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欲使芳纶的性能再上一个大的台阶已举步为艰

发布时间:2019-03-10 点击量:
  由于PBO纤维的综合性能极佳,几乎为目前有机纤维之最,因此被有关专家称之为21世纪的超级纤维,其在军事上的重大意义不言自明。自诞生之初日本的东洋纺公司就对我国进行了禁售,专供美国市场,是一类具有战略意义的材料资源。我国自20世纪80年代起就与美国同步开展了PBO纤维的研究,但由于合成PBO的单体不能自产,以及工艺的不完善,其合成的PBO聚合物性能甚至还不如凯芙拉纤维,于90年代初停止了继续研制。直到日本东洋纺STC公司研发出商品化的Zylon(柴隆)纤维后,我国的政府机构和相关科研院所才对PBO纤维的研发重新重视起来。经过10多年的不断研究,目前以中蓝晨光化工研究设计院和浙江工业大学的技术较为成熟。
 
  3月7日,据国内媒体披露,由成都新晨新材料科技有限公司整体投资约5亿元,产量达380吨/年的高性能PBO纤维生产装置已于2018年底正式投产成功。这也标志着我国成为继日本东洋纺STC公司之后(其专利产品就是大名鼎鼎的Zylon “柴隆”,我们看到的 几乎所有防火高性能被服装备的基础材料之一),第二个能大批量产PBO超级纤维的国家。军事观察家根据国内外公开资料,对PBO纤维以及国内外的研发应用现状做一背景简介。自凯芙拉(对位芳纶)防弹纤维材料于1964年在美国杜邦公司问世以来, 作为特种纤维中产量和用量最大的品种,目前全世界的年总产能已超过8万吨(我国的年总产能约8000吨)。在其基础上,世界各国还开发出许多高强度、高模量的升级产品, 但是由于自身性能的限制,欲使芳纶的性能再上一个大的台阶已举步为艰。
 
  为了寻求更好的防弹材料和高性能纤维产品,20世纪70年代末美国空军材料实验室开始了新一代高性能芳香族杂环聚合物的研究,并成功研发出聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维这种新材料。该纤维其优异的物理机械性能和化学性能,引起了世界各国相关科研院所和企业的高度兴趣。美国著名的斯坦福(Stanford)大学和陶氏(DOW)化学公司取得了该技术的授权,并进行相关工业化开发。经过20多年的努力,陶氏化学公司在日本东洋纺公司的协助下开发出了PBO纤维的全套生产工艺。由于美国的环保政策比较严格以及其它多种因素,陶氏化学公司最终并没有进行量产,而是将PBO的合成工艺以巨资独家转让给日本的东洋纺公司。东洋纺公司又对该产品的生产工艺进行了多次改进,才于1998年10月建成了世界上第一条年产200吨的PBO纤维工业化大规模生产线,注册商标为Zylon(柴隆)。
 
  由于该生产技术比较复杂,西方很多公司虽然都已研发出PBO纤维产品,但大多处于中试和产业化实施阶段,日本东洋纺公司仍然是目前世界上唯一的一家可以进行PBO纤维商业化生产的公司。根据东洋纺对Zylon(柴隆)的发展计划,2000年的生产能力达到380吨/年,2003 年达到500吨/年,2008年达到1000吨/年,能够初步满足日本和欧美军方市场的需求。据相关资料称,PBO纤维其耐热性达到了650℃,比以耐热性而著称的对位芳纶还要高100℃,是目前有机高性能纤维中的最高耐热值,即使在1000℃的环境下也仅仅仅分解了28%。可做到在火焰中不燃烧、不收缩,在330℃的高温环境下长期使用。
 
  该纤维还是一种超高强高模材料,其强度和模量约为凯芙拉(对位芳纶)的2到3倍,其相对强度则是钢的12至14倍,而比重只有1.52~1.55克/立方厘米,明显低于碳纤维(1.8克/立方厘米),仅为钢的1/5。外国专家曾做过实验:一根直径为1毫米的PBO细丝就可轻松的吊起450公斤的重物。目前PBO纤维复合增强材料已在西方国家最新研制的弹道导弹、战术导弹和航空航天领域产品中得到了广泛应用,相对于用T800级碳纤维复合材料制成的固体火箭发动机壳体,其容器性能要提高31%,可减轻重量30%,使发动机质量比达到 0.93以上,为其他结构部件、装药等预留出更大的空间,使固体火箭发动机的性能和导弹射程得到更大的提升。由于其优异的抗高温性能,PBO纤维还在火箭和航空发动机隔热、绝缘材料上得到了广泛的应用。
 
  PBO纤维还是一种极其优良的抗冲击和防弹材料,如果说凯芙拉(对位芳纶)纤维和高分子量聚乙烯(PE)纤维能够防住7.62毫米子弹的话,那么同等重量的PBO纤维就能防住12.7毫米子弹的攻击。据我国相关研究机构发布的公开信息称,国产高强高韧型PBO纤维工程化研究已取得了重大进展,在抗弹装甲复合材料及多功能内衬应用考核评价中多种技术参数指标均名列第一,并引领国家抗弹复合材料的发展。我国最新研制的飞机“黑匣子”(航空拋放式飞行数据记录器)壳体也因为其优异的抗冲击性能、耐腐蚀、耐火性能,而改用国产PBO纤维材料。但令人遗憾的是,目前PBO纤维价格极为昂贵,2016年国际市场售价相当于人民币2000元/公斤,是同等重量凯芙拉纤维的6到7倍,相当于贵金属白银售价的2/3,要想在单兵防护市场上得到广泛应用,目前来看还比较困难,只有少数的精锐部队进行了装备。
 
  中蓝晨光通过近十年的开发,突破了PBO的聚合放大、多工位纺丝和工程化热处理关键技术,截止2017年,中蓝晨光已建成一条年产10吨级PBO纤维的军用中试生产实验线,是当时国内唯一有能力提供百公斤级产品的单位,其纤维性能也已接近东洋纺公司Zylon(柴隆)的水平,并正在将其扩建到50吨级的年产能。浙江工业大学则和江苏中汇特纤新材料有限公司进行资金和技术合作,于2018年9月12日建成一条年产50吨的PBO纤维生产线。成都新晨新材料有限公司去年年底建成投产的380吨/年PBO纤维生产线是目前国内已知最大的生产装置,其技术来源也是中蓝晨光化工研究设计院。随着我国多条PBO纤维生产线的陆续建成,成本也会变得越来越低,也迫使日方在出口市场降价,这种21世纪超级纤维必将在我国的国防、航空航天等高科技领域具有更为广泛的用途。
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