1.Sejarah Perkembangan
PBO ditemukan oleh peneliti aerodinamika dari Angkatan Udara AS. Paten dasar polibenzotiazol dipegang oleh Stanford Research Institute (SRI) di Amerika Serikat. Kemudian, Dow Chemical Company memperoleh lisensi dan mengembangkan PBO secara industri, sekaligus meningkatkan metode sintesis monomer asli. Proses baru ini hampir tidak menghasilkan produk sampingan isomer, sehingga meningkatkan hasil sintesis monomer dan meletakkan dasar bagi industrialisasi. Pada tahun 1990, Toyobo Co. Jepang membeli teknologi paten PBO dari Dow Chemical. Pada tahun 1991, Perusahaan Tekstil Dow-Badische mengembangkan serat PBO pada peralatan Toyobo, yang secara signifikan meningkatkan kekuatan dan modulus serat PBO hingga dua kali lipat serat PPTA. Pada tahun 1994, dengan izin dari Dow-Badische Textile Company, Toyobo menginvestasikan 3 miliar yen untuk membangun jalur produksi yang mampu memproduksi 400 ton/tahun monomer PBO dan pemintalan 180 ton/tahun. Produksi mekanis parsial dimulai pada musim semi tahun 1995, dan pada tahun 1998, kapasitas produksi mencapai 200 ton/tahun, dengan produk bernama Zylon. Menurut rencana pengembangan Toyobo untuk Zylon, kapasitas produksi diharapkan mencapai 380 ton/tahun pada tahun 2000, 500 ton/tahun pada tahun 2003, dan 1000 ton/tahun pada tahun 2008. Saat ini, Toyobo tetap menjadi satu-satunya perusahaan di dunia yang mampu memproduksi Zylon secara komersial. memproduksi serat PBO.
2.Prospek Pengembangan Serat PBO
Dalam beberapa tahun terakhir, material penguat komposit serat berkinerja tinggi telah banyak digunakan di bidang konstruksi seperti gedung bertingkat, jembatan besar, dan teknik kelautan di negara-negara maju dan kawasan seperti Eropa, Amerika, dan Jepang. Dengan menghamili kain fiber dengan resin epoksi dan menempelkannya ke permukaan beton, kapasitas menahan beban dan ketahanan gempa dari struktur aslinya dapat ditingkatkan secara signifikan. Selain itu, dalam konstruksi jembatan, kabel baja tidak dapat digunakan untuk jembatan yang lebih panjang karena beratnya sendiri. Sebaliknya, mereka lebih memilih kabel yang lebih ringan dan kuat. Kabel berbahan serat PBO yang memiliki kekuatan spesifik tinggi dan stabilitas dimensi yang baik merupakan pilihan terbaik. Serat PBO secara bertahap menggantikan bahan asbes tradisional di bidang bahan tahan panas dan saat ini sedang menjajaki substitusi poliamida aromatik dan serat tahan api lainnya pada suhu di bawah 350 derajat. Pada suhu di atas 350 derajat, mereka menggantikan serat baja tahan karat atau serat keramik dan serat anorganik lainnya. Karena serat anorganik cukup keras dan rentan menimbulkan goresan yang mempengaruhi kinerjanya, serat PBO kemungkinan besar dapat mengatasi kekurangan serat anorganik. Sebelumnya, ketahanan panas serat organik tidak mencukupi (kebanyakan di bawah 400 derajat), sehingga membatasi pengembangan penerapannya. Namun serat PBO memiliki suhu dekomposisi hingga 650 derajat, tertinggi di antara semua serat organik. Oleh karena itu, sangat mungkin untuk menggantikan penggunaan serat organik pada aplikasi di atas 350 derajat dengan serat PBO, sehingga memperluas dan mengembangkan penerapan bahan tahan panas serat PBO. Penelitian internasional menunjukkan bahwa serat PBO memiliki banyak aplikasi potensial di bidang lain seperti bahan isolasi listrik, deteksi satelit, bahan ringan, industri otomotif, dan pengembangan ladang minyak laut dalam. Sebagai material bodi kereta kecepatan tinggi, serat PBO tidak hanya mengurangi bobot bodi tetapi juga meningkatkan kekuatannya. Memanfaatkan ketahanan kimia dari serat PBO, berbagai pakaian pelindung tahan korosi dapat dibuat. Dalam penjelajahan luar angkasa, untuk mengurangi beban yang terbatas, serat PBO cocok untuk dibuat pengikat dan pengikat yang digunakan di luar angkasa. Dalam kisaran suhu lingkungan luar angkasa kosmik dari -10 derajat hingga 460 derajat, bahan ini juga dapat digunakan sebagai bahan untuk balon pendeteksi tahan panas. Dalam bidang olahraga layar kompetisi, layar sebagian besar terbuat dari pelat tipis berbentuk lembaran yang terbuat dari serat berkekuatan tinggi dan modulus tinggi. Untuk meminimalkan deformasi layar saat terkena angin, serat PBO modulus tertinggi harus dicari untuk produksi layar balap. Mengingat sifat mekanik yang sangat baik dari serat PBO, serat ini juga merupakan bahan terbaik untuk pembuatan tongkat golf, raket tenis, tongkat ski, papan ski, papan selancar, tali busur panahan, dan roda balap sepeda. Penelitian dan pengembangan teknologi utama serta industrialisasi serat PBO dapat memungkinkan Tiongkok melepaskan diri dari kendali jangka panjang dan monopoli teknologi asing dan memulai jalur inovasi independen, prospek cerah, dan penerapan luas pembangunan dalam negeri dan skala besar. serat PBO. Hal ini akan berkontribusi pada pengembangan dan penggunaan berkelanjutan material PBO berkinerja tinggi di industri kedirgantaraan, pertahanan nasional, militer, dan sipil Tiongkok.
3. Sifat Serat
Menurut laporan Toyobo, kekuatan produk serat PBO kelas atas adalah 5,8GPa (dilaporkan sebagai 5,2GPa di Jerman), dengan modulus 180GPa, yang tertinggi di antara serat kimia yang ada; dapat menahan suhu hingga 600 derajat, dan memiliki indeks oksigen pembatas 68, tidak terbakar atau menyusut dalam nyala api, menunjukkan ketahanan panas dan ketahanan api yang lebih tinggi dibandingkan serat organik lainnya. Hal ini terutama digunakan untuk tekstil industri tahan panas dan bahan yang diperkuat serat.
Perbandingan PBO dengan serat berperforma tinggi lainnya: kekuatan, modulus, ketahanan panas, dan ketahanan api serat PBO, terutama kekuatannya, tidak hanya melebihi serat baja tetapi juga melebihi serat karbon. Selain itu, serat PBO menunjukkan ketahanan benturan, ketahanan abrasi, dan stabilitas dimensi yang sangat baik, serta ringan dan lembut, menjadikannya bahan baku tekstil yang sangat ideal.
PBO, sebagai serat berperforma super abad ke-21, memiliki sifat fisik, mekanik, dan kimia yang luar biasa. Kekuatan dan modulusnya dua kali lipat dari serat Kevlar dan juga memiliki fitur ketahanan panas dan ketahanan api dari serat meta-aramid, dengan sifat fisik dan kimia secara keseluruhan yang benar-benar melampaui serat Kevlar, yang telah memimpin dalam bidang kinerja tinggi. serat. Sebuah filamen PBO tunggal dengan diameter 1 milimeter dapat mengangkat beban 450 kilogram, lebih dari sepuluh kali kekuatan serat kawat baja.
4. Modifikasi permukaan serat PBO.
Kekuatan geser antar muka (IFSS) antara serat PBO dan matriks resin dapat ditingkatkan, namun jumlah bahan penggandeng yang berlebihan dapat menyebabkan lapisan pengikat silang yang tebal dari bahan penggandeng, yang pada gilirannya mengurangi IFSS. Pengetsaan plasma pada permukaan serat terutama mempengaruhi bahan penggandeng, membentuk lapisan pengikat silang yang dicangkokkan yang memberikan perlindungan tertentu pada serat, sehingga penurunan σ serat PBO tidak signifikan. Analisis menunjukkan bahwa kondisi optimal untuk proses gabungan bahan penggandeng dan modifikasi plasma adalah: Kandungan zat penggandeng sebesar 2%, waktu perawatan plasma suhu rendah argon 2 menit, tekanan pada 50 Pa, dan daya pada 30 W. Di antara bahan penggandeng terpilih, tipe A-187 memiliki efek terbaik dalam meningkatkan IFSS antara serat PBO dan resin epoksi, dengan kandungan optimal 2%. (1) Ketika konten A-187 adalah 2%, dan kondisi perawatan plasma suhu rendah argon adalah 2 menit, 30 W, dan 50 Pa, IFSS serat PBO yang dimodifikasi dapat mencapai hingga 10,44 MPa, yang adalah peningkatan sebesar 52% dibandingkan dengan hanya menggunakan bahan penggandeng A-187 untuk modifikasi, dan peningkatan sebesar 78% dibandingkan dengan IFSS serat asli. Keterbasahan serat PBO juga telah ditingkatkan secara signifikan. (2) Untuk serat PBO yang dimodifikasi dengan plasma suhu rendah argon yang dikombinasikan dengan bahan penggandeng, penurunan IFSS dari waktu ke waktu tidak signifikan; peningkatan sudut kontak juga tidak signifikan, menunjukkan kecenderungan ke arah stabilitas, bahkan ada sedikit tren penurunan. Efek degradasi serat PBO yang dimodifikasi oleh plasma suhu rendah argon yang dikombinasikan dengan bahan penggandeng tidak terlihat.
5.Persiapan
PBO disintesis melalui larutan polikondensasi 4,6-diaminoresorcinol dihydrochloride (juga dikenal sebagai DAR·2HCl) dengan asam tereftalat dalam pelarut asam polifosfat (PPA), atau melalui dehidrasi menggunakan P2O5. PPA berfungsi baik sebagai pelarut dan sebagai katalis untuk polikondensasi. Sintesis monomer DAR·2HCl berhasil dikembangkan oleh Dow Chemical Company di Amerika Serikat, dimulai dari bahan baku triklorobenzena. Metode ini menghindari pembentukan isomer selama sintesis, menghasilkan hasil yang tinggi dan memainkan peran penting dalam produksi industri PBO. Obat bius polimer dipintal menggunakan proses pemintalan kering-basah, dilanjutkan dengan pencucian dan pengeringan. Ketika dilarutkan ke sifat kristal cair, penggunaan pemintalan kristal cair dapat membentuk struktur rantai panjang, dengan serat pintal awal (serat AS - tipe standar) memiliki kekuatan lebih dari 3,53 N/tex dan modulus elastisitas lebih dari 10,84 N/ teks. Untuk meningkatkan modulus, perlakuan panas dapat dilakukan pada suhu sekitar 600 derajat, menghasilkan serat modulus tinggi (serat HM - tipe modulus tinggi) dengan modulus hingga 176,4 N/tex dengan tetap mempertahankan kekuatan yang sama.
6.Aplikasi
Serat PBO dicirikan oleh ketahanan panas yang sangat baik, kekuatan tinggi, dan modulus tinggi, sehingga dapat diterapkan secara luas.
(1) Penerapan filamen meliputi bahan penguat produk karet seperti ban, ban berjalan, dan selang; bahan penguat untuk berbagai plastik dan beton; memperkuat komponen rudal balistik dan material komposit; komponen tegangan dan membran pelindung untuk kabel serat optik; serat penguat untuk kabel listrik, kabel headphone, dan kabel fleksibel lainnya; bahan dengan daya tarik tinggi untuk tali dan kabel; bahan penyaring tahan panas untuk penyaringan suhu tinggi; peralatan pelindung rudal dan peluru, rompi antipeluru, helm antipeluru, dan pakaian penerbangan berperforma tinggi; perlengkapan olah raga tenis, speedboat, yacht balap; diafragma speaker bermutu tinggi, materi komunikasi baru; bahan luar angkasa, dll.
(2) Penerapan serat cincang dan pulp termasuk serat penguat untuk bahan gesekan dan gasket penyegel; bahan penambah untuk berbagai resin dan plastik, dll.
(3) Penggunaan benang meliputi pakaian pemadam kebakaran; pakaian kerja tahan panas untuk menangani logam cair, seperti pakaian pengecoran dan pengelasan; pakaian pelindung tahan sayatan, sarung tangan pengaman, dan sepatu pengaman; pakaian pembalap mobil, pakaian joki; berbagai pakaian olah raga dan perlengkapan olah raga aktif; Pakaian pilot Carrace; peralatan anti potong, dll.
(4) Aplikasi serat pendek terutama mencakup bantalan penyangga tahan panas untuk pemrosesan ekstrusi aluminium; bahan penyaring tahan panas untuk penyaringan suhu tinggi; sabuk pelindung termal, dll.