关心有机合成纤维的朋友们可能会听说过PBO纤维，那么PBO纤维是什么？它是怎样被制造出来的？PBO纤维有什么样的特性？可以运用在哪些领域？下面就让我们来一起了解一下PBO纤维。
一、PBO纤维是什么
其实PBO纤维是聚对苯撑苯并二噁唑纤维（Poly-p-phenylene benzobisoxazole）的简称，是有机高性能纤维中力学性能和耐热性最高的品种。它的强度、模量、耐热性、阻燃性、耐冲击性、耐摩擦性和稳定性等均很优异，并且质轻而柔软，是一种极其理想的纺织原料。
一根直径为1毫米的PBO细丝可吊起450千克的重量，其拉伸强度和模量几乎是对位芳纶的两倍，耐热性比对位芳纶高100℃，其极限氧指数（LOI）达68%，密度为1.54-1.56g/cm3，是高强度的不燃纤维。PBO的工业化生产始于上世纪末的1998年，由日本东洋纺丝公司以“Zylon”商标发布，因其优异的性能一出现就引起极大关注，被称为“21世纪超级纤维”。
二、PBO纤维的发展历史
20世纪70年代，最初由美国空军材料实验室为发展航天航空事业需开发一种新型复合材料，委托美国斯坦福大学开展了多年的PBO纤维合成理论与结构研究。20世纪80年代，美国斯坦福研究所在Wolf教授等的带领下组成了该聚合物专题研究组，首先设计发明了最初的PBO纤维合成方法基本专利。但由于受合成工艺的限制，不能合成大分子量的PBO聚合物，其优越的性能难以得到体现。20世纪80年代中期，美国陶氏化学公司开发出了一种新的PBO单体合成、聚合以及纺丝技术。
1990年，日本东洋纺公司从美国陶氏化学公司购买了PBO专利技术。1991年，由陶氏化学公司在日本东洋纺公司的设备上开发出PBO纤维，使PBO纤维的强度和模量大幅度上升，达到PPTA纤维的两倍。1994年，日本东洋纺公司经陶氏化学公司的准许，出巨资30亿日元建成了400吨/年PBO单体和180吨/年纺丝生产线。1995年，日本东洋纺公司开始投入部分工业化试生产。1998年10月，正式投产开始商业化生产，注册商标为Zylon。其生产能力达到200吨/年。
2020年3月，成都新晨新材科技有限公司年产380吨高性能PBO纤维生产线正式商业化量产，标志着我国PBO纤维行业取得了突破性的进展。我国由此继日本东洋纺公司之后，成为全球第二个能大批量生产高性能PBO纤维的国家。希望在不远的将来，新晨新材“侯德纶Houdelen”品牌的PBO纤维能和东洋纺“Zylon”品牌的PBO纤维一样，为客户提供稳定高品质的产品和服务。
三、PBO纤维的性能特点
PBO纤维凭借“高强度、高模量、耐高温”等特性得到了市场的关注，下面，我们就为大家详细介绍PBO纤维的性能特点。
1、基本力学性能
PBO作为21世纪超级纤维，其强度、模量为芳纶1414纤维的2倍，断裂强度高于炭纤维T800。
PBO与其它高性能纤维的性能比较：
| 拉伸模量 | 拉伸强度 | 断裂伸长率 | LOI | 回潮率 | 分解温度 | 密度 | |
| （GPa） | （GPa） | （%） | （%） | （%） | （℃） | （g/cm3） | |
| XCHM | 270 | 5.6 | 2.5 | 68 | 1 | 650 | 1.56 |
| XCHS-11 | 180 | 5.6 | 3.5 | 68 | 4 | 650 | 1.54 |
| Zylon-HM | 270 | 5.8 | 2.5 | 68 | 0.6 | 650 | 1.56 |
| Zylon-AS | 180 | 5.8 | 3.5 | 68 | 2 | 650 | 1.54 |
| 对位芳纶 | 109 | 2.8 | 2.4 | 29 | 4.5 | 550 | 1.45 |
| 间位芳纶 | 17 | 0.65 | 22 | 29 | 4.5 | 400 | 1.38 |
| 钢纤维 | 200 | 2.8 | 1.4 | － | 0 | － | 7.8 |
| C纤维T800 | 290 | 5.5 | 1.9 | － | － | － | 1.8 |
| 玻璃纤维 | 68 | 2.2 | 3 | － | 0.02 | － | 2.5 |
| Dyneema | 114.7 | 3.5 | 3.5 | 16.5 | 0 | 150 | 0.97 |
| PBI | 5.6 | 0.4 | 30 | 41 | 15 | 550 | 1.4 |
| 聚酯 | 15 | 1.1 | 25 | 17 | 0.4 | 260 | 1.38 |
*注：Zylon-AS和Zylon-HM分别为日本东洋纺公司的初生丝和热处理后的纤维；XCHS-11和XCHM分别为成都新晨新材科技有限公司的初生丝和热处理后的纤维。
2、耐热阻燃性能
PBO纤维在空气氛围中的热分解温度为650℃左右，比以耐高温而著称的对位芳纶纤维高100℃左右。而且PBO纤维在400℃的空气条件下，其等温质量损失在5%以下，而芳纶纤维则是接近10%。
PBO纤维的极限氧指数高达68（芳纶的极限氧指数仅为29），是目前所有聚合物基有机纤维中最高的。实验证明，它和火焰接触时不燃烧、不收缩、不硬化，且仍然非常柔软。
3、尺寸稳定性
PBO纤维的尺寸稳定性较好，优于芳纶纤维，并且热膨胀系数为-6x10-6/℃，热及水分对其尺寸变化的影响很小，PBO高模纤维在50%断裂载荷下100h的塑性变形不超过0.03%。PBO纤维与p-amid和copoly-amid相比，其热收缩率只有0.2%，而其余两种材料的热收缩率分别达到了0.5%和0.7%。另外，在外部破坏应力为60N时，PBO高模纤维的蠕变失效时间为19年。
4、化学稳定性
PBO纤维具有优异的耐化学介质性，除了能溶解于浓硫酸、甲基磺酸、酚磺酸以及多聚磷酸外，在绝大部分的有机溶剂及碱中都是稳定的。此外，在次氯酸中也有很好的稳定性，而芳纶在漂白剂中几十小时内就会完全降解，而PBO纤维在漂白剂中异常稳定，且保持原有的强度，因此洗涤时即使使用漂白剂也不会对其造成损伤。
5、PBO纤维存在的缺陷
（1）耐紫外线性能
PBO具有皮-芯结构导致其耐紫外线性能较差，在紫外光长时间照射下，分子链发生开环和断裂，其纤维皮层表面不平整并出现沟痕，严重影响了它的力学性能。
（2）抗压缩性能
PBO分子轴线上较强的共价键力和弱的分子间作用力，分子链之间容易滑移导致PBO的抗压缩性能较差。这使其轴向压缩强度只有200——400MPa。其损伤机理主要是分子间次价力的撕裂以及压力作用下原纤扭结造成的。
（3）表面粘结性能
PBO纤维是由高度共轭的刚性分子链组成的，并且分子链上没有活性侧基，惰性大，表面密实而光滑，导致其与树脂基体界面粘结性较差。
四、PBO纤维的制备方法
PBO纤维的制备一般包括单体合成、聚合体合成和纤维纺丝三个步骤。
1、单体
PBO是由对苯二甲酸或对苯二甲酰氯与4,6—二氨基—1,3—间苯二酚盐酸盐（缩写为DAR）缩聚而得到的高分子聚合物，其中DAR是PBO的重要单体。
1980年，陶氏化学公司的Zenon Lysenko以三氯苯为原料合成了DAR单体（三氯苯法）。首先将连三氯苯硝化，由于2位被Cl原子占据，硝化副产物较少，然后在CH3OH和NaOH存在条件下水解得到4,6—二硝基—2—氯—间苯二酚，最后催化加氢，盐酸酸化成盐得到DAR单体。该方法硝化水解两个步骤基本上都能得到很高的产率，但在催化加氢环节还存在问题，收率较低。
1993年，陶氏化学公司的Morgan等提出了一条新的合成路线，日本人改进了这一路线，目的在于取代带有毒性的原料三氯苯（苯胺法）。他们以苯胺为原料，首先将苯胺制成氯化重氮苯，再与间苯二胺反应得到4,6—二偶氮基间苯二酚，进行催化加氢，盐酸成盐。副产物苯胺也以盐酸盐的形式存在，故需要进行重结晶得到纯度高的DAR。该方法优点就是避免使用了毒性很大的三氯苯，并且苯胺可以二次利用。
2、聚合
PBO的聚合有多种方法，有对苯二甲酸法、对苯二甲酰氯法、三甲基硅烷基化法和中间相法等。而对苯二甲酸法中又演化出盐酸盐法、复合盐法、磷酸盐法和AB型单体法。
工业化通常采用的是盐酸盐法，其基本原理为将4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐（DAR）与对苯二甲酸（TA）在多聚磷酸（PPA）中进行溶液缩聚得到PBO聚合物。
3、纺丝
PBO纤维的制备方法采用干喷湿纺法。纺丝溶剂可选用多聚磷酸（PPA）和甲磺酸（MSA）。Allen.S.R.等发现用MSA为纺丝溶剂制得PBO原丝的相对分子质量很低，且有大量的孔洞，因而纤维的力学性能很差。当用PPA为溶剂时，纤维具有优异的力学性能。比较常用的方法是，将对苯二甲酸（TPA）和4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐（DAR）在多聚磷酸（PPA）介质内先脱氯化氢使单体活化，然后再聚合，得到一定分子量的聚合物溶液，在一定温度条件下经喷丝板挤出，通过一定高度的空气层后进入凝固浴中，控制拉伸比，经碱洗和水洗后得到原纤（AS）；若要制备高抗拉模量纤维，可将初生丝在张力下500——600℃左右进行热处理（HM）。
目前比较常见的方法是将对苯二甲酸和4,6-二氨基间苯二酚盐酸盐在多聚磷酸溶剂中进行溶液加热聚合，所得聚合液为液晶状态，经脱泡和过滤后可直接进行干喷纺而制得初纺丝。
五、PBO纤维的应用
PBO纤维凭借“高强度、高模量、耐高温”等特性，在诸多行业得到了广泛运用，截止目前，运用PBO纤维产品的行业领域如下：
1、侯德纶® PBO长丝
PBO纤维因其独特的分子结构，使其具有超高强度、高模量、优异的阻燃性能以及耐高温性能等。PBO纤维长丝在航空航天、抗弹装甲、复合材料、特种线缆、轮胎、输送带、耐热垫材及高温滤材、消防服、体育休闲用品等领域均有广泛应用。
2、侯德纶® PBO短纤
PBO卷曲短纤以PBO长丝为原料，经专用设备卷曲定型切断制成，该产品强度高、耐高温、阻燃、可纺性好、抗切割，可应用于高温过滤带、防热皮带、铝材及玻璃加工用耐热减震材料等。
3、侯德纶® PBO超短切
PBO超短切纤维是以PBO长丝为原料，通过专用短切设备，并采用公司独创的短切技术，可实现1mm以内的超短切纤维的加工。该产品长度均匀，耐高温、阻燃、耐磨、介电性能优异，可用于工程塑料的填充、增强材料以及密封垫用补强材料等。
4、侯德纶® PBO浆粕
PBO浆粕由PBO纤维经表面原纤化制成，主要用于特种造纸、摩擦密封材料以及塑料橡胶增强改性等领域。
六、结语
成都新晨新材科技有限公司作为国内最大量产高性能PBO纤维的企业，将继续深耕PBO纤维及其下游相关应用方面的技术研发，为客户提供优质的产品和服务。欢迎关注我们的微信公众号新晨新材（微信号：sechin_cd），后续我们将会为大家带来更多关于PBO纤维的技术进展以及其在相关行业领域运用的信息。
