1.ประวัติการพัฒนา
PBO ถูกคิดค้นโดยนักวิจัยในการพัฒนาด้านอากาศพลศาสตร์จากกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกา สิทธิบัตรพื้นฐานสำหรับโพลีเบนโซซาโซลนั้น เริ่มแรกเป็นของสถาบันวิจัยสแตนฟอร์ด (SRI) ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในสหรัฐอเมริกา ต่อมา บริษัท Dow Chemical Company ได้รับอนุญาตและพัฒนา PBO ในทางอุตสาหกรรม ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงวิธีการสังเคราะห์โมโนเมอร์แบบดั้งเดิมด้วย กระบวนการใหม่นี้แทบจะไม่สร้างผลพลอยได้จากไอโซเมอร์เลย ทำให้ผลผลิตของโมโนเมอร์สังเคราะห์เพิ่มขึ้น และวางรากฐานสำหรับการพัฒนาทางอุตสาหกรรม ในปี พ.ศ. 2533 บริษัท โตโยโบ จำกัด ของญี่ปุ่นได้ซื้อเทคโนโลยีสิทธิบัตร PBO จากบริษัท ดาว เคมิคอล ในปี 1991 บริษัท Dow-Badische Fibers Inc. ได้พัฒนาเส้นใย PBO บนอุปกรณ์ของ Toyobo Co., Ltd. ซึ่งเพิ่มความแข็งแรงและโมดูลัสของเส้นใย PBO เป็นสองเท่าของเส้นใย PPTA อย่างมีนัยสำคัญ ในปี 1994 โดยได้รับอนุญาตจาก Dow-Badische Fibers Inc. บริษัท Toyobo Co., Ltd. ได้ลงทุน 3 พันล้านเยนของญี่ปุ่นเพื่อสร้างสายการผลิตโดยมีผลผลิตโมโนเมอร์ PBO 400 ตันต่อปี และการปั่นด้าย 180 ตัน ในฤดูใบไม้ผลิปี 1995 บริษัทเริ่มการผลิตโดยใช้เครื่องจักรบางส่วน และในปี 1998 กำลังการผลิตสูงถึง 200 ตัน/ปี โดยมีชื่อทางการค้าว่า Zylon ตามแผนการพัฒนาของ Toyobo สำหรับ Zylon คาดว่ากำลังการผลิตจะอยู่ที่ 380 ตัน/ปีในปี 2543, 500 ตัน/ปีในปี 2546 และ 1,000 ตัน/ปีในปี 2551 ปัจจุบัน Toyobo Co., Ltd. ยังคงเป็นบริษัทเดียวใน โลกที่สามารถผลิตเส้นใย PBO ในเชิงพาณิชย์ได้
2.อนาคตของการพัฒนาไฟเบอร์ PBO
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ประเทศและภูมิภาคที่พัฒนาแล้ว เช่น ยุโรป อเมริกา และญี่ปุ่นมีการใช้วัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใยประสิทธิภาพสูงอย่างกว้างขวางในด้านการก่อสร้างอาคารสูง สะพานขนาดใหญ่ และวิศวกรรมทางทะเล ด้วยการชุบผ้าใยด้วยอีพอกซีเรซินและยึดติดกับพื้นผิวคอนกรีต ความสามารถในการรับน้ำหนักและความต้านทานแผ่นดินไหวของโครงสร้างเดิมสามารถปรับปรุงได้อย่างมาก นอกจากนี้ ในการก่อสร้างสะพาน สายเคเบิลเหล็กไม่สามารถใช้กับสะพานที่ยาวขึ้นได้เนื่องจากน้ำหนักของมันเอง กลับเลือกใช้สายเคเบิลที่เบากว่าและแข็งแรงกว่า สายเคเบิลที่ทำจากเส้นใย PBO ซึ่งมีความแข็งแรงสูง มีความคงตัวของขนาดที่ดีคือตัวเลือกที่ดีที่สุด
เส้นใย PBO กำลังค่อยๆ เข้ามาแทนที่วัสดุแร่ใยหินแบบดั้งเดิมในด้านวัสดุทนความร้อน และกำลังสำรวจการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำกว่า 350 องศา เพื่อทดแทนเส้นใยหน่วงไฟ เช่น อะโรมาติกโพลิเอไมด์ อุณหภูมิสูงกว่า 350 องศา พวกมันจะมาแทนที่เส้นใยอนินทรีย์ เช่น สแตนเลสหรือเส้นใยเซรามิก เนื่องจากเส้นใยอนินทรีย์มีความแข็งกว่าและมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยขีดข่วนซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน เส้นใย PBO จึงมีศักยภาพที่จะเอาชนะข้อบกพร่องเหล่านี้ได้ ก่อนหน้านี้ ความต้านทานความร้อนของเส้นใยอินทรีย์ไม่เพียงพอ (ส่วนใหญ่ต่ำกว่า 400 องศา) ซึ่งจำกัดการพัฒนาการใช้งาน อย่างไรก็ตาม เส้นใย PBO มีอุณหภูมิการสลายตัว 650 องศา ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาเส้นใยอินทรีย์ทั้งหมด ดังนั้นจึงเป็นไปได้ทั้งหมดที่จะแทนที่เส้นใยอินทรีย์ด้วยเส้นใย PBO ในการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 350 องศา ซึ่งก่อนหน้านี้เส้นใยอินทรีย์ใช้งานยาก จึงขยายและพัฒนาการใช้วัสดุทนความร้อนของเส้นใย PBO
การวิจัยระดับนานาชาติระบุว่าเส้นใย PBO มีการใช้งานมากมายในด้านอื่นๆ เช่น วัสดุฉนวนไฟฟ้า การตรวจจับด้วยดาวเทียม วัสดุน้ำหนักเบา อุตสาหกรรมยานยนต์ และการพัฒนาแหล่งน้ำมันในทะเลลึก เส้นใย PBO ที่ใช้ในตัวรถไฟความเร็วสูงไม่เพียงแต่ช่วยลดน้ำหนักของยานพาหนะ แต่ยังเพิ่มความแข็งแกร่งอีกด้วย ด้วยการใช้ความทนทานต่อสารเคมีของเส้นใย PBO จึงสามารถสร้างชุดป้องกันที่ทนต่อการกัดกร่อนได้หลากหลาย ในการบินและอวกาศ เพื่อลดภาระที่จำกัด เส้นใย PBO จึงเหมาะสำหรับทำตัวยึดและสายรัดที่ใช้ในอวกาศ ในช่วงอุณหภูมิจักรวาลตั้งแต่ -10 องศา ถึง 460 องศา ยังสามารถใช้เป็นวัสดุสำหรับบอลลูนตรวจจับทนความร้อนได้ ในการแข่งขันกีฬาเรือใบ ใบเรือส่วนใหญ่ทำจากวัสดุบางคล้ายแผ่นที่มีความแข็งแรงสูงและมีโมดูลัสสูง เพื่อลดการเสียรูปเมื่อใบเรือถูกลมพัด จึงต้องมองหาเส้นใย PBO ที่มีโมดูลัสสูงที่สุดเพื่อสร้างใบเรือที่สามารถแข่งขันได้ ด้วยคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมของเส้นใย PBO จึงยังเป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการผลิตไม้กอล์ฟ ไม้เทนนิส เสาสกี กระดานสกี กระดานโต้คลื่น คันธนู และจักรยานแข่ง
การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีที่สำคัญและการพัฒนาอุตสาหกรรมของเส้นใย PBO ช่วยให้จีนหลุดพ้นจากการควบคุมและการผูกขาดเทคโนโลยีจากต่างประเทศในระยะยาว เริ่มต้นเส้นทางแห่งนวัตกรรมที่เป็นอิสระ แนวโน้มที่สดใส และการประยุกต์ใช้การพัฒนาในประเทศและขนาดใหญ่ในวงกว้าง ของเส้นใย PBO ซึ่งจะมีส่วนช่วยในการพัฒนาและการใช้วัสดุ PBO ประสิทธิภาพสูงอย่างยั่งยืนในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ การทหาร และพลเรือนของจีน
3.คุณสมบัติของไฟเบอร์
ตามรายงานของ Toyobo ผลิตภัณฑ์เส้นใย PBO ระดับไฮเอนด์ของบริษัทมีความแข็งแกร่ง 5.8 GPa (รายงานเป็น 5.2 GPa ในเยอรมนี) ซึ่งเป็นโมดูลัสที่ 180 GPa ซึ่งสูงที่สุดในบรรดาเส้นใยเคมีที่มีอยู่ สามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 600 องศา โดยมีดัชนีออกซิเจนจำกัดอยู่ที่ 68 และไม่ไหม้หรือหดตัวในเปลวไฟ ทนความร้อน และหน่วงการติดไฟได้สูงกว่าเส้นใยอินทรีย์อื่นๆ ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับสิ่งทออุตสาหกรรมทนความร้อนและวัสดุเสริมเส้นใย
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของ PBO กับเส้นใยประสิทธิภาพสูงอื่นๆ:
ดังที่เห็นจากตาราง เส้นใย PBO มีความแข็งแรง โมดูลัส ทนความร้อน และหน่วงไฟได้เหนือกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความแข็งแรงของเส้นใย PBO ไม่เพียงแต่เหนือกว่าเส้นใยเหล็กเท่านั้น แต่ยังเหนือกว่าเส้นใยคาร์บอนอีกด้วย นอกจากนี้ เส้นใย PBO ยังมีความเป็นเลิศในด้านความทนทานต่อแรงกระแทก ความทนทานต่อการเสียดสี และความเสถียรของมิติ อีกทั้งยังมีน้ำหนักเบาและยืดหยุ่น ทำให้เป็นวัตถุดิบสิ่งทอในอุดมคติ
PBO ซึ่งเป็นเส้นใยประสิทธิภาพสูงแห่งศตวรรษที่ 21 มีคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่ยอดเยี่ยมเป็นพิเศษ รวมถึงคุณสมบัติทางเคมีด้วย ความแข็งแรงและโมดูลัสของมันคือสองเท่าของเส้นใยเคฟลาร์ และยังมีคุณสมบัติต้านทานความร้อนและหน่วงการติดไฟเช่นเดียวกับเส้นใยเมตาอะรามิดอีกด้วย นอกจากนี้ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของมันยังมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเส้นใยเคฟล่าร์ซึ่งเป็นผู้นำในด้านเส้นใยประสิทธิภาพสูงมาจนบัดนี้ เส้นใย PBO เส้นเดียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มิลลิเมตรสามารถรับน้ำหนักได้ 450 กิโลกรัม ซึ่งมีความแข็งแรงมากกว่าเส้นใยเหล็กถึงสิบเท่า
4. การปรับเปลี่ยนพื้นผิวของเส้นใย PBO
การปรับปรุง TIFSS (Interfacial Shear Strength) ระหว่างเส้นใย PBO และเมทริกซ์เรซินจะดีขึ้น แต่การมีสารเชื่อมต่อที่มากเกินไปสามารถนำไปสู่ชั้นการเชื่อมขวางที่หนาขึ้นของสารเชื่อมต่อ ซึ่งส่งผลให้ TIFSS ลดลง ผลการกัดของพลาสมาบนพื้นผิวของเส้นใยจะออกฤทธิ์ต่อสารเชื่อมต่อเป็นหลัก ทำให้เกิดการก่อตัวของชั้นการเชื่อมขวางแบบกราฟต์ ชั้นสารเชื่อมต่อนี้ให้การปกป้องเส้นใยในระดับหนึ่ง ดังนั้นการลดลงของ σ (ความแข็งแรง) ของเส้นใย PBO จึงไม่มีนัยสำคัญ
สามารถวิเคราะห์ได้ว่าสภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับกระบวนการปรับเปลี่ยนด้วยสารเชื่อมต่อและพลาสมาคือ: ปริมาณของสารเชื่อมต่อ A-187 ที่ 2% เวลาบำบัดพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำอาร์กอนเป็นเวลา 2 นาที ความดันที่ 50Pa และกำลังไฟ 30W. ในบรรดาสารเชื่อมต่อที่เลือก A-187 มีผลดีที่สุดในการปรับปรุง IFSS ระหว่างเส้นใย PBO และอีพอกซีเรซิน โดยมีปริมาณที่เหมาะสมที่สุด 2%
(1) เมื่อปริมาณของ A-187 คือ 2% และสภาวะการบำบัดพลาสมาที่อุณหภูมิต่ำของอาร์กอนคือ 2 นาที, 30W และ 50Pa ΓIFSS (ความต้านทานแรงเฉือนของส่วนต่อประสาน) ของไฟเบอร์ PBO ที่ผ่านการดัดแปลงจะสูงถึง 10.44 MPa. ซึ่งแสดงถึงการเพิ่มขึ้น 52% เมื่อเทียบกับการใช้เพียงสารเชื่อมต่อ A-187 สำหรับการปรับเปลี่ยน และการเพิ่มขึ้น 78% เมื่อเทียบกับ ΓIFSS ของไฟเบอร์ดั้งเดิม ความสามารถในการเปียกของเส้นใย PBO ได้รับการปรับปรุงอย่างมากเช่นกัน
(2) สำหรับเส้นใย PBO ที่ดัดแปลงโดยพลาสมาอุณหภูมิต่ำอาร์กอนรวมกับสารเชื่อมต่อ การลดลงของ ΓIFSS เมื่อเวลาผ่านไปไม่มีนัยสำคัญ การเพิ่มขึ้นของมุมสัมผัสก็ไม่มีนัยสำคัญเช่นกัน ซึ่งแสดงถึงแนวโน้มความมั่นคงโดยมีแนวโน้มลดลงเล็กน้อย ดังนั้นผลการย่อยสลายของเส้นใย PBO ที่ถูกดัดแปลงโดยพลาสมาอุณหภูมิต่ำอาร์กอนรวมกับสารเชื่อมต่อจึงไม่เด่นชัด
5.การเตรียมตัว
PBO ถูกเตรียมโดยสารละลายโพลีคอนเดนเซอร์ของไดอะมิโนเรซอร์ซินอล ไฮโดรคลอไรด์ (DAR·HCl) 4,6- ด้วยกรดเทเรฟทาลิกโดยใช้กรดโพลีฟอสฟอริก (PPA) เป็นตัวทำละลาย อีกทางหนึ่ง มันสามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้การดีไฮเดรชัน P2O5 สำหรับการควบแน่น PPA ทำหน้าที่เป็นทั้งตัวทำละลายและตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเกิดปฏิกิริยาควบแน่น
การสังเคราะห์โมโนเมอร์ diamino resorcinol ได้รับการพัฒนาอย่างประสบความสำเร็จโดย American Dow Chemical Company โดยเริ่มจากไตรคลอโรเบนซีนเป็นวัตถุดิบ วิธีนี้หลีกเลี่ยงการสร้างไอโซเมอร์ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ ทำให้มีอัตราการคืนสภาพสูง ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการผลิต PBO ทางอุตสาหกรรม
สารโดพโพลีเมอร์ถูกปั่นโดยใช้วิธีการปั่นแบบแห้ง-เปียก ตามด้วยการซักและทำให้แห้ง เมื่อสารละลายปั่นหมาดถูกละลายจนเกิดเป็นผลึกเหลวและใช้การปั่นผลึกเหลว จะสามารถสร้างโครงสร้างลูกโซ่ที่ขยายออกไปได้ เส้นใยปั่นเริ่มต้น (ชนิดมาตรฐานเส้นใย AS) มีความแข็งแกร่งมากกว่า 3.53N/tex และโมดูลัสยืดหยุ่นมากกว่า 10.84N/tex ในการเพิ่มโมดูลัส การบำบัดความร้อนสามารถทำได้ที่ประมาณ 600 องศา ส่งผลให้เส้นใยโมดูลัสสูง (ชนิดโมดูลัสไฟเบอร์สูง HM) โดยมีโมดูลัสสูงถึง 176.4N/tex ในขณะที่ยังคงความแข็งแรงเท่าเดิม
6.การใช้งาน
เส้นใย PBO มีลักษณะพิเศษคือทนความร้อนได้ดีเยี่ยม มีความแข็งแรงสูง และโมดูลัสสูง ทำให้สามารถนำไปใช้งานได้อย่างกว้างขวาง
(1) การใช้งานเส้นใยรวมถึงวัสดุเสริมแรงสำหรับผลิตภัณฑ์ยาง เช่น ยาง สายพานลำเลียง และท่ออ่อน วัสดุเสริมแรงสำหรับพลาสติกและคอนกรีตชนิดต่างๆ ส่วนประกอบเสริมสำหรับขีปนาวุธและวัสดุคอมโพสิต ชิ้นส่วนแรงดึงและฟิล์มป้องกันสำหรับสายเคเบิลใยแก้วนำแสง เส้นใยเสริมแรงสำหรับสายไฟทำความร้อนไฟฟ้า สายหูฟัง และสายไฟอ่อนอื่นๆ วัสดุแรงดึงสูงสำหรับเชือกและสายเคเบิล วัสดุกรองทนความร้อนสำหรับการกรองที่อุณหภูมิสูง อุปกรณ์ป้องกันขีปนาวุธและกระสุน เสื้อกันกระสุน หมวกกันกระสุน และชุดนักบินประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์กีฬาสำหรับเทนนิส เรือเร็ว เรือแข่ง ฯลฯ ไดอะแฟรมลำโพงคุณภาพสูง วัสดุการสื่อสารแบบใหม่ วัสดุการบินและอวกาศ ฯลฯ
(2) การใช้เส้นใยสับและเยื่อกระดาษรวมถึงการเสริมเส้นใยสำหรับวัสดุเสียดสีและปะเก็นซีล วัสดุเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับเรซินและพลาสติกต่างๆ เป็นต้น
(3) การใช้เส้นด้ายรวมถึงชุดผจญเพลิง ชุดทำงานทนความร้อนสำหรับงานหน้าเตาและงานเชื่อม ชุดป้องกันสำหรับความต้านทานแรงตัด ถุงมือนิรภัย และรองเท้านิรภัย ชุดนักแข่งรถ ชุดจ๊อกกี้; ชุดกีฬาและอุปกรณ์กีฬาแอคทีฟต่างๆ ชุดนักบินคาร์เรซ; อุปกรณ์ป้องกันการบาด ฯลฯ
(4) การใช้เส้นใยสั้นส่วนใหญ่ใช้สำหรับแผ่นบัฟเฟอร์ทนความร้อนที่ใช้ในกระบวนการอัดขึ้นรูปอลูมิเนียม วัสดุกรองทนความร้อนสำหรับการกรองที่อุณหภูมิสูง เข็มขัดป้องกันความร้อน ฯลฯ