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超 纤 维 PBO 1．PBO简介 PBO是聚对苯撑苯并二噁唑Poly(p-phenylene-2,6-benzoxazole)的简称，它是 一种直线型聚芳杂环液晶聚合物分子，其分子化学结构为下式如下： PBO最初是由美国空军材料实验室于上个世纪70年代作为一种耐高温性能的 材料进行开发的，但是一直受到合成工艺的限制，不能合成大分子量的PBO聚合物 ， 其优越的性能也难以体现出来。直到80年代中期，由DOW化学公司开发出了一种 新的单体合成、聚合及纺丝技术，1991年又与东洋纺织公司开始联合研究开发PBO 纤维，并于1995年，由东洋纺织公司在DOW化学公司的专利许可下开始了试生产 ， [1] 1998年10月开始商业化生产，注册商标为Zylon 。然而，作为具有特种用途的高 性能纤维，PBO作为军需品只有在欧美和日本销售，对我国禁销，价格也比较昂贵 ， 高达到2700元／千克。目前，我国很多军工单位都需要这种材料，因此，有必要建 立自己的PBO生产线。为了填补国内这一空白，我国已有多家单位，如华东理工大 学、哈尔滨工业大学、东华大学、上海交通大学等进行了PBO聚合和纤维制备的研 究。其中，上海交通大学印杰研究小组和东华大学刘兆峰研究小组的联合研究团队 近期取得了可喜进展。他们在实验室进行 了PBO的聚合并成功纺丝得到PBO纤维 ， [2] 通过了有关部门组织的鉴定 。 2．PBO的结构及其性能 2.1 PBO的结构 PBO分子的内部结构较特殊。对PBO分子链构象的分子轨道理论计算结果表明： PBO分子链中苯环和苯撑苯并二噁唑环是共平面的。从空间位阻效应和共扼效应角 度分析，PBO纤维分子链间可以实现非常紧密的堆积，而且由于共平面的原因，PBO 1 分子链各结构成分间存在更高程度的共轭，因而导致了更高的刚性。刚性链聚合物 纤维由于其芳香主链、刚性分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性比PPTA纤维高出100℃左右；同时，PBO的大 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。总之，PBO纤 维的高性能就来自于苯环及芳杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链在液晶态纺丝 [3] 时形成的高度取向的有序结构 。 PBO纤维最显著的特征是大分子链、晶体和微纤/原纤均沿纤维轴向呈现几乎完 全取想的排列，形成高度取向的有序结构。微纤由几条链通过分子间结合在一起构 成的。PBO纤维直径一般为10~15μm。由众多微纤结构组成。通常微纤的次级结构 又含有3个层次：微纤、小微和分子链。微纤的尺寸为0.5~5μm。微纤之间则有较 弱的分子间力，如范德华力结合在一起构成纤维，因此PBO纤维比较容易出现微纤 [4] 化 。 2.2 PBO的性能 2.2.1 力学性能 PBO纤维具有十分优异的力学性能，一根直径为lmm的PBO细丝就可吊起450 [3] 千克的重量。其拉伸强度为5.8GPa ，拉伸模量最高可达280.380GPa；PBO纤维在 受冲击的纤维可原纤而吸收大量的冲击能，是一种优异的耐冲击材料，PBO纤维复 合材料的最大冲击载荷可达3.5KN，能量吸收为20J；PBO的耐磨性良好，磨断循环 周期为5000次。在超过300℃高温下，更能体现PBO纤维的耐磨性，在300℃的空 气中处理100小时之后的强度保持率为45％左右。但是PBO纤维的抗压强度只有0.2 [5] —0.4GPa，相比较其拉伸强度相差甚远 。PBO纤维与其它县委性能的比较见图1 2 1PBO 1PBO 表11PPBBOO与其它高性能纤维