聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维被称为世界超级纤维之冠,被认为是目前综合性能最好的一种有机纤维。PBO纤维是20世纪80年代美国为发展航天航空事业而开发的复合材料用增强材料,是含有杂环芳香族的聚酰胺家族中最有发展前途的一个成员,其突出的特点是抗拉强度、模量高,耐冲击性能、防弹性能好,耐高温、阻燃性能好。
PBO纤维作为21世纪超性能纤维,具有十分优异的物理机械性能和化学性能,其强力、模量为Kevlar(凯夫拉)纤维的2倍并兼有间位芳纶耐热阻燃的性能,而且物理化学性能完全超过迄今在高性能纤维领域处于领先地位的Kevlar纤维。一根直径为1毫米的PBO细丝可吊起450千克的重量,其强度是钢丝纤维的10倍以上。
哈尔滨工业大学在国家"863"高技术计划项目、总装备部预研项目、中国航天科工集团项目的支持下,经过近十年的研究,在单体合成、PBO 聚合、液晶纺丝、纤维改性、纤维表面处理研究方面取得了重要突破,建立了 PBO 纤维纺丝线,制备出拉伯强度 ***,模量 240GPa 的高强度、高模量的 PBO 纤维。
本项目的聚对苯撑苯并双噁唑(PBO)纤维,由哈尔滨工业大学黄玉东教授团队在实验室小试生产线上已经制备出拉伸强度50GPa,模量250GPa的高强度、高模量的 PBO 纤维。相关研究已申请专利40余项,已授权的有 30 余项。本项目已在大庆市高新技术开发区初步完成了中试化工作,形成了高强 PBO 纤维和高模 PBO 纤维两个品种,这两种产品接近吨级的纤维拉伯强度在***之间,弹性模量>170GPa,热分解温度>650℃,纤维直径在12-13um之间,长丝连续长度>3000m。
该成果得到国家科技部资金支持3项,相关技术荣获国家技术发明二等奖和黑龙江省科学技术一等奖。整体技术工艺水平在国内处于最先进地位
为下一步高性能PBO纤维的量产打下了坚实的基础。
本项目负责人黄玉东,哈尔滨工业大学化工与化学学院教授、博士生导师、院长,山东省“泰山学者”特聘专家,黑龙江省政府特殊津获得者。
2021年4月23日,入选中国工程院2021年院士增选有效候选人名单, 6月2日,进入第二轮评审候选人名单。 现任哈尔滨工业大学党委常委、副校长,哈尔滨工业大学(深圳)校长。
黄玉东教授,光华工程科技奖和全国创新争优奖状,中国化工学会会士,国务院学位委员会学科评议组成员等,主要从事高分子复合材料方面的研究工作,包括增强纤维表面改性、复合材料界面优化控制及工程化应用。多次在国际、国内学术会议上做特邀报告和大会报告。研究成果在我国航空、航天等重要领域获得应用。第一获奖人获得国家技术发明二等奖2项、省部级一等奖4项。
研究方向为:聚合物基复合材料的增强纤维及其编织物的表面处理;多层次界面结构表征与优化控制;高性能有机纤维合成制备;生物高分子材料制备。
评价单位:“科创中国”濮阳国防产业科技服务团 (中国兵工学会)
评价时间:2022-11-20
综合评价
该项目推广转化后可实现年销售收入约6亿元,利税约1.2亿元,且能带动高级轮胎帘子线、轻质高强度缆绳、光缆增强护套、高温耐腐蚀过滤材料、高级运动器械、耐高温隔热复合材料等上下游产业的发展。
PBO纤维产业未来发展方向:
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。
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