1. تاريخ التطوير
تم اختراع PBO من قبل باحثين في الديناميكا الهوائية من القوات الجوية الأمريكية. تم الاحتفاظ ببراءة الاختراع الأساسية للبولي بنزوثيازول من قبل معهد ستانفورد للأبحاث (SRI) في الولايات المتحدة. وفي وقت لاحق، حصلت شركة Dow Chemical Company على الترخيص وقامت بتطوير PBO صناعيًا، مع تحسين طريقة تخليق المونومر الأصلية أيضًا. لم تنتج العملية الجديدة أي منتجات ثانوية أيزومرية تقريبًا، مما أدى إلى زيادة إنتاج المونومرات المركبة ووضع الأساس للتصنيع. في عام 1990، قامت شركة تويوبو اليابانية بشراء تكنولوجيا براءات الاختراع PBO من شركة داو كيميكال. في عام 1991، قامت شركة Dow-Badische Textile Company بتطوير ألياف PBO على معدات Toyobo، مما أدى إلى زيادة كبيرة في قوة ومعامل ألياف PBO إلى ضعف ألياف PPTA. في عام 1994، وبإذن من شركة Dow-Badische للمنسوجات، استثمرت شركة Toyobo مبلغ 3 مليارات ين لبناء خط إنتاج قادر على إنتاج 400 طن سنويًا من مونومرات PBO و180 طنًا سنويًا للغزل. بدأ الإنتاج الآلي الجزئي في ربيع عام 1995، وبحلول عام 1998، وصلت الطاقة الإنتاجية إلى 200 طن/سنة، مع المنتج المسمى Zylon. وفقًا لخطة تطوير شركة تويوبو لشركة Zylon، كان من المتوقع أن تصل الطاقة الإنتاجية إلى 380 طنًا سنويًا بحلول عام 2000، و500 طن سنويًا بحلول عام 2003، و1000 طن سنويًا بحلول عام 2008. حاليًا، تظل تويوبو الشركة الوحيدة في العالم القادرة تجاريًا على إنتاج Zylon. إنتاج ألياف PBO.
2.آفاق تطوير ألياف PBO
في السنوات الأخيرة، تم استخدام مواد تقوية الألياف المركبة عالية الأداء على نطاق واسع في مجالات البناء مثل المباني الشاهقة والجسور الكبيرة والهندسة البحرية في البلدان والمناطق المتقدمة مثل أوروبا وأمريكا واليابان. من خلال تشريب قماش الألياف براتنج الإيبوكسي ولصقه على السطح الخرساني، يمكن تعزيز قدرة التحمل ومقاومة الزلازل للهيكل الأصلي بشكل كبير. علاوة على ذلك، في بناء الجسور، لا يمكن استخدام الكابلات الفولاذية لجسور أطول بسبب وزنها. وبدلاً من ذلك، هناك تفضيل للكابلات الأخف والأقوى. تعتبر الكابلات المصنوعة من ألياف PBO، والتي تتمتع بقوة خاصة عالية وثبات جيد للأبعاد، هي الخيار الأفضل. تحل ألياف PBO تدريجياً محل مواد الأسبستوس التقليدية في مجال المواد المقاومة للحرارة وتستكشف حاليًا استبدال البولياميدات العطرية والألياف المثبطة للهب الأخرى عند درجات حرارة أقل من 350 درجة. عند درجات حرارة أعلى من 350 درجة، فإنها تحل محل ألياف الفولاذ المقاوم للصدأ أو ألياف السيراميك والألياف غير العضوية الأخرى. نظرًا لأن الألياف غير العضوية صلبة جدًا وعرضة للتسبب في خدوش تؤثر على أدائها، فمن المرجح أن تتغلب ألياف PBO على عيوب الألياف غير العضوية. في السابق، كانت المقاومة الحرارية للألياف العضوية غير كافية (معظمها أقل من 400 درجة)، مما حد من تطوير تطبيقاتها. ومع ذلك، فإن ألياف PBO لديها درجة حرارة تحلل تصل إلى 650 درجة، وهي الأعلى بين جميع الألياف العضوية. لذلك، من الممكن تمامًا استبدال استخدام الألياف العضوية في التطبيقات التي تزيد عن 350 درجة بألياف PBO، وبالتالي توسيع وتطوير تطبيق المواد المقاومة للحرارة لألياف PBO. تشير الأبحاث الدولية إلى أن ألياف PBO لها العديد من التطبيقات المحتملة في مجالات أخرى مثل مواد العزل الكهربائي، والكشف عن الأقمار الصناعية، والمواد خفيفة الوزن، وصناعة السيارات، وتطوير حقول النفط في أعماق البحار. وباعتبارها مادة لجسم القطار عالي السرعة، فإن ألياف PBO لا تقلل من وزن الجسم فحسب، بل تزيد من قوته أيضًا. باستخدام المقاومة الكيميائية لألياف PBO، يمكن تصنيع العديد من الملابس الواقية المقاومة للتآكل. في استكشاف الفضاء، ولتقليل العبء المحدود، تعتبر ألياف PBO مناسبة لصنع المثبتات والأشرطة المستخدمة في الفضاء. وفي نطاق درجات حرارة بيئة الفضاء الكونية من -10 درجة إلى 460 درجة، يمكن استخدامه أيضًا كمادة لبالونات الكشف المقاومة للحرارة. في مجال المنافسة الرياضية الشراعية، تُصنع الأشرعة أساسًا من صفائح رقيقة تشبه الصفائح مصنوعة من ألياف عالية القوة وعالية المعامل. لتقليل تشوه الأشرعة عند تعرضها للرياح، يجب البحث عن ألياف PBO ذات أعلى معامل لإنتاج أشرعة السباق. ونظرًا للخصائص الميكانيكية الممتازة لألياف PBO، فهي أيضًا أفضل المواد لتصنيع مضارب الجولف، ومضارب التنس، وأعمدة التزلج، وألواح التزلج، وألواح التزلج على الماء، وأشرطة الرماية، وعجلات سباق الدراجات. إن البحث والتطوير التكنولوجي الرئيسي وتصنيع ألياف PBO يمكن أن يمكّن الصين من التحرر من السيطرة واحتكار التكنولوجيا الأجنبية على المدى الطويل والشروع في طريق الابتكار المستقل والآفاق المشرقة والتطبيق الواسع للتنمية المحلية والواسعة النطاق. من ألياف PBO. وسيساهم ذلك في التطوير والاستخدام المستدام لمواد PBO عالية الأداء في صناعات الطيران والدفاع الوطني والعسكرية والمدنية في الصين.
3. خصائص الألياف
وفقًا لتقارير تويوبو، تبلغ قوة منتج ألياف PBO المتطورة 5.8 جيجا باسكال (تم الإبلاغ عنها بـ 5.2 جيجا باسكال في ألمانيا)، مع معامل 180 جيجا باسكال، وهو الأعلى بين الألياف الكيميائية الموجودة؛ يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 600 درجة، ولها مؤشر أكسجين محدود يبلغ 68، ولا تحترق أو تتقلص في اللهب، مما يدل على مقاومة أعلى للحرارة ومثبطات اللهب من أي ألياف عضوية أخرى. يتم استخدامه بشكل أساسي للمنسوجات الصناعية المقاومة للحرارة والمواد المقواة بالألياف.
مقارنة PBO مع الألياف الأخرى عالية الأداء: القوة والمعامل والمقاومة للحرارة ومثبطات اللهب لألياف PBO، وخاصة قوتها، لا تتجاوز فقط ألياف الفولاذ ولكنها تتجاوز أيضًا ألياف الكربون. علاوة على ذلك، فإن ألياف PBO تتميز بمقاومة ممتازة للصدمات، ومقاومة للتآكل، وثبات الأبعاد، كما أنها خفيفة وناعمة، مما يجعلها مادة خام نسيجية مثالية للغاية.
PBO، باعتبارها ألياف فائقة الأداء في القرن الحادي والعشرين، تمتلك خصائص فيزيائية وميكانيكية وكيميائية متميزة. تبلغ قوتها ومعاملها ضعف قوة ألياف الكيفلار وتتميز أيضًا بمقاومة الحرارة وتثبيط اللهب لألياف ميتا أراميد، مع خصائص فيزيائية وكيميائية شاملة تفوق تمامًا تلك الخاصة بألياف الكيفلار، التي كانت رائدة في مجال الأداء العالي. ألياف. يمكن لخيوط PBO واحدة يبلغ قطرها 1 ملليمتر أن ترفع وزنًا يصل إلى 450 كيلوجرامًا، وهو ما يزيد عن عشرة أضعاف قوة ألياف الأسلاك الفولاذية.
4. تعديل سطح ألياف PBO.
يمكن تعزيز قوة القص السطحي (IFSS) بين ألياف PBO ومصفوفة الراتينج، لكن الكمية الزائدة من عامل الاقتران قد تؤدي إلى طبقة تشابك سميكة من عامل الاقتران، مما يؤدي بدوره إلى تقليل IFSS. يؤثر حفر البلازما على سطح الألياف بشكل أساسي على عامل الاقتران، مما يشكل طبقة تشابك مطعمة توفر حماية معينة للألياف، وبالتالي فإن الانخفاض في σ ألياف PBO ليس كبيرًا. يوضح التحليل أن الظروف المثالية للعملية المشتركة لعامل الاقتران وتعديل البلازما هي: محتوى عامل الاقتران A-187 بنسبة 2%، ووقت معالجة البلازما بالأرجون عند درجة حرارة منخفضة يبلغ دقيقتين، والضغط عند 50 باسكال، والطاقة عند 30 وات. من بين عوامل الاقتران المحددة، فإن النوع A-187 له أفضل تأثير على تحسين IFSS بين ألياف PBO وراتنجات الإيبوكسي، مع محتوى مثالي يبلغ 2%. (1) عندما يكون محتوى A-187 2%، وتكون ظروف معالجة البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة بالأرجون 2 دقيقة و30 واط و50 باسكال، يمكن أن يصل IFSS لألياف PBO المعدلة إلى 10.44 ميجا باسكال، وهو ما هي زيادة بنسبة 52% مقارنة باستخدام عامل اقتران A-187 فقط للتعديل، وزيادة بنسبة 78% مقارنة باستخدام IFSS للألياف الأصلية. كما تم تحسين قابلية بلل ألياف PBO بشكل ملحوظ. (2) بالنسبة لألياف PBO المعدلة بواسطة بلازما الأرجون ذات درجة الحرارة المنخفضة مع عامل اقتران، فإن الانخفاض في IFSS مع مرور الوقت ليس كبيرًا؛ كما أن الزيادة في زاوية التلامس ليست كبيرة أيضًا، مما يدل على ميل نحو الاستقرار، بل إن هناك اتجاهًا هبوطيًا طفيفًا. لا يتم توضيح تأثير تحلل ألياف PBO المعدلة بواسطة بلازما الأرجون ذات درجة الحرارة المنخفضة مع عامل اقتران.
5.التحضير
يتم تصنيع PBO عن طريق التكثيف المتعدد لمحلول 4،6- ديامينوريسورسينول ثنائي هيدروكلوريد (المعروف أيضًا باسم DAR · 2HCl) مع حمض تيريفثاليك في مذيب حمض متعدد الفوسفوريك (PPA)، أو من خلال التجفيف باستخدام P2O5. يعمل PPA كمذيب وكمحفز للتكثيف المتعدد. تم تطوير تخليق المونومر DAR·2HCl بنجاح بواسطة شركة Dow Chemical Company في الولايات المتحدة، بدءًا من ثلاثي كلورو البنزين كمادة خام. تتجنب هذه الطريقة تكوين الأيزومرات أثناء التوليف، مما يؤدي إلى إنتاجية عالية ولعب دور مهم في الإنتاج الصناعي لـ PBO. يتم غزل مخدر البوليمر باستخدام عملية الغزل الجاف والرطب، يليها الغسيل والتجفيف. عند إذابته إلى خصائص بلورية سائلة، يمكن أن يشكل استخدام غزل البلورات السائلة بنية سلسلة ممتدة، حيث تمتلك الألياف المغزولة الأولية (ألياف AS - النوع القياسي) قوة تزيد عن 3.53 نيوتن/تكس ومعامل مرن يزيد عن 10.84 نيوتن/ تكس. لتحسين المعامل، يمكن إجراء المعالجة الحرارية عند حوالي 600 درجة، مما يؤدي إلى ألياف ذات معامل عالي (ألياف HM - نوع ذو معامل عالي) بمعامل يصل إلى 176.4 نيوتن/تكس مع الحفاظ على نفس القوة.
6.التطبيق
تتميز ألياف PBO بمقاومتها الممتازة للحرارة، وقوتها العالية، ومعاملها العالي، مما يجعلها قابلة للتطبيق على نطاق واسع.
(1) تشمل تطبيقات الخيوط مواد تقوية للمنتجات المطاطية مثل الإطارات والأحزمة الناقلة والخراطيم؛ مواد تقوية لمختلف أنواع البلاستيك والخرسانة؛ تعزيز مكونات الصواريخ الباليستية والمواد المركبة؛ أعضاء التوتر والأغشية الواقية لكابلات الألياف الضوئية؛ ألياف تقوية للأسلاك الكهربائية، وأسلاك سماعات الرأس، والأسلاك المرنة الأخرى؛ مواد عالية الشد للحبال والكابلات؛ مواد ترشيح مقاومة للحرارة للترشيح بدرجة حرارة عالية؛ معدات الحماية للصواريخ والرصاص، والسترات الواقية من الرصاص، والخوذات المضادة للرصاص، وبدلات الطيران عالية الأداء؛ المعدات الرياضية للتنس والزوارق السريعة ويخوت السباق؛ أغشية مكبرات الصوت عالية الجودة، ومواد اتصال جديدة؛ المواد الفضائية، الخ.
(2) تشمل تطبيقات الألياف المقطعة واللب ألياف تقوية لمواد الاحتكاك وحشوات الختم؛ تعزيز المواد لمختلف الراتنجات والبلاستيك، الخ.
(3) تشمل تطبيقات الغزل ملابس مكافحة الحرائق؛ ملابس العمل المقاومة للحرارة للتعامل مع المعادن المنصهرة، مثل ملابس السباكة واللحام؛ الملابس الواقية لمقاومة القطع، وقفازات السلامة، وأحذية السلامة؛ بدلات سائقي سيارات السباق، وملابس الفارس؛ مختلف الملابس الرياضية والمعدات الرياضية النشطة؛ بدلات كاراس التجريبية؛ معدات مكافحة القطع، الخ.
(4) تشمل تطبيقات الألياف القصيرة بشكل أساسي وسادات اللباد العازلة المقاومة للحرارة لمعالجة بثق الألومنيوم؛ مواد ترشيح مقاومة للحرارة للترشيح بدرجة حرارة عالية؛ أحزمة الحماية الحرارية، الخ.