值得期待的高性能纤维——PBO
刘丹丹
聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)是一种高性能的芳杂环聚合物。广泛应用于国防、航空航天高耐热材料等领域。
性能特点
1.耐热及阻燃性能
PBO纤维没有熔点，是迄今为止耐热性最高的有机纤维，其分解温度高达650℃，可在300℃下长期使用。
PBO纤维的极限氧指数(LOI)为68，在有机纤维中仅次于聚四氟乙烯纤维(LOI为95)。对于PBO织物的耐燃性，
如果按照JIS垂直法进行评价，接触火焰时不收缩，移去火焰后基本无残焰，碳化长度小于5nm，特别是在750℃
燃烧时，产生很少的一氧化碳、氰化氢等有毒气体。
2.力学性能
拉伸性能与压缩性能 PBO纤维的拉伸强度为5.8 GPa，拉伸模量最高可达280～380GPa，抗压强度仅为0.2～
0.4GPa，研究表明造成这种现象的原因是PBO的微纤结构使其在压应力的作用下，产生纠结带使纤维变弯曲。
耐冲击性能 PBO纤维在受冲击时纤维可原纤化而吸收大量的冲击能，是十分优异的耐冲击材料。PBO纤维复
合材料的最大冲击载荷和能量吸收均高于芳纶和碳纤维，在相同的条件下，PBO纤维复合材料的最大冲击载荷可达
到3.5kN，能量吸收为20J；而T300碳纤维复合材料的最大冲击载荷为1kN，能量吸收约5J，高模芳纶复合材料的
最大冲击载荷约为1.3kN，能量吸收略大于碳纤维。
尺寸稳定性 PBO纤维在50%断裂载荷下100h的塑性形变不超过0.03%。在50%的断裂载荷下的抗蠕变值是同
样条件下对位芳纶的2倍。在一定载荷下，一定时间后纤维会发生断裂。使用外推法，得到在60%断裂应力水平下
其断裂时间为1.7×105h。PBO纤维在吸脱湿时尺寸变化和特性变化小。
耐磨和耐弯曲疲劳性能 PBO比对位芳纶的耐磨性优良。对于线密度均为1667 dtex的PBO-AS、PBO-HM，对位
芳纶和高模对位芳纶在135℃弯曲2000次之后的强度保持率都约为35%，而在0.88cN/dtex初始张力下，PBO-AS
和PBO-HM磨断循环周期为5000次和3900次，而对位芳纶和高模对位芳纶分别为1000次和200次。
热力学性能 PBO-AS和PBO-HM纤维在300℃空气中处理100h之后的强度保持率分别为48%和42%。PBO-HM纤
维在400℃还能保持在室温时强度的40%、模量的75%。在高达500℃和600℃仍能保持40%和17%的室温强度。PBO
在180℃饱和热蒸汽中处理50h后强度保持率为40%～50%，处于对位芳纶和共聚芳纶之间。PBO在300℃热空气中
无张力处理30min，收缩率只有0.1%。
抗压强度 PBO纤维的抗压强度只有0.2～0.4GPa，相比较其拉伸强度相差甚远。目前研究者已经在增强PBO
纤维抗压性能这一领域展开研究，如采用交联法、涂层法以及引入取代基都是有效地提高抗压性能的方法。
3.化学稳定性
PBO纤维具有优异的耐化学介质性，在几乎所有的有机溶剂及碱中都是稳定的。但能溶解于100%的浓硫酸、甲
基磺酸、氯磺酸、多聚磷酸。此外，PBO对次氯酸也有很好的稳定性，在漂白剂中300h后仍保持90%以上的强度。
4.吸湿性
PBO纤维的吸湿率比芳纶小，PBO-AS的吸湿率为2.0%，PBO-HM的吸湿率为0.6%，而对位和间位芳纶的吸湿率
都为4.5%。
5.光电性能
目前只有少数研究者对PBO纤维光电性能进行了研究，Kim提出用常规的掺杂方法来提高PBO这一类聚合物的
电导率不太理想。Jenekhe与Wang合作用Kr＋离子种植的方法提高此类高分子电导率，得到了令人满意的结果。
国内华东理工大学吴平平等人也用N＋种植的方法对PBO进行表面处理，提出了苯并唑类聚合物“受限”的“孤子
－反孤子”的模型，用来解释离子掺杂不能有效提高此类聚合物电导率。
6.耐光性及染色性
PBO纤维耐日晒性能较差，暴露在紫外线中的时间越长，强度下降越多。特别是经过40h的日晒实验，芳纶的
拉伸断裂强度值还可以稳定在原值的80%左右，而PBO纤维的拉伸断裂强度值仅为原来的37%。
PBO纤维分子非常刚直且密实性高，染料难以向纤维内部扩散，所以染色性能差，一般只可用颜料印花着色。
复合材料中应用广泛
1.耐热垫材及高温滤材
利用PBO纤维的耐热的特点，可用于制造温度超过350℃以上的耐热垫材。
用PBO纤维制造的高温过滤袋和过滤毡，高温下长期使用仍可保持高强度高耐磨性，因此在金属冶炼、水泥和
石灰、石膏生产、炼焦发电和化工等行业除尘器中使用，更有利于改善劳动环境，回收资源。
2.消防服
PBO纤维阻燃性好，在火焰中不燃烧、不收缩、非常柔软，可用于高性能的消防服和炉前工作服、焊接工作服
等处理熔融金属现场用的耐热工作服以及军服。
3.增强材料及高性能帆布
利用PBO纤维高模量的特性，可用于光导纤维的增强。在橡胶增强领域，PBO纤维可代替钢丝作为轮胎的增强
材料，使轮胎轻量化，有助于节能。PBO纤维也可在密封垫片、轮胎、胶管等橡胶制品、各种树脂、塑料、混凝土
抗震水泥构件和高性能同步传动带中作为增强纤维。
利用PBO纤维的高强及高模量特性，可用于绳索和缆绳等高拉力材料、光纤电缆承载构件、光缆的保护膜件材
料、桥梁缆绳、航海运动帆船的主缆以及赛船用帆布。
4.防护服及体育用品
PBO纤维可用作防切伤的保护服、安全手套和安全鞋、赛车服、骑手服、各种运动服和活动性运动装备、飞行
员服、防割破装备以及体育用品。
5.防弹抗冲击材料
PBO纤维的耐冲击强度远远高于由碳纤维以及其它纤维增强的复合材料，能吸收大量的冲击能，利用其优异的
抗冲击性能，应用于防弹材料，使装甲轻型化，也可用于导弹和子弹的防护装备如警用的防弹衣、防弹头盔、防弹
背心。
6.航空宇宙及军事领域
PBO纤维在航天领域可用于火箭发动机隔热、绝缘、燃料油箱、太空中架线、行星探索气球等方面。
PBO纤维还可用于弹道导弹、战术导弹和航空航天领域使用的复合材料增强材料。此外PBO纤维已广泛用于各
种武器装备，对促进武器装备的轻量化、小型化和高性能化起着至关重要的作用。
结 语
PBO纤维的优异特性引起了材料学界的高度重视，其在先进纤维增强树脂基高性能复合材料中的应用成为该领
域的研究热点，但在应用的过程中主要遇到2个问题：一是PBO纤维与树脂基体间界面结合较差，故要对其进行适
当的表面处理，以改善其与树脂基体的界面粘结性能成为目前亟需解决的问题；二是纤维的抗压强度差，研究表明
PBO纤维的微纤结构在压力作用下发生纠结，最后可导致纤维微纤化。