1.ประวัติการพัฒนา
PBO ถูกคิดค้นโดยนักวิจัยด้านอากาศพลศาสตร์จากกองทัพอากาศสหรัฐฯ สิทธิบัตรพื้นฐานสำหรับ polybenzothiazole จัดขึ้นโดยสถาบันวิจัยสแตนฟอร์ด (SRI) ในสหรัฐอเมริกา ต่อมา บริษัท Dow Chemical Company ได้รับใบอนุญาตและพัฒนา PBO ในทางอุตสาหกรรม ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงวิธีการสังเคราะห์โมโนเมอร์แบบดั้งเดิมด้วย กระบวนการใหม่นี้แทบไม่ก่อให้เกิดผลพลอยได้จากไอโซเมอร์เลย ทำให้ผลผลิตของโมโนเมอร์สังเคราะห์เพิ่มขึ้น และวางรากฐานสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรม ในปี 1990 บริษัท Toyobo ของญี่ปุ่นได้ซื้อเทคโนโลยีสิทธิบัตร PBO จาก Dow Chemical ในปี 1991 บริษัท Dow-Badische Textile ได้พัฒนาเส้นใย PBO บนอุปกรณ์ของ Toyobo ซึ่งเพิ่มความแข็งแรงและโมดูลัสของเส้นใย PBO เป็นสองเท่าของเส้นใย PPTA อย่างมีนัยสำคัญ ในปี 1994 โดยได้รับอนุญาตจาก Dow-Badische Textile Company Toyobo ลงทุน 3 พันล้านเยนเพื่อสร้างสายการผลิตที่สามารถผลิตโมโนเมอร์ PBO ได้ 400 ตัน/ปี และปั่นได้ 180 ตัน/ปี การผลิตโดยใช้เครื่องจักรบางส่วนเริ่มขึ้นในฤดูใบไม้ผลิปี 1995 และในปี 1998 กำลังการผลิตสูงถึง 200 ตัน/ปี โดยมีผลิตภัณฑ์ชื่อ Zylon ตามแผนพัฒนาของ Toyobo สำหรับ Zylon กำลังการผลิตคาดว่าจะสูงถึง 380 ตัน/ปีภายในปี 2543, 500 ตัน/ปีภายในปี 2546 และ 1,000 ตัน/ปีภายในปี 2551 ปัจจุบัน Toyobo ยังคงเป็นบริษัทเดียวในโลกที่สามารถดำเนินการเชิงพาณิชย์ได้ ผลิตเส้นใย PBO
2.อนาคตสำหรับการพัฒนาเส้นใย PBO
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุเสริมแรงคอมโพสิตไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในสาขาการก่อสร้าง เช่น อาคารสูง สะพานขนาดใหญ่ และวิศวกรรมทางทะเลในประเทศที่พัฒนาแล้วและภูมิภาค เช่น ยุโรป อเมริกา และญี่ปุ่น ด้วยการชุบผ้าไฟเบอร์ด้วยอีพอกซีเรซินและยึดติดกับพื้นผิวคอนกรีต ความสามารถในการรับน้ำหนักและความต้านทานแผ่นดินไหวของโครงสร้างเดิมจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ในการก่อสร้างสะพาน สายเคเบิลเหล็กไม่สามารถใช้กับสะพานที่ยาวขึ้นได้เนื่องจากน้ำหนักของมันเอง กลับเลือกใช้สายเคเบิลที่เบากว่าและแข็งแรงกว่า สายเคเบิลที่ทำจากเส้นใย PBO ซึ่งมีความแข็งแรงจำเพาะสูงและความเสถียรของขนาดที่ดีคือตัวเลือกที่ดีที่สุด เส้นใย PBO กำลังค่อยๆ เข้ามาแทนที่วัสดุแร่ใยหินแบบดั้งเดิมในด้านวัสดุทนความร้อน และกำลังสำรวจการทดแทนโพลีเอไมด์อะโรมาติกและเส้นใยหน่วงไฟอื่นๆ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 350 องศา ที่อุณหภูมิสูงกว่า 350 องศา เส้นใยเหล่านี้จะเข้ามาแทนที่เส้นใยสแตนเลส เส้นใยเซรามิก และเส้นใยอนินทรีย์อื่นๆ เนื่องจากเส้นใยอนินทรีย์ค่อนข้างแข็งและมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดรอยขีดข่วนซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน เส้นใย PBO จึงมีแนวโน้มที่จะเอาชนะข้อบกพร่องของเส้นใยอนินทรีย์ได้ ก่อนหน้านี้ ความต้านทานความร้อนของเส้นใยอินทรีย์ไม่เพียงพอ (ส่วนใหญ่ต่ำกว่า 400 องศา) ซึ่งจำกัดการพัฒนาการใช้งาน อย่างไรก็ตาม เส้นใย PBO มีอุณหภูมิการสลายตัวสูงถึง 650 องศา ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาเส้นใยอินทรีย์ทั้งหมด ดังนั้นจึงเป็นไปได้ทั้งหมดที่จะแทนที่การใช้เส้นใยอินทรีย์ในการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 350 องศาด้วยเส้นใย PBO ซึ่งจะเป็นการขยายและพัฒนาการใช้วัสดุทนความร้อนของเส้นใย PBO การวิจัยระดับนานาชาติระบุว่าเส้นใย PBO มีศักยภาพในการนำไปใช้งานในด้านอื่นๆ มากมาย เช่น วัสดุฉนวนไฟฟ้า การตรวจจับด้วยดาวเทียม วัสดุน้ำหนักเบา อุตสาหกรรมยานยนต์ และการพัฒนาแหล่งน้ำมันใต้ทะเลลึก เนื่องจากเป็นวัสดุตัวรถไฟความเร็วสูง เส้นใย PBO ไม่เพียงแต่ช่วยลดน้ำหนักของร่างกายเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความแข็งแรงอีกด้วย ด้วยการใช้ความทนทานต่อสารเคมีของเส้นใย PBO จึงสามารถสร้างชุดป้องกันที่ทนต่อการกัดกร่อนได้หลากหลาย ในการสำรวจอวกาศ เพื่อลดภาระที่จำกัด เส้นใย PBO จึงเหมาะสำหรับทำตัวยึดและสายรัดที่ใช้ในอวกาศ ในช่วงอุณหภูมิสภาพแวดล้อมในอวกาศจักรวาลตั้งแต่ -10 องศาถึง 460 องศา ยังสามารถใช้เป็นวัสดุสำหรับบอลลูนตรวจจับทนความร้อนได้ ในด้านการแข่งขันกีฬาเรือใบ ใบเรือส่วนใหญ่ทำจากแผ่นบางคล้ายแผ่นซึ่งทำจากเส้นใยที่มีความแข็งแรงสูงและมีโมดูลัสสูง เพื่อลดการเสียรูปของใบเรือเมื่อโดนลม จึงต้องมองหาเส้นใย PBO ที่มีโมดูลัสสูงสุดสำหรับการผลิตใบเรือแข่ง ด้วยคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมของเส้นใย PBO จึงยังเป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตไม้กอล์ฟ ไม้เทนนิส เสาสกี กระดานสกี กระดานโต้คลื่น คันธนู และล้อแข่งจักรยาน การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีที่สำคัญและการพัฒนาอุตสาหกรรมของเส้นใย PBO ช่วยให้จีนหลุดพ้นจากการควบคุมและการผูกขาดเทคโนโลยีจากต่างประเทศในระยะยาว และเริ่มต้นเส้นทางแห่งนวัตกรรมที่เป็นอิสระ แนวโน้มที่สดใส และการประยุกต์ใช้การพัฒนาในประเทศและขนาดใหญ่ในวงกว้าง ของเส้นใย PBO สิ่งนี้จะนำไปสู่การพัฒนาและการใช้วัสดุ PBO ประสิทธิภาพสูงอย่างยั่งยืนในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ การทหาร และพลเรือนของจีน
3.คุณสมบัติของไฟเบอร์
ตามรายงานของ Toyobo ความแข็งแกร่งของผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์ PBO ระดับไฮเอนด์ของบริษัทอยู่ที่ 5.8GPa (รายงานเป็น 5.2GPa ในเยอรมนี) โดยมีโมดูลัสที่ 180GPa ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาเส้นใยเคมีที่มีอยู่ สามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 600 องศา และมีดัชนีออกซิเจนจำกัดที่ 68 ไม่ลุกไหม้หรือหดตัวในเปลวไฟ ทนความร้อนและหน่วงไฟได้สูงกว่าเส้นใยอินทรีย์อื่นๆ ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับสิ่งทออุตสาหกรรมทนความร้อนและวัสดุเสริมเส้นใย
การเปรียบเทียบ PBO กับเส้นใยประสิทธิภาพสูงอื่นๆ: ความแข็งแรง โมดูลัส ทนความร้อน และความต้านทานการติดไฟของเส้นใย PBO โดยเฉพาะความแข็งแรง ไม่เพียงแต่มีความแข็งแรงมากกว่าเส้นใยเหล็กเท่านั้น แต่ยังเหนือกว่าเส้นใยคาร์บอนอีกด้วย นอกจากนี้ เส้นใย PBO ยังทนต่อแรงกระแทก ทนต่อการเสียดสี และความเสถียรของมิติได้ดีเยี่ยม อีกทั้งยังมีน้ำหนักเบาและอ่อนนุ่ม ทำให้เป็นวัตถุดิบสิ่งทอในอุดมคติอย่างยิ่ง
PBO ซึ่งเป็นเส้นใยประสิทธิภาพสูงแห่งศตวรรษที่ 21 มีคุณสมบัติทางกายภาพ ทางกล และทางเคมีที่โดดเด่น ความแข็งแรงและโมดูลัสสูงกว่าเส้นใยเคฟล่าร์ถึง 2 เท่า และยังมีคุณสมบัติทนความร้อนและหน่วงการติดไฟของเส้นใยเมตาอะรามิด ด้วยคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีโดยรวมที่เหนือกว่าเส้นใยเคฟล่าร์ซึ่งเป็นผู้นำในด้านประสิทธิภาพสูงโดยสิ้นเชิง เส้นใย เส้นใย PBO เส้นเดียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มิลลิเมตรสามารถรับน้ำหนักได้ 450 กิโลกรัม ซึ่งมีความแข็งแรงมากกว่าเส้นใยลวดเหล็กถึงสิบเท่า
4. การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเส้นใย PBO
ความต้านทานแรงเฉือนระหว่างพื้นผิว (IFSS) ระหว่างเส้นใย PBO และเมทริกซ์เรซินสามารถเพิ่มขึ้นได้ แต่ปริมาณสารเชื่อมต่อที่มากเกินไปอาจนำไปสู่ชั้นการเชื่อมขวางที่หนาของสารเชื่อมต่อ ซึ่งในทางกลับกันจะลด IFSS การกัดด้วยพลาสมาบนพื้นผิวไฟเบอร์จะส่งผลต่อสารเชื่อมต่อเป็นหลัก โดยสร้างชั้นการเชื่อมขวางแบบกราฟต์ที่ให้การปกป้องเส้นใยบางอย่าง ดังนั้นการลดลงของ σ ของเส้นใย PBO จึงไม่มีนัยสำคัญ การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการรวมของสารเชื่อมต่อและการดัดแปลงพลาสมาคือ: ปริมาณสารเชื่อมต่อ A-187 ที่ 2% เวลาบำบัดพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำอาร์กอน 2 นาที ความดันที่ 50 Pa และกำลังที่ 30 วัตต์ ในบรรดาสารเชื่อมต่อที่เลือก ชนิด A-187 มีผลดีที่สุดในการปรับปรุง IFSS ระหว่างเส้นใย PBO และอีพอกซีเรซิน โดยมีปริมาณที่เหมาะสมที่สุด 2% (1) เมื่อปริมาณ A-187 คือ 2% และสภาวะการบำบัดพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำของอาร์กอนคือ 2 นาที, 30 วัตต์ และ 50 Pa IFSS ของเส้นใย PBO ที่ได้รับการดัดแปลงจะสามารถเข้าถึงได้สูงถึง 10.44 MPa ซึ่ง เพิ่มขึ้น 52% เมื่อเทียบกับการใช้เพียงสารเชื่อมต่อ A-187 สำหรับการดัดแปลง และเพิ่มขึ้น 78% เมื่อเทียบกับ IFSS ของไฟเบอร์ดั้งเดิม ความสามารถในการเปียกของเส้นใย PBO ได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเช่นกัน (2) สำหรับเส้นใย PBO ที่ดัดแปลงโดยพลาสมาอุณหภูมิต่ำอาร์กอนรวมกับสารเชื่อมต่อ การลดลงของ IFSS เมื่อเวลาผ่านไปไม่มีนัยสำคัญ การเพิ่มขึ้นของมุมสัมผัสก็ไม่มีนัยสำคัญเช่นกัน ซึ่งแสดงถึงแนวโน้มความมั่นคง และมีแนวโน้มลดลงเล็กน้อยด้วยซ้ำ ผลการย่อยสลายของเส้นใย PBO ที่ดัดแปลงโดยพลาสมาอุณหภูมิต่ำอาร์กอนรวมกับสารเชื่อมต่อจะไม่เด่นชัด
5.การเตรียมตัว
PBO ถูกสังเคราะห์โดยสารละลายโพลีคอนเดนเซอร์ของไดไฮโดรคลอไรด์ 4,6-ไดอะมิโนเรซอร์ซินอล ไดไฮโดรคลอไรด์ (หรือที่รู้จักในชื่อ DAR·2HCl) กับกรดเทเรฟทาลิกในตัวทำละลายของกรดโพลีฟอสฟอริก (PPA) หรือผ่านการทำให้แห้งโดยใช้ P2O5 PPA ทำหน้าที่เป็นทั้งตัวทำละลายและตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการควบแน่น การสังเคราะห์โมโนเมอร์ DAR·2HCl ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จโดยบริษัท Dow Chemical ในสหรัฐอเมริกา โดยเริ่มจากไตรคลอโรเบนซีนเป็นวัตถุดิบ วิธีนี้หลีกเลี่ยงการก่อตัวของไอโซเมอร์ในระหว่างการสังเคราะห์ ซึ่งให้ผลผลิตสูงและมีบทบาทสำคัญในการผลิต PBO ทางอุตสาหกรรม สารโดพโพลีเมอร์ถูกปั่นโดยใช้กระบวนการปั่นแห้ง-เปียก ตามด้วยการล้างและทำให้แห้ง เมื่อละลายจนได้คุณสมบัติผลึกเหลว การใช้การปั่นผลึกเหลวจะทำให้เกิดโครงสร้างลูกโซ่ขยายออกไป โดยมีเส้นใยปั่นเริ่มต้น (เส้นใย AS - ชนิดมาตรฐาน) มีความแข็งแรงมากกว่า 3.53 N/tex และโมดูลัสยืดหยุ่นมากกว่า 10.84 N/ เท็กซ์ เพื่อปรับปรุงโมดูลัส การบำบัดความร้อนสามารถทำได้ที่ประมาณ 600 องศา ส่งผลให้เส้นใยโมดูลัสสูง (เส้นใย HM - ชนิดโมดูลัสสูง) โดยมีโมดูลัสสูงถึง 176.4 N/tex ในขณะที่ยังคงความแข็งแรงเท่าเดิม
6.การสมัคร
เส้นใย PBO มีลักษณะพิเศษคือทนความร้อนได้ดีเยี่ยม มีความแข็งแรงสูง และโมดูลัสสูง ทำให้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างกว้างขวาง
(1) การใช้งานเส้นใยรวมถึงวัสดุเสริมแรงสำหรับผลิตภัณฑ์ยาง เช่น ยาง สายพานลำเลียง และท่ออ่อน วัสดุเสริมแรงสำหรับพลาสติกและคอนกรีตชนิดต่างๆ การเสริมความแข็งแกร่งให้กับส่วนประกอบสำหรับขีปนาวุธและวัสดุคอมโพสิต ชิ้นส่วนรับแรงดึงและเมมเบรนป้องกันสำหรับสายเคเบิลใยแก้วนำแสง เส้นใยเสริมแรงสำหรับสายไฟ สายหูฟัง และสายไฟอ่อนอื่นๆ วัสดุแรงดึงสูงสำหรับเชือกและสายเคเบิล วัสดุกรองทนความร้อนสำหรับการกรองที่อุณหภูมิสูง อุปกรณ์ป้องกันขีปนาวุธและกระสุน เสื้อกันกระสุน หมวกกันกระสุน และชุดนักบินประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์กีฬาสำหรับเทนนิส เรือเร็ว เรือยอทช์แข่ง ไดอะแฟรมลำโพงคุณภาพสูง วัสดุการสื่อสารใหม่ วัสดุการบินและอวกาศ ฯลฯ
(2) การใช้เส้นใยสับและเยื่อกระดาษรวมถึงการเสริมเส้นใยสำหรับวัสดุเสียดสีและปะเก็นซีล เสริมวัสดุสำหรับเรซินและพลาสติกต่างๆ เป็นต้น
(3) การใช้เส้นด้ายรวมถึงชุดผจญเพลิง ชุดทำงานทนความร้อนสำหรับการจัดการโลหะหลอมเหลว เช่น เครื่องแต่งกายในโรงหล่อและงานเชื่อม ชุดป้องกันสำหรับความต้านทานแรงตัด ถุงมือนิรภัย และรองเท้านิรภัย ชุดนักแข่งรถ ชุดจ๊อกกี้ ชุดกีฬาและอุปกรณ์กีฬาแอคทีฟต่างๆ ชุดนักบินคาร์เรซ; อุปกรณ์ป้องกันการบาด ฯลฯ
(4) การใช้เส้นใยสั้นส่วนใหญ่ ได้แก่ แผ่นสักหลาดบัฟเฟอร์ทนความร้อนสำหรับการอัดขึ้นรูปอลูมิเนียม วัสดุกรองทนความร้อนสำหรับการกรองที่อุณหภูมิสูง เข็มขัดป้องกันความร้อน ฯลฯ