PBO是聚对苯撑苯并二噁唑的简称，是一种高度对称、刚性棒状、芳杂环液晶高分子，经干喷湿纺技术可制得到PBO纤维。PBO纤维具有高强、高模、阻燃、耐热、化学稳定性好等优点，在现有有机纤维中综合性能最优，有着“超级纤维”和“有机纤维之王”的美誉。基于优异的性能，PBO纤维在航天航空、国防军工、高温过滤、安全防护材料、电子电气、交通运输、建筑建材和体育器材等领域有着重要应用。
20世纪70年代，针对芳纶纤维性能的不足，美国空军材料研究所委托斯坦福研究所开发更高性能的航空航天材料，Wolfe等人提出了直线形芳杂环高分子量液晶聚合物的分子设计构想。经过近10年的筛选和实验，在80年代初首先合成出一系列的苯并唑类（PBZ）液晶高分子聚合物，并优选出PBO为杰出代表。陶氏化学解决了高纯单体合成、高分子量PBO聚合等问题，最后由日本东洋纺攻克PBO的液晶纺丝技术，获得了高性能的PBO纤维，1998年实现工业化生产，产能300吨/年。据报道，东洋纺的PBO纤维产能目前已达到2000吨/年，商品名为Zylon纤维，主要包括原丝Zylon-AS和热处理丝Zylon-HM。报道的Zylon-AS纤维的拉伸强度为5.8GPa，Zylon-HM纤维的拉伸模量达到280GPa，在氮气中的热分解温度达到650℃，极限氧指数达到68。
国内发展历史沿革与产业现状
PBO纤维作为超级纤维最杰出的代表，一直以来，日本东洋纺垄断了PBO纤维的制备技术，对我国实施严格的技术封锁和高端产品禁售。国内许多科研工作者投身到PBO的研究中，例如华东理工大学在“七五”、“八五”863的支持下，率先开始PBZ类的聚合物的开发研究。1990年国内首次报道了高分子量PBO聚合物的制备，其后在“十五”863的支持下，解决PBO纤维纺丝和高温热处理技术关键，实现实验室级高强高模PBO纤维的制备。国内多家机构也进行了卓有成效的研究工作，如北京大学、中科院化学所、浙江工业大学和大连化学物理所等对PBO的单体合成进行了研究，开发出高纯度的单体；东华大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学等对PBO的聚合和纺丝工艺进行了探索；哈玻院、航天四院43所、兵器工业53所和华南理工大学等对PBO纤维增强复合材料及造纸技术进行了相关研究。
基于PBO纤维在高端装备应用方面的迫切需求，中蓝晨光化工研究设计院有限公司和华东理工大学从2005年开始合作，在国家的支持下进行国产PBO纤维的技术完善和工程化开发。历经10多年攻关及持续创新，形成了具有自主知识产权的成套技术，成功开发高性能PBO纤维，综合性能达到国际先进、国内领先水平。2017年建成年产10吨级PBO纤维的工程化中试线，成为国内首家有能力提供吨级PBO纤维产品的单位，商品名为STARAMID®CG-PBO 纤维（图1）。2018年中蓝晨光化工研究设计院有限公司对原工程化设备进行优化，重新设计又建成了一条50吨/年高性能PBO纤维成套生产装置，实现了高性能PBO纤维的规模制备，并在此基础上形成了百吨级连续制备技术软件包。经第三方权威检测机构检测，STARAMID®CG-PBO纤维性能如下：高强型拉伸强度达到5.8GPa，拉伸模量大于160GPa以上；高模型拉伸强度达到5.8GPa，拉伸模量大于240GPa以上；在氮气中的热分解温度达到670℃，在空气中分解温度达到630℃，极限氧指数达到74.3。下游用户单位应用验证结果表明，中蓝晨光院的STARAMID®CG-PBO纤维达到日本东洋纺Zylon纤维同等水平。
成都新晨新材料有限公司利用中蓝晨光院的技术进行了成果转化，建成了产能为380吨/年PBO纤维生产线。据悉，目前新晨新材料已完成一期建设，并有产品下线。另外，国内从事PBO纤维生产的单位还有中科金绮新材料科技有限公司，产能50吨/年，其技术来源于中科院化学所；江苏中汇新材料有限公司，其PBO生产技术来源浙江工业大学。
目前，国内PBO纤维市场上主要有中蓝晨光院、成都新晨和中科金绮三家的产品。国内PBO纤维产业是在军工需求牵引下发展起来的，起步较晚，规模较小，单体成本高，产业化技术与日本东洋纺相比，还存在一定差距。国内PBO应用开发还有待进一步开拓和发展，应用端需求不足，整个产业链还远未成熟。从PBO产业化上看，还存在以下问题急需解决：
第一， 原材料中DAR单体成本高，限制PBO纤维产业化发展
4，6-二氨基间苯二酚盐酸盐（DAR）是合成PBO的专用单体，国内生产厂家主要有浙江鼎龙化工有限公司、江苏常州阳光药业有限公司和江苏城东化工有限公司等，中石化集团也有报道开发出高纯DAR单体。从原材料来源，DAR的合成有对苯二酚、二氯苯、三氯苯等多种路线，其生产过程基本都涉及硝化、加氢还原等步骤，属于危险化工工艺。其次，DAR生产中三废高，环保成本高。同时，由于DAR属于PBO聚合的专用单体，PBO产业化规模又限制了DAR的生产规模，导致DAR的成本一直居高不下。因此，开发高效率、低成本、低污染的DAR新生产路线，以及扩大PBO的生产规模迫在眉睫。
第二，应用开发的广度和深度不足，产业链薄弱，还远未实现规模化效益
除了成本，PBO纤维本身也存在一定的性能局限。
（1）耐光和湿热老化性能差：PBO纤维的光老化和湿热老化问题突出，纤维强度会随着老化会明显降低。
（2）界/表面性能影响：缺少极性基团，纤维表面非常光滑，与树脂的复合效果差，难以充分发挥纤维的性能优势。
（3）剪切和压缩性能不佳：分子间主要是范德华力作用，在弯曲和压缩作用下，易发生滑移，影响其作为结构件使用。
近年来，应用端通过各种方法扬长避短。例如，采用热塑性或热固性树脂包覆的方法隔绝氧气和湿气，抑制老化；制品采用皮芯层结构，其中皮层起到阻隔光和湿气作用；与其他纤维混织，加工成面料，主要发挥其阻燃耐热突出特点。
总体而言，由于成本、性能、产能等多方面的综合因素，目前国内PBO纤维的应用需求主要集中在军事工业、高端热防护等领域。国内已经有多家单位开展了PBO纤维的具体应用研究，形成了一定量的需求，主要有航天发动机壳体、飞机黑匣子、新一代装甲多功能内衬、水下微细光缆、高强拖曳电缆和机载拖曳光缆、航空自润滑轴承衬垫、航天器耐温胶管、镀金属防波套、耐高温PBO蜂窝纸、特种高温耐热毡、阻燃耐热消防服等，但远未达到规模应用。
第三，发展历程遗留问题和行业竞争格局，延缓了产业发展
由于最初对PBO性能的认识不足，出现过一些应用失效事件，这在一定程度上影响了PBO纤维的应用推广。比较典型的是美国的“防弹衣”事件，东洋纺实现PBO纤维产业化后，将其用于制作防弹背心，向美国市场防弹领域销售推广。2004年，穿着Zylon纤维制成的防弹背心的美国警察执勤时防弹背心被击穿中弹身亡，之后研究表明这是由于Zylon-AS在湿热老化时性能大幅下降导致失效。这场悲剧以东洋纺被罚6600万美元收场，但是给整个行业带来了长期的不利影响。原本具有高耐热和本征阻燃特性的PBO纤维，在消防防护领域可以有广泛应用。但是，该事件的后续影响葬送了PBO的发展机会，后来居上的聚苯并咪唑纤维（PBI）占据了主要市场份额。
近年来我国碳纤维快速发展的溢出效应，也深刻影响着PBO纤维的发展。在复合材料应用领域，PBO纤维的力学性能与碳纤维T800相当。国内碳纤维产业技术水平，从最初的T300快速迭代，至T800相对成熟，研发紧追国际步伐，稳步向T1000和T1100等高端系列迈进。碳纤维产业成熟，规模效应形成突出的价格优势，对PBO纤维的应用端形成挤压。我国聚酰亚胺（PI）纤维的发展也非常迅速，其因分子结构可设计性强，单体用途广、成本低，在阻燃耐热领域成为PBO纤维强有力的竞争者。
PBO纤维产业发展方向
第一， 大力提升装备水平，系统研究过程控制，实现规模化稳定生产。
国产PBO纤维的发展始终坚持立足自身，独立自主的路线。鉴于国内装备技术水平、原材料质量稳定性等因素的影响，关键技术参数波动与纤维质量之间还未建立系统联系。针对工艺路线连续化和稳定化能力不足的问题，需要开展多项研究，引入精益生产理念，减少生产过程中的噪音影响。
第二， 打破纤维技术局限，开发新品种，应用端持续发力。
目前，东洋纺已经解决了PBO纤维光老化问题，生产的耐光型PBO纤维专供欧美。中蓝晨光院在耐光型PBO纤维的研制方面也取得了突破性进展。国内已有芳纶III、芳砜纶等芳杂环有机纤维品种，具有咪唑环、噁唑环和芳香族聚酰胺键的对比研究基础，有望提供新的解决方案。PBO纤维的光稳定性问题的解决，将极大拓展其应用范围。同时，在PBO纤维的系列化、差别化中也需要持续拓展，如产品结构，除了常规的高强和高模两种纤维类型，还需要开发短切、浆粕等产品，同时也需要在超高性能PBO纤维、低成本PBO纤维等产品领域进行开发。
第三， 加强资源整合，开展全产业链合作，提升应用研究速度。
国内PBO单体厂家经过多年开发，技术已经有了一定的成熟度，但由于规模效应，单体质量不稳定，影响了纤维生产的质量稳定性。下游应用领域不同，需求不同，纤维的使用方式不同，对纤维的表面形貌要求不一。有的单位需要使用的是PBO机织布或UD制备成制件，与纤维之间还存在着较多环节，中间还需要织布厂家、复合材料厂家进行协助加工。因此，上下游企业需要开展全产业链的通力合作，优化产业布局，强化运营管理，打通产业链上下游；尽快实现在300～500吨规模化装置上国产PBO纤维的稳定生产，让下游用户用的放心；规模效应带动关键原材料成本下降，让下游用户用的上去，形成产业良性循环。
为了拓展芳纶应用，杜邦公司专门设立奖项，对Kevlar和Nomex的创新性应用用户进行奖励，而国内大多缺乏相应的体制机制。目前，两化重组成立新中国中化后，中蓝晨光院更充分地发挥研、产、销协同优势，采用先行投资、共同开发、外协加工和系统协同等灵活形式，积极拓展应用开发；努力做好市场化研发，加强应用推广；抓住产业升级机遇，推动工业化，利用规模效应降低成本，形成产业链的良性循环。
