1.開発経緯
PBO は、アメリカ空軍の空気力学開発の研究者によって発明されました。 ポリベンゾオキサゾールの基本特許は当初、米国スタンフォード大学のスタンフォード研究所（SRI）が所有していました。 その後、ダウケミカル社が認可を取得し、独自のモノマー合成法を改良しながらPBOを工業的に開発しました。 新しいプロセスでは異性体副生成物がほとんど生成されず、合成モノマーの収率が向上し、工業化の基礎が築かれました。 1990 年、日本の東洋紡績株式会社はダウ ケミカル カンパニーから PBO 特許技術を購入しました。 1991 年に、Dow-Badische Fibers Inc. が東洋紡績株式会社の設備で PBO 繊維を開発し、PBO 繊維の強度と弾性率が PPTA 繊維の 2 倍に大幅に増加しました。 1994年、東洋紡績株式会社は、Dow-Badische Fibers Inc.の許可を得て、日本円30億円を投資し、年間生産量400トンのPBOモノマーと180トンの紡糸量の生産ラインを建設しました。 1995 年春に部分的に機械化生産を開始し、1998 年までに生産能力は 200 トン/年に達し、商品名はザイロンとなりました。 東洋紡のザイロン開発計画によれば、生産能力は2000年に380トン/年、2003年に500トン/年、2008年には1000トン/年に達すると予想されていた。現在、ザイロンの生産能力は東洋紡（株）のみとなっている。 PBO 繊維を商業的に生産できる世界。
2.PBO繊維開発の展望
近年、ヨーロッパ、アメリカ、日本などの先進国・地域では、高層建築物や大型橋梁、海洋土木の建築分野において、高性能繊維強化複合材料が広く使用されています。 繊維クロスにエポキシ樹脂を含浸させてコンクリート表面に接着することで、元の構造物の耐荷重性と耐震性を大幅に向上させることができます。 さらに、橋梁建設においては、鋼製ケーブルは自重があるため、より長い橋には使用できません。 代わりに、より軽くて丈夫なケーブルが好まれています。 高強度で寸法安定性に優れた PBO 繊維で作られたケーブルが最適です。
PBO 繊維は、耐熱材料の分野で従来のアスベスト材料に徐々に取って代わりつつあり、現在、芳香族ポリアミドなどの難燃性繊維に代わる 350 度以下の用途を模索しています。 350 度を超えると、ステンレス鋼やセラミック繊維などの無機繊維が置き換えられます。 無機繊維は硬く、性能に影響を与える傷がつきやすいため、PBO 繊維にはこれらの欠点を克服する可能性があります。 これまで、有機繊維の耐熱性は不十分（ほとんどが 400 度未満）であり、用途開発が制限されていました。 しかし、PBO繊維の分解温度は650度であり、有機繊維の中で最も高い。 したがって、これまで有機繊維の使用が困難であった350度以上の用途において、有機繊維をPBO繊維に置き換えることが完全に可能となり、PBO繊維耐熱材料の用途が拡大・発展します。
国際的な研究によると、PBO 繊維は電気絶縁材料、衛星探知、軽量材料、自動車産業、深海油田開発などの他の分野でも多くの用途があることが示されています。 高速鉄道の車体に使用されるPBO繊維は、車両の軽量化だけでなく強度も向上します。 PBO繊維の耐薬品性を活かして、様々な耐食防護服が製造できます。 航空宇宙では、限られた負担を軽減するために、PBO 繊維は宇宙で使用されるファスナーやストラップの製造に適しています。 宇宙温度-10度から460度の範囲では、耐熱探知気球の材料としても使用できます。 スポーツ競技セーリングでは、セイルは主に高強度、高弾性率の繊維製の板状の薄い材料で作られています。 帆が風に吹かれたときの変形を最小限に抑えるには、競争力のある帆を作るために最高の弾性率の PBO 繊維を探す必要があります。 PBO 繊維は優れた機械的特性を備えているため、ゴルフクラブ、テニスラケット、スキーポール、スキー板、サーフボード、アーチェリーの弦、レーシングバイクの製造に最適な材料でもあります。
PBO繊維の主要技術の研究開発と工業化により、中国は外国技術の長期的な管理と独占から脱却し、自主的なイノベーション、明るい展望、国内および大規模開発の広範な応用の道を歩み始めることができる。 PBO繊維のこと。 これは、中国の航空宇宙産業、国防産業、軍事産業、民生産業における高性能PBO材料の開発と持続可能な利用に貢献します。
3.繊維の性質
東洋紡の報告書によると、同社のハイエンド PBO 繊維製品の強度は 5.8 GPa (ドイツでは 5.2 GPa と報告)、弾性率は 180 GPa で、既存の化学繊維の中で最高です。 限界酸素指数 68 で 600 度までの温度に耐えることができ、炎の中で燃えたり収縮したりせず、他の有機繊維よりも高い耐熱性と難燃性を示します。 主に耐熱工業用繊維や繊維強化材料に使用されます。
PBO と他の高性能繊維との性能比較:
表からわかるように、PBO 繊維は強度、弾性率、耐熱性、難燃性に優れています。 特に、PBO 繊維の強度は鋼繊維の強度を上回るだけでなく、炭素繊維の強度も上回ります。 また、PBO 繊維は耐衝撃性、耐摩耗性、寸法安定性にも優れています。 また、軽量で柔軟性もあり、繊維原料として最適です。
PBOは21世紀の超高機能繊維として、非常に優れた物理的・機械的特性および化学的特性を備えています。 その強度と弾性率はケブラー繊維の 2 倍であり、メタアラミド繊維の耐熱性と難燃性も備えています。 さらに、その物理的および化学的特性は、これまで高機能繊維の分野をリードしてきたケブラー繊維を完全に上回ります。 直径 1 ミリメートルの 1 本の PBO フィラメントは 450 キログラムの重量を持ち上げることができ、これは鋼繊維の 10 倍以上の強度です。
4.PBO繊維の表面改質
PBO 繊維と樹脂マトリックス間の TIFSS (界面せん断強度) が向上すると、カップリング剤が過剰になるとカップリング剤の架橋層が厚くなり、TIFSS が低下する可能性があります。 繊維表面上のプラズマのエッチング効果は主にカップリング剤に作用し、グラフト化架橋層の形成を可能にします。 このカップリング剤層は繊維に一定の保護を与えるため、PBO 繊維の σ (強度) の低下は顕著ではありません。
カップリング剤とプラズマによる修飾の組み合わせプロセスの最適条件は、A-187 カップリング剤の含有量 2%、アルゴン低温プラズマ処理時間 2 分間、圧力 50Pa であると分析できます。 、30Wの電力。 選択されたカップリング剤の中で、A-187 は PBO 繊維とエポキシ樹脂の間の IFSS の改善に最も効果があり、最適含有量は 2% です。
(1) A-187 の含有量が 2%、アルゴン低温プラズマ処理条件が 2min、30W、50Pa の場合、変性 PBO 繊維の ΓIFSS (界面せん断強度) は 10.44 にも達します。 MPa。 これは、修飾に A-187 カップリング剤のみを使用した場合と比較して 52% の増加、元のファイバーの ΓIFSS と比較して 78% の増加を表します。 PBO繊維の濡れ性も大幅に向上しました。
(2) カップリング剤と組み合わせたアルゴン低温プラズマによって修飾された PBO ファイバーの場合、時間の経過による ΓIFSS の低下は顕著ではありません。 接触角の増加も大幅ではなく、わずかに下降傾向で安定する傾向を示しています。 したがって、カップリング剤と組み合わせたアルゴン低温プラズマによって修飾された PBO 繊維の分解効果は顕著ではありません。
5.準備
PBO は、溶媒としてポリリン酸 (PPA) を使用し、4,6- ジアミノレゾルシノール塩酸塩 (DAR・HCl) とテレフタル酸の溶液重縮合によって調製されます。 あるいは、P2O5 脱水重縮合を使用して合成することもできます。 PPA は重縮合の溶媒と触媒の両方として機能します。
モノマージアミノレゾルシノールの合成は、原料としてトリクロロベンゼンから始めて、アメリカのダウケミカル社によって開発に成功しました。 この方法は合成プロセス中の異性体の生成を回避し、高い回収率をもたらし、PBO の工業生産において重要な役割を果たします。
ポリマードープを乾湿式紡糸法で紡糸し、洗浄、乾燥します。 紡糸溶液を溶解して液晶を形成し、液晶紡糸を使用すると、伸張した鎖構造を形成することができる。 初期紡糸繊維（AS繊維標準タイプ）はすでに強度3.53N/tex以上、弾性率10.84N/tex以上を有しています。 弾性率を高めるために600度程度の熱処理を行うことで、強度を維持しながら弾性率が176.4N/texに達する高弾性繊維（HM繊維・高弾性タイプ）が得られます。
6.アプリケーション
PBO繊維は、優れた耐熱性、高強度、高弾性率を特徴としており、幅広い用途に使用されています。
(1) フィラメントの用途としては、タイヤ、コンベヤベルト、ホースなどのゴム製品の補強材が挙げられます。 各種プラスチックやコンクリートの補強材。 弾道ミサイル用強化部品および複合材料。 光ファイバーケーブル用のテンションメンバーと保護フィルム。 電熱線、ヘッドフォンケーブル、その他のフレキシブルワイヤー用の強化繊維。 ロープやケーブル用の高張力材料。 高温濾過用耐熱濾材。 ミサイルや弾丸用の防護具、防弾チョッキ、防弾ヘルメット、高性能飛行服など。 テニス、スピードボート、レーシングボートなどのスポーツ用品。 高級スピーカー振動板、新しいコミュニケーション素材。 航空宇宙材料など
(2) チョップドファイバーやパルプの用途としては、摩擦材の強化繊維やシールガスケットなどがあります。 各種樹脂、プラスチックの強化材など
(3) 糸の用途には消防服が含まれます。 炉前や溶接作業用の耐熱作業服。 耐切創性保護服、安全手袋、安全靴。 レーシングカーのドライバースーツ、ジョッキースーツ。 各種スポーツウェアやアクティブスポーツ用品。 キャラレースのパイロットスーツ。 切断防止装置など
(4) 短繊維の用途は主にアルミ押出加工に使用される耐熱緩衝パッドフェルトである。 高温濾過用耐熱濾材。 熱保護ベルトなど