超高強力PBO纖維"Zylon"

[吳文演]

1.前言

尼龍於1937年開啟了合成纖維的歷史，從此諸多合纖陸續被開發衍生出來，而PBO纖維則終結2000年之高強力纖維，主要是它展現極優異之機械與耐熱性能。PBO纖維原是由美國空軍高分子部門於1970年代晚期研發的產品之一，爾後Dow Chemical Co.向SRI（Stanford Research Institute：PBI專利持有者）購得作初期商業化研製產品；然而分子極大剛性，來自分子優異之特性，但造成了量產之困難度。Dow決定借助Toyobo Co.之合作，他們研究之成果於1994年顯現，但Dow因為公司策略之誤判而停止了PBO纖維之研發；最終Toyobo公司取得專利權，並商業化PBO纖維，名為〝Zylon〞。於1999年ACS讚賞此空前之高分子技術，如〝A Global Salute to olymers〞，可謂實至名歸。

2.緣由

　　21世紀纖維往生活資材用途與產業資材用途方面展開，如圖1所示，生活資材以高感性材料發展為主；產業纖維則以領域擴大，追求機能化、極限化、複合化、電腦化、系統化與軟體化為主。其中產業用纖維素材，基於省資源、省能源與環保性之前提下，必須強而輕薄短小，如圖2所示，以應各種需求，並且仍須繼續努力，開發更強之超高強力纖維。

3.PBO纖維之聚合與製造

　　PBO由DAR 2Hcl（Diaminoresorcinol Dihydrochloride）與對苯二甲酸（PTA）在磷酸液（Polyphosphoric Acid）中聚合而成，如圖3所示，聚合之紡液呈現自然溶相型液晶，可直接供紡絲作業。液晶紡絲須經一長空氣紗道（冷卻），以利纖維成形。PBO分子鏈於凝固過程中，因剛性桿狀高分子故易於延纖維軸順向形成延伸鏈狀結構，其凝固之纖維隨後水洗並乾燥之。初紡PBO纖維之強力與模數分別為5.8 GPa與180 GPa，經約600℃之熱處理後，模數約為280 GPa且無強力損失之慮，故PBO纖維不僅是超高強力纖維，亦是耐熱性纖維。

4.纖維特性

　　PBO〝Zylon〞之一般特性整理如表1所示，其機械物性遠優於第一代超級纖維如P-Aramid等，其中尤以Zylon-HM之高強力模數為最。如圖4所示，則為超級纖維之機械物性比較，PBO之強力模數被預期是線型聚合物中最高者，因為理論模數預測線型聚合物Cis-PBO可達470 GPa故，且遠超過P-Aramid（Kevlar）許多。如圖5所示，Zylon之難燃性遠優於PBI（Celanese）、P-Aramid（Kevlar）與m-Aramid（Normex），不僅耐熱超過100℃以上，LOI（Limiting Oxygen Index）值亦超出許多。

　　至今有關石棉替代品，在有機纖維中，唯獨Zylon能長期承受350℃高溫且具極優異耐摩物性，如圖6所示，Zylon氈布於500℃高溫下，其摩耗量遠低於P-Aramid（Kevlar）／氧化纖維者，可見其卓越物性。

　　除上述特性外，PBO仍有他種獨特之物性，諸如低含濕量（low moisture content）、高熱傳導性（high thermal conductivity）、負熱膨脹係數（negative thermal expansion coefficient）、超高抗化學性（superior chemical resistance）、低光安定性（low photostability）與低潛變性（low creep property）。

5.結構形態（Morphology）

　　PBO纖維結構已利用WAXD、SAXS、TEM（穿透電子顯微鏡）、SEM（掃瞄電子顯微鏡）與Raman Spectroscopy（拉曼光譜儀）計測過，其結果顯示如圖7所示，軸向移位之延伸鏈狀結構被發現在微纖中，其直徑約10～50nm；而毛細孔洞（Capillary voids）存在於微纖─微纖中，其直徑約為2～3nm；但絲表皮層則無孔洞區域，其厚度約為0.2μm，形成skin-core結構。纖維橫截面呈現輻射狀排列，縱斷面則存在極佳之順向度。順向度極高，其AS Type為0.95，HM Type為0.99。如圖8所示為PBO纖維之柔順性與結晶順向參數之關係。

6.商品應用

　　PBO纖維商品化後，由於其極優之機械性與耐熱性，因此，許多應用商品與用途陸續被開發出來。茲舉數例說明之。

(1)防彈背心（Ballistic Vest）

　　開發可整天穿著之防彈背心，厚度僅為3.5mm，通常日本NIJ IIA標準，如表2與圖9所示，十分輕便與舒適。

(2)帆布（Sail Clothes）

　　利用Zylon布貼合聚酯薄膜，開發出高性能賽舟帆布，如圖10所示。在西元2000年之美國杯賽舟中，將有許多船使用Zylon帆布。

(3)消防服（Fire fighter掇 garments）

　　利用PBO纖維在火焰燃燒後仍保有優異強力的特性，開發出商品為〝Millenia〞的消防救火工作服，如圖11所示。

(4)石綿替代品（Asbestos replacement）

　　利用Zylon優異之熱隔絕性，可開發高溫金屬或玻璃製程中需求之氈布或墊子（Cushion），如圖12所示，為高溫傳送系統。

(5)其他

　　應用在航太繩索、賽舟船桅繩索與吊重物繩索等；在運動方面，可使用在網球拍及特種用途服飾等。

7.發展潛力

　　1999年Zylon絲（filament line）之線上產能有200噸／年，2000年則因全球需求再增加短纖維（staple line）產能200噸／年。然而，Zylon品質物性之改善仍受到關注，東洋紡已開發出光安定性佳和更高模數之PBO纖維，在不久未來將以〝次世代Zylon〞姿態現身。

8.參考文獻

?International Conference on Advanced Fiber Material, Ueda, Japan, 1999.

?宮本武明，新纖維材料入門，日刊工業新聞社，1990。

?Tatsuya Hongu, New Fibers, Ellis Horwood, 1990.

?本宮達也，????纖維，日刊工業新聞社，1999。

表1　ZylonTM之特性

　 Zylon-AS Zylon-HM
Filament denier 1.5 1.5
Density g/cm3 1.54 1.56
Tensile strength g/d 42 42
GPa 5.8 5.8
Tensile Modulus g/d 1,300 2,000
GPa 180 280
Elongation at break ％ 3.5 2.5
Moisture regain ％ 2.0 0.6
Decomposition temp. C 650 650
LOI 68 68
Thermal expansion coeff. 　 -6*10-6
Dielectric const at 100kHz 　 3
Dissipation factor 　 0.001

表2　UltimaTM Ballistic erformance

NIJ Level IIA II IIIA
Properties Ultima Improvement% Ultima Improvement% Ultima Improvement%
Weight SF 0.49 35 0.60 37 0.77 34
　 kg/m2 2.3 2.9 3.4
Thin-ness inch 0.13 35 0.16 36 0.2 36
　 mm 3.3 4.1 5.1

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