1.Sejarah Pembangunan
PBO telah dicipta oleh penyelidik dalam pembangunan aerodinamik dari Tentera Udara Amerika Syarikat. Paten asas untuk polybenzoxazole pada mulanya dimiliki oleh Institut Penyelidikan Stanford (SRI) di Universiti Stanford di Amerika Syarikat. Kemudian, Syarikat Dow Chemical memperoleh kebenaran dan membangunkan PBO secara industri, di samping menambah baik kaedah sintesis asal monomer. Proses baharu ini menghasilkan hampir tiada produk sampingan isomer, meningkatkan hasil monomer tersintesis dan meletakkan asas untuk perindustrian. Pada tahun 1990, Toyobo Co., Ltd. dari Jepun membeli teknologi paten PBO daripada Syarikat Dow Chemical. Pada tahun 1991, Dow-Badische Fibers Inc. membangunkan gentian PBO pada peralatan Toyobo Co., Ltd., dengan ketara meningkatkan kekuatan dan modulus gentian PBO kepada dua kali ganda gentian PPTA. Pada tahun 1994, dengan kebenaran daripada Dow-Badische Fibers Inc., Toyobo Co., Ltd. melabur 3 bilion yen Jepun untuk membina barisan pengeluaran dengan pengeluaran tahunan sebanyak 400 tan monomer PBO dan 180 tan pemintalan. Pada musim bunga tahun 1995, ia memulakan pengeluaran mekanikal separa, dan pada tahun 1998, kapasiti pengeluaran mencapai 200 tan/tahun, dengan nama komersial Zylon. Menurut rancangan pembangunan Toyobo untuk Zylon, kapasiti pengeluaran dijangka mencapai 380 tan/tahun pada tahun 2000, 500 tan/tahun pada tahun 2003, dan 1000 tan/tahun pada tahun 2008. Pada masa ini, Toyobo Co., Ltd. kekal sebagai satu-satunya syarikat dalam dunia yang mampu menghasilkan gentian PBO secara komersial.
2. Prospek Pembangunan Fiber PBO
Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, negara dan wilayah maju seperti Eropah, Amerika dan Jepun telah menggunakan bahan komposit bertetulang gentian berprestasi tinggi secara meluas dalam bidang pembinaan bangunan bertingkat tinggi, jambatan besar dan kejuruteraan marin. Dengan meresapi kain gentian dengan resin epoksi dan melekat pada permukaan konkrit, kapasiti galas beban dan rintangan gempa struktur asal boleh dipertingkatkan dengan ketara. Selain itu, dalam pembinaan jambatan, kabel keluli tidak boleh digunakan untuk jambatan yang lebih panjang kerana beratnya sendiri. Sebaliknya, terdapat keutamaan untuk kabel yang lebih ringan dan lebih kuat. Kabel yang diperbuat daripada gentian PBO, yang mempunyai kekuatan tinggi, kestabilan dimensi yang baik, adalah pilihan terbaik.
Gentian PBO secara beransur-ansur menggantikan bahan asbestos tradisional dalam bidang bahan tahan haba dan kini sedang meneroka aplikasi di bawah 350 darjah untuk menggantikan gentian kalis api seperti poliamida aromatik. Di atas 350 darjah, mereka menggantikan gentian bukan organik seperti keluli tahan karat atau gentian seramik. Memandangkan gentian bukan organik lebih keras dan terdedah kepada calar yang menjejaskan prestasinya, gentian PBO mempunyai potensi untuk mengatasi kelemahan ini. Sebelum ini, rintangan haba gentian organik tidak mencukupi (kebanyakannya di bawah 400 darjah ), yang mengehadkan pembangunan aplikasinya. Walau bagaimanapun, gentian PBO mempunyai suhu penguraian 650 darjah, yang tertinggi di antara semua gentian organik. Oleh itu, adalah mustahil untuk menggantikan gentian organik dengan gentian PBO dalam aplikasi melebihi 350 darjah di mana gentian organik sebelum ini sukar digunakan, sekali gus meluaskan dan membangunkan penggunaan bahan tahan haba gentian PBO.
Penyelidikan antarabangsa menunjukkan bahawa gentian PBO mempunyai banyak aplikasi dalam bidang lain seperti bahan penebat elektrik, pengesanan satelit, bahan ringan, industri automotif, dan pembangunan medan minyak laut dalam. Gentian PBO yang digunakan dalam badan kereta api berkelajuan tinggi bukan sahaja mengurangkan berat kenderaan tetapi juga meningkatkan kekuatannya. Menggunakan rintangan kimia gentian PBO, pelbagai pakaian pelindung tahan kakisan boleh dibuat. Dalam aeroangkasa, untuk mengurangkan beban terhad, gentian PBO sesuai untuk membuat pengikat dan tali yang digunakan di angkasa. Dalam julat suhu kosmik dari -10 darjah hingga 460 darjah , ia juga boleh digunakan sebagai bahan untuk belon pengesanan tahan haba. Dalam pertandingan sukan pelayaran, layar terutamanya diperbuat daripada bahan nipis seperti plat berkekuatan tinggi, modulus tinggi gentian buatan. Untuk meminimumkan ubah bentuk apabila layar ditiup angin, gentian PBO modulus tertinggi mesti dicari untuk membuat layar belayar yang kompetitif. Memandangkan sifat mekanikal gentian PBO yang sangat baik, ia juga merupakan bahan terbaik untuk mengeluarkan kayu golf, raket tenis, tiang ski, papan ski, papan luncur, tali busur memanah dan basikal lumba.
Penyelidikan dan pembangunan teknologi utama dan perindustrian gentian PBO boleh membolehkan China membebaskan diri daripada kawalan jangka panjang dan monopoli teknologi asing, memulakan laluan inovasi bebas, prospek cerah, dan aplikasi luas pembangunan domestik dan berskala besar daripada gentian PBO. Ini akan menyumbang kepada pembangunan dan penggunaan mampan bahan PBO berprestasi tinggi dalam industri aeroangkasa, pertahanan negara, ketenteraan dan awam China.
3. Sifat gentian
Menurut laporan Toyobo, produk gentian PBO mewah mereka mempunyai kekuatan 5.8 GPa (dilaporkan sebagai 5.2 GPa di Jerman), modulus 180 GPa, yang merupakan yang tertinggi di antara gentian kimia sedia ada; ia boleh menahan suhu sehingga 600 darjah, dengan indeks oksigen yang mengehadkan 68, dan tidak terbakar atau mengecut dalam api, mempamerkan rintangan haba dan kalis nyalaan yang lebih tinggi daripada mana-mana gentian organik lain. Ia digunakan terutamanya untuk tekstil industri tahan haba dan bahan bertetulang gentian.
Perbandingan prestasi PBO dengan gentian berprestasi tinggi yang lain:
Seperti yang dapat dilihat dari jadual, gentian PBO mempamerkan kekuatan unggul, modulus, rintangan haba, dan kalis api. Terutamanya, kekuatan gentian PBO bukan sahaja mengatasi gentian keluli tetapi juga melebihi gentian karbon. Selain itu, gentian PBO cemerlang dalam rintangan hentaman, rintangan lelasan dan kestabilan dimensi. Ia juga ringan dan fleksibel, menjadikannya bahan mentah tekstil yang ideal.
PBO, sebagai gentian berprestasi hebat abad ke-21, mempunyai sifat fizikal dan mekanikal yang sangat baik serta sifat kimia. Kekuatan dan modulusnya adalah dua kali ganda daripada gentian Kevlar dan ia juga berkongsi rintangan haba dan kalis api gentian meta-aramid. Selain itu, sifat fizikal dan kimianya sepenuhnya mengatasi gentian Kevlar, yang sehingga kini menerajui bidang gentian berprestasi tinggi. Filamen PBO tunggal dengan diameter 1 milimeter boleh mengangkat berat 450 kilogram, iaitu lebih daripada sepuluh kali kekuatan gentian keluli.
4. Pengubahsuaian permukaan gentian PBO
Peningkatan TIFSS (Kekuatan Ricih Antara Muka) antara gentian PBO dan matriks resin bertambah baik, tetapi lebihan agen gandingan boleh membawa kepada lapisan silang silang agen gandingan yang lebih tebal, yang seterusnya mengurangkan TIFSS. Kesan etsa plasma pada permukaan gentian terutamanya bertindak pada agen gandingan, membolehkan pembentukan lapisan silang silang yang dicantumkan. Lapisan agen gandingan ini memberikan perlindungan tertentu kepada gentian, oleh itu penurunan dalam σ (kekuatan) gentian PBO adalah tidak ketara.
Ia boleh dianalisis bahawa keadaan optimum untuk gabungan proses pengubahsuaian dengan agen gandingan dan plasma ialah: kandungan agen gandingan A-187 pada 2%, masa rawatan plasma suhu rendah argon selama 2 min, tekanan pada 50Pa , dan kuasa pada 30W. Antara ejen gandingan terpilih, A-187 mempunyai kesan terbaik untuk meningkatkan IFSS antara gentian PBO dan resin epoksi, dengan kandungan optimum 2%.
(1) Apabila kandungan A-187 ialah 2%, dan keadaan rawatan plasma suhu rendah argon ialah 2min, 30W dan 50Pa, ΓIFSS (Kekuatan Ricih Antara Muka) gentian PBO yang diubah suai boleh mencapai setinggi 10.44 MPa. Ini mewakili peningkatan sebanyak 52% berbanding dengan hanya menggunakan ejen gandingan A-187 untuk pengubahsuaian dan peningkatan 78% berbanding ΓIFSS gentian asal. Kebolehbasahan gentian PBO juga telah bertambah baik.
(2) Bagi gentian PBO yang diubah suai oleh argon plasma suhu rendah digabungkan dengan agen gandingan, penurunan ΓIFSS dari semasa ke semasa adalah tidak ketara; peningkatan dalam sudut sentuhan juga tidak ketara, menunjukkan kecenderungan ke arah kestabilan dengan aliran menurun sedikit. Oleh itu, kesan degradasi gentian PBO yang diubah suai oleh plasma suhu rendah argon digabungkan dengan agen gandingan tidak jelas.
5. Persediaan
PBO disediakan melalui polikondensasi larutan 4,6-diaminoresorcinol hydrochloride (DAR·HCl) dengan asid tereftalat menggunakan asid polifosforik (PPA) sebagai pelarut. Sebagai alternatif, ia boleh disintesis menggunakan dehidrasi P2O5 untuk polikondensasi. PPA berfungsi sebagai pelarut dan sebagai pemangkin untuk polikondensasi.
Sintesis monomer diamino resorcinol telah berjaya dibangunkan oleh American Dow Chemical Company, bermula dengan trichlorobenzene sebagai bahan mentah. Kaedah ini mengelakkan penjanaan isomer semasa proses sintesis, menghasilkan kadar pemulihan yang tinggi, yang memainkan peranan penting dalam pengeluaran industri PBO.
Dop polimer dipintal menggunakan kaedah pemintalan kering-basah, diikuti dengan pencucian dan pengeringan. Apabila larutan berputar dibubarkan untuk membentuk kristal cecair dan berputar kristal cecair digunakan, ia boleh membentuk struktur rantai lanjutan. Gentian berputar awal (jenis standard gentian AS) sudah mempunyai kekuatan melebihi 3.53N/tex dan modulus elastik melebihi 10.84N/tex. Untuk meningkatkan modulus, rawatan haba boleh dilakukan pada sekitar 600 darjah, menghasilkan gentian modulus tinggi (jenis modulus tinggi gentian HM) dengan modulus mencapai 176.4N/tex sambil mengekalkan kekuatan yang sama.
6.Aplikasi
Gentian PBO dicirikan oleh rintangan haba yang sangat baik, kekuatan tinggi, dan modulus tinggi, menjadikannya boleh digunakan secara meluas.
(1) Aplikasi filamen termasuk bahan pengukuh untuk produk getah seperti tayar, tali pinggang penghantar, dan hos; bahan pengukuhan untuk pelbagai plastik dan konkrit; komponen peningkatan untuk peluru berpandu balistik dan bahan komposit; anggota ketegangan dan filem pelindung untuk kabel gentian optik; gentian pengukuhan untuk wayar pemanasan elektrik, kabel fon kepala dan wayar fleksibel lain; bahan tegangan tinggi untuk tali dan kabel; bahan penapis tahan haba untuk penapisan suhu tinggi; peralatan perlindungan untuk peluru berpandu dan peluru, jaket kalis peluru, topi keledar kalis peluru, dan sut penerbangan berprestasi tinggi; peralatan sukan untuk tenis, bot laju, bot lumba, dsb.; diafragma pembesar suara gred tinggi, bahan komunikasi novel; bahan aeroangkasa, dsb.
(2) Aplikasi gentian cincang dan pulpa termasuk gentian pengukuhan untuk bahan geseran dan gasket pengedap; bahan tambahan untuk pelbagai resin dan plastik, dsb.
(3) Aplikasi benang termasuk pakaian memadam kebakaran; pakaian kerja tahan haba untuk hadapan relau dan operasi kimpalan; pakaian pelindung untuk rintangan potong, sarung tangan keselamatan, dan kasut keselamatan; saman pemandu kereta lumba, saman joki; pelbagai pakaian sukan dan peralatan sukan aktif; Sut juruterbang Carrace; peralatan anti-potong, dsb.
(4) Aplikasi gentian pendek adalah terutamanya untuk pad penimbal tahan haba yang dirasai digunakan dalam pemprosesan penyemperitan aluminium; bahan penapis tahan haba untuk penapisan suhu tinggi; tali pinggang perlindungan haba, dsb.