PBO纤维(聚对苯撑苯并二噁唑纤维)是继芳纶纤维之后发明的又一高性能有机纤维,被誉为“21世纪超级纤维”。PBO纤维具有十分优异的物理机械性能和化学性能,其强度、模量、耐热阻燃等性能均超过芳纶纤维,因而在高端装备及军事领域应用前景广阔,可用于新型高速交通工具、宇宙空间器材、防弹背心、飞行员服、防弹头盔和高性能航行服等。
一、高性能PBO纤维性能特点
1) PBO突出高强、高模、韧性好,阻燃,密度小于碳纤维(1.8),但大于芳纶(1.4)和超高分子量聚乙烯(0.9)。
2) 阻燃、耐腐蚀,PBO纤维的极限氧指数为68,在有机纤维中它的阻燃性最高。PBO纤维无熔点,在高温下也不熔融,即使在耐燃试验中也不燃烧、也无收缩现象,试验前后的柔性基本无区别。可在300℃下长期使用。
3) PBO 纤维柔软性良好,织成的织物柔软性近似于涤纶纤维织物,利于纺织编织加工。
4) PBO 纤维的抗老化性能、耐热性和耐燃烧性都比芳纶好。耐磨和耐弯曲疲劳性能优异。
5) PBO的耐冲击性比芳纶、碳纤维都要高很多
在相同的条件下,PBO纤维复合材料的最大冲击载荷可达3.5kN,能量吸收为20J,而T300碳纤维复合材料的最大冲击载荷为1kN,能量吸收约5J,高模芳纶复合材料的最大冲击载荷约为1.3kN,能量吸收略大于碳纤维。利用PBO纤维优异的抗冲击性能,能吸收大量的冲击能,加之其良好的耐药品性、耐切割性,PBO纤维作为防护材料有良好的效果。
PBO纤维主要性能指标均属目前有机和无机纤维之最。
二、与日本东洋纺PBO纤维比较
由于高纯度聚合级单体合成、高分子量PBO制备及超高粘度纺丝原液输送、纺丝工艺难度大等技术难题,目前世界上只有日本东洋纺一家可以工业化生产。PBO纤维应用领域特殊,国外对中国实行技术和销售全面封锁。
中国科学院化学研究所经过近十年的系统研究,在高分子量PBO聚合、PBO液晶纺丝以及纤维后处理等方面获得关键技术突破,显著提高了PBO纤维的性能。相关研究已申请中国国防专利3项,其中2项已授权。建成了年产2吨的PBO纤维中试生产线,技术水平处于国内领先。(拉伸强度5.4 GPa,拉伸模量230 GPa,直径14 um,纤度2.1 dtex,特性粘数(dL/g)≥ 30,极限氧指数≥ 68)
目前我们已提供上百公斤PBO纤维给国内相关航空、航天、兵器等研究部门,平铺或编织成织物制备复合材料,开展PBO纤维在飞机零部件、结构隐身复合材料、复合防护等领域的应用研究,取得一系列满意实验结果,顺利通过某新装备的前期评价实验,得到有关专家和相关航空航天、国防军工单位的高度认可和评价,认为在我国PBO纤维的研制和中试生产方面取得重大突破,对于反恐维稳和国防建设具有重大意义,建议尽快产业化。
三、PBO纤维的需求和目前产能产量
PBO纤维目前只有日本的东洋纺生产,主要是作为军需品对欧美和日本销售,对我国禁销,价格昂贵高达2800~3000元/公斤。PBO纤维国外市场需求量预计在3,000吨/年以上。根据初步调查,国内直接需求量约300吨/年左右,国防军工、航空航天统计大致如下:航空飞机隐身和飞机引擎防碎片,估计需要500公斤/年;航天导弹需要纤维约1~5吨/年;舰船隐身防弹约10吨/年;空间碎片防护1~5吨/年;其他需要50吨/年。PBO 纤维的市场前景巨大。
目前中国科学院化学研究所中试线为2000公斤/年产能,设备投资在1千万左右。经测算年产20,000公斤/年产能PBO生产线需投资在3-4千万(包括单体制备、聚合设备和纺丝设备),一年时间即可建设完成。目前PBO生产的主原料有望控制在700元/公斤(市售价在1200元/公斤),这将大大降低PBO的生产成本。
四、PBO纤维的主要应用方向及重要意义
PBO纤维在高端装备、军事、航空航天及民用等领域应用前景广阔。PBO纤维在航天领域可用于火箭发动机隔热、绝缘、燃料油箱、太空中架线、行星探索气球等;PBO纤维在军事领域可用于弹道导弹、战术导弹和航空航天领域使用的复合材料增强材料。主要用于军用飞机、宇宙飞船及导弹等的结构材料。在火星轨道探测器的空气袋应用方面,特别是对减少发射经费起着重要的作用。此外PBO纤维己广泛用于各种武器装备,在高性能防弹装甲、结构隐身一体化材料等领域使用,对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起着至关重要的作用;民用领域在耐热垫材及高温滤材、消防服、高性能帆布、防护服及体育用品等领域也可以得到广泛应用。
高性能PBO纤维因其独特的优异性能,被视为新一代防弹装甲纤维材料,可用于导弹和子弹的防护设备、防弹背心、防弹头盔等。防弹纤维一直在向高强度、高模量、细旦化方向发展,纤维越细制成的防弹衣越柔软舒适。最直接的要求就是高强度、低重量,而且对纤维的阻燃抗熔滴性要求高,PBO纤维是最合适不过的材料。芳纶纤维对水分和紫外线较为敏感,长时间曝露于日光中和潮湿环境中,其强度会有较大的损失。碳纤维断裂伸长率太小,断裂功较小,在受到弹体冲击时吸收弹体动能性能较差,容易损伤,其防弹能力较差。高分子量聚乙烯纤维的表面呈化学惰性,该纤维具有优异的耐化学性、耐侯性、防水性和耐光性等特点,但其耐热和粘接性较差,最高使用温度仅为100℃,当该防弹服被弹体击中时容易出现熔融破坏的现象。