丝法-—干喷湿纺法、水洗、干燥。
所选的纺丝溶剂有多聚磷酸(PPA)、甲磺酸(MSA)、MSA/ 氯磺酸、硫酸、三氯化铝和三氯化钙/ 硝基甲烷等,一般多选用PPA 为纺丝溶剂。
所以PBO 在PPA 中的缩聚溶液即可作为纺丝原液, PBO 在PPA 溶剂中的质量分数通常调整在15 %以上,采用干喷湿纺液晶纺丝装置。
80~180 ℃的纺丝浆液通过喷丝孔进入空气层中形成丝条, 干纺区的空气温度为50~100 ℃,空气层的流速应足以均匀降低液晶细流的温度.喷丝孔径为0。
13 ~0.12mm 或0。
25mm(单孔纺丝).纺丝过程中, 对丝束稍加拉伸时, 纺丝浆液在挤出应力作用下很容易实现分子链沿应力方向及纤维轴向高度取向, 形成刚性伸长原纤结构.初纺丝(AS 丝—标准型) 就具有3。
高性能PBO纤维的开发和应用

项目
平 均断 裂强 度/c /t ) (Nde x
3l 53 7 3. 24 3
2 .8 28 3l3 _1 3 7
伸长 , 模 量/ Nde) % ( /t e x
37 . 6 48 . 2
23 _9 37l . 25
美 国空军 材料 实验 室 [1 1 委托 美 国斯 坦 福 研究 所 2
S I 验室 以 Wo 为 代表 的 聚合 物 组为 其 航空 航 R实 l f 天材料的需要而 没计和制备 的耐 高温 、高性能 聚合
19 年 合作开发 了商品名 为 M5的新型 P O纤维 , 97 B 但 目前尚处在开发阶段 。 新世 纪初 期 ,P O纤 维 用于 抗 冲击 防护服 产 B
抗冲击防护服产 品逐步扩展 到特殊 民用 ( 耐温 、抗
专 利技术 。19 年 由道一 巴迪 许化 纤公 司在 日本 91 东洋纺公 司的没备上开发出 P O纤维 ,使 P O的强 B B
辐射 、高强绳索 、体育) 、产 业用 ( 增强工程材料 、 特殊 电缆增强)等领域 ,并且 取得工业化 的实际效
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 。19 年 90
H本东 洋纺公司从美 国 D W 化学 公 司购 买了 P O O B
织加工技术 等 ,取得 了令人鼓舞 的成效。同时 ,从
扩展产 品市场应 用范围的角度 ,从原先较 单一用 于
高强 、高模 、耐高温 、阻燃 高性能纤维材料及其先
合 成 纤 维 SF 0 0 N . C2 1 o6 1
专 题 综 述
Co pr hen i e Re i w m e sv ve
pbo纤维

PBO纤维PBO纤维,又称为聚对苯二酰亚胺纤维,是一种高性能的合成纤维材料。
它具有优异的强度、刚度和耐热性,被广泛应用于航空航天、军事防护和体育器材等领域。
历史PBO纤维最早是由日本的一家化学公司于20世纪70年代研发成功的。
当时,研究人员发现这种纤维具有比钢铁还要强的拉伸强度和良好的耐热性能,因此被认为是一种革命性的材料。
特性1.高拉伸强度:PBO纤维的拉伸强度是普通纤维的数倍,可以承受极高的拉伸力。
2.优异的耐热性:PBO纤维在高温下仍能保持良好的性能,能够应对极端的环境条件。
3.低密度:相比金属材料,PBO纤维的密度更低,有利于降低整体重量。
4.刚度高:PBO纤维具有优异的模量,使其在受力时不易发生变形。
应用领域航空航天PBO纤维常被用于制造航空航天领域的部件,如飞机引擎零部件、结构件和航天器外壳等。
其高强度和耐热性能,使其能够承受极端的机载环境和高温条件。
军事防护PBO纤维也广泛应用于军事领域,用于制造防弹衣、防弹头盔等防护装备。
其出色的拉伸强度和刚度,能够有效阻挡弹片和子弹的穿透。
体育器材在体育器材领域,PBO纤维常被用于制造高端的运动装备,如网球拍、高尔夫球杆等。
其轻量化和高强度的特性,能够提升运动员的表现并增加装备的耐久性。
发展前景随着科技的不断进步,PBO纤维在更多领域将得到广泛应用。
未来,我们可以期待看到更多基于PBO纤维的创新产品,为各行业带来更多可能性。
总的来说,PBO纤维作为一种优异的合成纤维材料,将继续在多领域发挥重要作用,推动相关行业的发展和创新。
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Zylon AS
3 70
114 66
3Байду номын сангаас 5
1. 54
2. 0
68
650
Zylon HM
3 70
176 40
2. 5
1. 56
0. 6
68
650
对位芳纶
1 94
74 97
2. 4
1. 45
4. 5
29
550
间位芳纶
0 47
12 35
22
1. 38
4. 5
29
400
钢纤维
0 35
25 58
1. 4
7. 8
0
-
-
碳纤维
2 03
130 54
1. 5
1. 76
-
-
-
Dyneema
3 53
114 66
3. 5
0. 97
0
16. 5
150
PBI
0 27
3 97
30
1. 4
15
41
550
聚酯
0 79
11 03
25
1. 38
0. 4
17
260
注: ∀ 熔点或分解温度
40
4 力学性能
分解温度( )
650
650
刚性链聚合物纤维由于其芳香主链、刚性分
LOI( % ) 热膨胀系数
68
68
-
- 6 ! 10- 6
PBO 纤维的大分子同 PPTA 纤维的一样属于 刚性链, 纤维均采用液晶溶液经干喷湿法纺丝而
子链节和 高度有 序而 有很高 的热稳 定性, 加之 PBO 纤维主链上杂环的存在而使得其耐热比 PP TA 纤维高出 100 左右[ 4] 。 3 2 与其他纤维的性能对比
参考文献
[ 1] Kitagawa T , Murase H and Yabuki K. J. Polym. Sci: Part B, 1998, 36 : 39
产业用纺织品
第 19 卷总第 125 期
次之 后的 强度 保 持率 分别 在 35% , 35% , 35% , 35% 和 48% 左右。
4. 1 捻度对拉伸力学性能的影响 Zylon 一般是无捻丝, 为了得到最佳拉伸强力
一般施加一定的捻度。对于不同线密度的复丝, 最佳捻度水平可用捻系数来估算, 捻系数用下面 的公式得到: 捻系数( Twist f actor ) = 0. 131 ! 捻度( 捻 / 英寸)
成, 比较其晶体结构发现, 所有的分子链、晶体和
在高性能纤维中 Zylon 具有最高的拉伸强度
微原纤/ 原纤均沿纤维轴向高度取向。PBO 的大 和拉伸模量, 其性能对比见下表。
表 3 Zylon 和其他纤维的性能对比
纤维
强度
模量
伸长率
密度
回潮率
LOI
耐热性 ∀
( N/ tex )
( N/ tex)
( %)
密勒指数
AS ( 200) ( 010) ( 003)
HM ( 200) ( 010) ( 003)
微晶尺寸( )
X 衍射测试
TEM 暗场测试
55
39
27
35
96
110
69
42
53
160
2001 年第 2 期
产业用纺织品
39
3 Zylon 纤维的基本性 能及其与其 他纤维性能的对比
分子中刚性的苯环及杂环是几乎与链轴共轴的, 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, 而 PPTA 的分子链是锯齿构型的, 链
PBO 分子链 构成, AS 型纤维的赫而曼 ( Hermann)
取向因子超过 0. 95, HM 型纤维的赫而曼取向因
子高达 0. 99。其晶胞 a 轴存在择优取向, 并沿纤 维横截面的半径方向排列。刚性链对苯二甲酰对
苯二胺( PPTA) 液晶 纺丝液经干喷湿纺得到的芳 纶 Kevlar 纤维也具有这种相同的晶胞 a 轴的择优
2 Zylon 纤维的结构
Zylon 纤维由直径约 10 nm~ 50 nm 的微原纤
组成, 并含有毛细孔状微孔, 存在于微原纤之间,
这些微孔通过微原纤之间的裂纹或空隙相互连接
在一起。在纤维表面存在一个薄的不含微孔的皮
层区域, 染色样品的 TEM 观察得到皮层大约厚度 为 0. 2 m。微原纤 由沿纤维高度取向的伸展的
取向, 但两者的这种取向的 机理显然是不同的。
对于 PPTA 纤维, 纤维成形时水分子 和酰胺基之 间的氢键是这种择优取向的关键[ 5] , 对于 PBO 纤 维的这种取向机理还不十分清楚。
在热处理之后 PBO 纤维的微晶 尺寸在径向
和横向均有所增加, PBO 纤维的微晶表观尺寸见
表 1。
表 1 Zylon 微晶尺寸
轻量化, 减轻消防战士负荷 轻量化, 高风险威胁防护 挡风性好( 风吹布时布的变形小)
网球拍、滑雪 杆用 复合 材 轻量化, 吸震性好 料
骑手服( 赛马 、赛车服)
轻量化, 耐久性好 跌倒安全性好( 耐摩擦热)
耐 热、防火 高 强、高模 高模 高 强( 撕裂强度) 高强 高模 震 动衰减性能好 高 强、高模 耐热
键向链轴倾斜, 这样, 拉伸应变能部分用于苯环的 重新取向上而导致其模量不如 PBO 纤维。完全 结晶、完全取向、无限长链的 PBO 纤维的预测拉 伸模量在 246 52 N/ tex ~ 275 82 N/ tex( 具体大小 受热处理条件的影响) , 实际模量受晶区取向、分 子链长及 低序区的影响, 高模 型在 191 10 N/ tex 左右, 几乎可接近理论预测值。
表 4 蠕变参数对比
Zylon AS Zylon HM p Aramid p Aramid HM
3. 2! 10- 3 1. 1! 10- 4 5. 0! 10- 4
2. 5 ! 10- 4
在一定载荷下, 一定时间之后纱线会发生断 裂。使用外推法, 得到在 55% 断裂应力水平下其 断裂时间为 107min( 19 年) 。 4. 4 耐磨与耐弯曲疲劳性能
纤维的强度主要由共价键和主链堆砌密度决
定, 也受到分子量分布、分子链取向、链与链之间 的次价键作用、纤维形态结构的不匀和各向异性 及杂质和空隙的存在的影响, 强度的提高必须通 过多种途径来解决。PBO 纤维的强度理论预测值 为 12 74 N/ tex 以上, 实际 只有 3 82 N/ tex 左右, 与理论值相差很大。实际上, 很少有实际纤维的 强度超过其理论值的一半。
! 旦1/ 2 Zylon 复丝的 最佳捻系数在 10 左右, 捻系数 与拉伸强度和模量的关系规律与普通复丝相同, 强度随捻系数的增加而提高, 达到最佳捻系数之 后强度随捻系数的增加而降低; 模量随捻系数的 增加而降低。 4. 2 冲击能量吸收 Zylon 复合材料的冲击能量吸收比对位芳纶 复合材料高将近两倍, 无论在结构复合材料还是 在防弹复合材料上都具有广阔的应用前景。
AS 普通型
HM 高模型
278 555 1110 273 545 1090
1670 2220 3330 1640 2180 3270
166 332 664 166 332 664
996 1328 1992 996 1328 1992
94
94
216
216
135
135
25 38 44 51 64 76
34/ 1 34/ 2 68/ 1 20/ 1 20/ 2 40/ 1
3 1 基本性能及其与结构的关系 Zylon 纤维是强度和模量为对位芳纶两倍的
新一代超高性能纤维, 其分解点温度比对位芳纶 纤维高 100 , 极限氧指数为 68, 是有机高性能纤 维中最高的。Zylon 目前 有两种类型, 一种为 AS 普通丝, 一种为 HM 高模丝, 两者在模量、吸湿等 方面是不相同的, 其基本性能见表 2。
PBO 聚合物是含有芳香杂环的聚苯唑聚合物 的一种, 最初由美国空军材料试验室作为一种耐 高温性能比 Kevlar 好的材料而进行开发。最早开 发出聚苯唑类纤维为 PBZT ( 聚苯撑苯并口恶 唑) 纤 维, 由于 PBO 在性能和成本上的优势, 转而成为 聚苯 唑类 纤维 开发 的主 流。在 商业 化 方面, 道 ( Dow) 化学公司从拥有聚苯唑类聚合物基本专利 的斯坦佛化学研究所获得专利许可证, 开发出了 一种 新的单体合成、聚合和 纺丝技术。1991 年, 道化学公司由于纺丝技术上的障碍开始与日本东 洋纺公司合作, 1994 年他们共同开发出一种独特 的纺丝技术。1995 年春, 东洋纺在道化学公司的 专利许可下, 开始在 1 t / a 的中试装置上试生产, 1998 年 10 月正式投产, 投资 30 亿日元, 年产 400 t , 价格在 1 万日元/ kg~ 2 万日元/ kg[ 2, 3, 4] 。
轮胎帘子线
缆绳直径减小, 容量增大 轮胎轻量化, 系统节能
高 模量 尺 寸稳定( 低蠕变) 绝 缘性( 低介电损耗) 高 模、高强 低 收缩率
耐热垫材 铝材、玻 璃制 品成 型时 耐 耐热性 超过 350 的 替 代 钢/ 陶 瓷 纤 维的
热垫材
柔软垫材
耐 热性好 毡 化后柔软
防护材料 运动领域
消防服 防弹头盔、防 弹衣 帆布
38
产业用纺织品
第 19 卷总第 125 期
超高性能 PBO 纤维 Zylon 的结构、 力学性能及应用
张华鹏 张建春
王善元
( 东华大学纺织学院, 上海, 200051) ( 总后军需装备研究所, 北京, 100088) ( 东华大学纺织学院, 上海, 200051)