1.Sejarah Perkembangan
PBO ditemukan oleh para peneliti pengembangan aerodinamika dari Angkatan Udara Amerika Serikat. Paten dasar polibenzoksazol awalnya dimiliki oleh Stanford Research Institute (SRI) di Universitas Stanford Amerika Serikat. Kemudian, Dow Chemical Company memperoleh otorisasi dan mengembangkan PBO secara industri, sekaligus meningkatkan metode sintesis asli monomer. Proses baru ini hampir tidak menghasilkan produk sampingan isomer, sehingga meningkatkan hasil sintesis monomer dan meletakkan dasar bagi industrialisasi. Pada tahun 1990, Toyobo Co., Ltd. Jepang membeli teknologi paten PBO dari Dow Chemical Company. Pada tahun 1991, Dow-Badische Fibers Inc. mengembangkan serat PBO pada peralatan Toyobo Co., Ltd., yang secara signifikan meningkatkan kekuatan dan modulus serat PBO hingga dua kali lipat dari serat PPTA. Pada tahun 1994, dengan izin dari Dow-Badische Fibers Inc., Toyobo Co., Ltd. menginvestasikan 3 miliar yen Jepang untuk membangun jalur produksi dengan hasil tahunan 400 ton monomer PBO dan 180 ton pemintalan. Pada musim semi tahun 1995, produksi mekanis parsial dimulai, dan pada tahun 1998, kapasitas produksi mencapai 200 ton/tahun, dengan nama komersial 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 Co., Ltd. tetap menjadi satu-satunya perusahaan di dunia yang mampu memproduksi serat PBO secara komersial.
2.Prospek Pengembangan Serat PBO
Dalam beberapa tahun terakhir, negara dan kawasan maju seperti Eropa, Amerika, dan Jepang telah banyak menggunakan material komposit yang diperkuat serat berkinerja tinggi dalam bidang konstruksi gedung bertingkat, jembatan besar, dan teknik kelautan. Dengan menghamili kain fiber dengan resin epoksi dan menempelkannya pada permukaan beton, kapasitas menahan beban dan ketahanan gempa pada 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 tinggi, kestabilan dimensi yang baik merupakan pilihan terbaik.
Serat PBO secara bertahap menggantikan bahan asbes tradisional di bidang bahan tahan panas dan saat ini sedang menjajaki aplikasi di bawah 350 derajat untuk menggantikan serat tahan api seperti poliamida aromatik. Di atas 350 derajat, mereka menggantikan serat anorganik seperti serat baja tahan karat atau keramik. Karena serat anorganik lebih keras dan rentan terhadap goresan yang mempengaruhi kinerjanya, serat PBO berpotensi mengatasi kekurangan tersebut. Sebelumnya, ketahanan panas serat organik tidak mencukupi (kebanyakan di bawah 400 derajat), sehingga membatasi pengembangan penerapannya. Namun serat PBO memiliki suhu dekomposisi 650 derajat, tertinggi di antara semua serat organik. Oleh karena itu, sangat mungkin untuk mengganti serat organik dengan serat PBO pada aplikasi di atas 350 derajat dimana serat organik sebelumnya sulit digunakan, sehingga memperluas dan mengembangkan penerapan bahan tahan panas serat PBO.
Penelitian internasional menunjukkan bahwa serat PBO memiliki banyak aplikasi di bidang lain seperti bahan isolasi listrik, deteksi satelit, bahan ringan, industri otomotif, dan pengembangan ladang minyak laut dalam. Serat PBO yang digunakan pada badan kereta kecepatan tinggi tidak hanya mengurangi bobot kendaraan tetapi juga meningkatkan kekuatannya. Memanfaatkan ketahanan kimia dari serat PBO, berbagai pakaian pelindung tahan korosi dapat dibuat. Di bidang luar angkasa, untuk mengurangi beban terbatas, serat PBO cocok untuk dibuat pengencang dan tali pengikat yang digunakan di luar angkasa. Dalam kisaran suhu kosmik dari -10 derajat hingga 460 derajat, balon ini juga dapat digunakan sebagai bahan untuk balon deteksi tahan panas. Dalam pelayaran kompetisi olah raga, layar sebagian besar dibuat dari bahan tipis seperti pelat serat modulus tinggi berkekuatan tinggi. Untuk meminimalkan deformasi saat layar tertiup angin, serat PBO modulus tertinggi harus dicari untuk membuat layar layar yang kompetitif. 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 sepeda balap.
Penelitian dan pengembangan teknologi utama serta industrialisasi serat PBO dapat memungkinkan Tiongkok melepaskan diri dari kendali jangka panjang dan monopoli teknologi asing, 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, produk serat PBO kelas atas mereka memiliki kekuatan 5,8 GPa (dilaporkan sebagai 5,2 GPa di Jerman), modulus 180 GPa, yang merupakan yang tertinggi di antara serat kimia yang ada; dapat menahan suhu hingga 600 derajat, dengan indeks oksigen pembatas 68, dan 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 kinerja PBO dengan serat berkinerja tinggi lainnya:
Seperti dapat dilihat dari tabel, serat PBO menunjukkan kekuatan, modulus, ketahanan panas, dan ketahanan api yang unggul. Khususnya, kekuatan serat PBO tidak hanya melebihi serat baja tetapi juga melebihi serat karbon. Selain itu, serat PBO unggul dalam ketahanan benturan, ketahanan abrasi, dan stabilitas dimensi. Bahan ini juga ringan dan fleksibel, menjadikannya bahan baku tekstil yang ideal.
PBO, sebagai serat berkinerja super abad ke-21, memiliki sifat fisik dan mekanik serta sifat kimia yang sangat baik. Kekuatan dan modulusnya dua kali lipat dari serat Kevlar dan juga memiliki ketahanan termal dan ketahanan api yang sama dengan serat meta-aramid. Selain itu, sifat fisik dan kimianya benar-benar mengungguli serat Kevlar, yang sampai saat ini memimpin dalam bidang serat berkinerja tinggi. Sebuah filamen PBO tunggal dengan diameter 1 milimeter dapat mengangkat beban 450 kilogram, yang sepuluh kali lebih kuat dari kekuatan serat baja.
4. Modifikasi permukaan serat PBO
Peningkatan TIFSS (Interfacial Shear Strength) antara serat PBO dan matriks resin meningkat, namun kelebihan bahan penggandeng dapat menyebabkan lapisan pengikat silang yang lebih tebal dari bahan penggandeng, yang pada gilirannya mengurangi TIFSS. Efek etsa plasma pada permukaan serat terutama bekerja pada zat penggandeng, memungkinkan pembentukan lapisan ikatan silang yang dicangkokkan. Lapisan bahan penggandeng ini memberikan perlindungan tertentu pada serat, sehingga penurunan σ (kekuatan) serat PBO tidak signifikan.
Dapat dianalisis bahwa kondisi optimal untuk proses gabungan modifikasi dengan bahan penggandeng dan plasma adalah: kandungan bahan penggandeng A-187 sebesar 2%, waktu perawatan plasma suhu rendah argon selama 2 menit, tekanan pada 50Pa , dan daya pada 30W. Di antara bahan penggandeng terpilih, A-187 memiliki efek terbaik dalam meningkatkan IFSS antara serat PBO dan resin epoksi, dengan kandungan optimal 2%.
(1) Ketika kandungan A-187 adalah 2%, dan kondisi perawatan plasma suhu rendah argon adalah 2 menit, 30W, dan 50Pa, ΓIFSS (Kekuatan Geser Antarmuka) serat PBO yang dimodifikasi dapat mencapai 10,44 MPa. Hal ini menunjukkan peningkatan sebesar 52% dibandingkan dengan hanya menggunakan bahan penghubung A-187 untuk modifikasi dan peningkatan sebesar 78% dibandingkan dengan ΓIFSS serat asli. Keterbasahan serat PBO juga telah ditingkatkan secara signifikan.
(2) Untuk serat PBO yang dimodifikasi oleh plasma suhu rendah argon yang dikombinasikan dengan bahan penggandeng, penurunan ΓIFSS dari waktu ke waktu tidak signifikan; peningkatan sudut kontak juga tidak terlalu besar, menunjukkan kecenderungan ke arah stabilitas dengan tren sedikit menurun. Oleh karena itu, efek degradasi serat PBO yang dimodifikasi oleh plasma suhu rendah argon yang dikombinasikan dengan bahan penggandeng tidak terlihat.
5.Persiapan
PBO dibuat dengan larutan polikondensasi 4,6-diaminoresorcinol hidroklorida (DAR·HCl) dengan asam tereftalat menggunakan asam polifosfat (PPA) sebagai pelarut. Alternatifnya, dapat disintesis menggunakan dehidrasi P2O5 untuk polikondensasi. PPA berfungsi baik sebagai pelarut dan sebagai katalis untuk polikondensasi.
Sintesis monomer diamino resorsinol telah berhasil dikembangkan oleh American Dow Chemical Company, dimulai dengan triklorobenzena sebagai bahan bakunya. Metode ini menghindari pembentukan isomer selama proses sintesis, sehingga menghasilkan tingkat pemulihan yang tinggi, yang memainkan peran penting dalam produksi industri PBO.
Obat bius polimer dipintal dengan metode pemintalan kering-basah, dilanjutkan dengan pencucian dan pengeringan. Ketika larutan pemintalan dilarutkan untuk membentuk kristal cair dan pemintalan kristal cair digunakan, maka dapat membentuk struktur rantai panjang. Serat pintal awal (tipe standar serat AS) telah memiliki kekuatan lebih dari 3,53N/tex dan modulus elastisitas lebih dari 10,84N/tex. Untuk meningkatkan modulus, dapat dilakukan perlakuan panas pada suhu sekitar 600 derajat, sehingga menghasilkan serat modulus tinggi (tipe serat modulus tinggi HM) dengan modulus mencapai 176,4N/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; komponen peningkatan untuk rudal balistik dan material komposit; komponen tegangan dan film pelindung untuk kabel serat optik; serat penguat untuk kabel pemanas 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, perahu balap, dan lain-lain; 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 tambahan untuk berbagai resin dan plastik, dll.
(3) Penggunaan benang meliputi pakaian pemadam kebakaran; pakaian kerja tahan panas untuk bagian depan tungku dan operasi 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 untuk bantalan penyangga tahan panas yang digunakan dalam pemrosesan ekstrusi aluminium; bahan penyaring tahan panas untuk penyaringan suhu tinggi; sabuk pelindung termal, dll.