Кіріспе
Полибензимидазол (PBI, poly[2,2’ (m-фенилен) 5,5’ бисбензимидазол]) талшығы – өте жоғары ыдырау температурасы бар синтетикалық талшық. Ол балқымайды, ерекше жылулық және химиялық тұрақтылыққа ие, және оңай тұтанбайды. Оны алғаш рет американдық полимер химия ғалымы Карл Шипп Марвел жоғары температурада жоғары тұрақтылықты, қатаңдықты сақтау және беріктігі бар жаңа материалдарды іздеу кезінде тапқан. Жоғары тұрақтылығының арқасында полибензимидазол өрт сөндірушілердің киімдерін, ғарышкерлердің костюмдерін, жоғары температураға төзімді қорғаныш қолғаптарды, дәнекерлеушілердің киімдерін және ұшақ қабырғаларын жасау үшін қолданылады. Полибензимидазол отын жасушаларында мембрана ретінде де қолданылады.
Ашылу
Бринкер мен Робинсон 1949 жылы алғаш рет алифалық полибензимидазолдарды хабарлады. Дегенмен, тамаша физикалық және химиялық қасиеттері бар ароматты полибензимидазолды ашқандығы үшін, 1950 жылдары Карл Шипп Марвелге ең көп есім тиесілі болды. Райт-Паттерсон әуе күші базасының Материалдық зертханасы Марвелге жүгінді. Олар қысқа мерзімді механикалық кернеуге төзуге қабілетті, парашюттарға арналған қолайлы материалдар іздеп жатты. Алайда, сол кездегі барлық белгілі жіптердің жылуға төзімділігі жеткіліксіз болды. Алғашқы іздеулер ароматты конденсациялық полимерлерге бағытталған, бірақ полимердің максималды жылулық тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін амидтік байланыс әлсіз болып шықты, ал Марвелдің зерттеулері ароматты және гетероароматты қайталама бірліктері бар конденсациялық полимерлерге бағытталды. Бұл нәтижеде полибензимидазолдың ашылуына әкелді.
Жалпы физикалық қасиеттері
PBI әдетте сарыдан қоңырға дейін қатты, 400 °C немесе одан жоғары температурада балқымайды. PBI-дың ерігіштігі күмәнді, себебі көптеген сызықты PBI күшті протондық қышқылдарда (мысалы, күкірт қышқылы немесе метансульфон қышқылы) ішінара немесе толығымен ериді, ал әлсіз қышқылдарда, мысалы, құмырсқа қышқылында, және қышқыл емес ортада, мысалы, aprotic amide түріндегі еріткіштерде және диметилсульфоксидте ерігіштік туралы қайшы нәтижелер тіркелген. Мысалы, Ивакура және авторлар фосфор қышқылында дайындалған PBI-дың бір түрінің құмырсқа қышқылында ішінара, ал диметилсульфоксид пен диметилацетамидте толығымен еритінін анықтады, ал Варма мен Вена осы полимер түрінің құмырсқа қышқылында толығымен еритінін, бірақ диметилсульфоксид пен диметилацетамидте ішінара ғана еритінін хабарлады.
Термиялық тұрақтылық
Имидазол туындылары тұрақты қосылыстар екені белгілі. Олардың көптегені қышқылдар мен сілтелердің ең күшті әсерлеріне де төзімді және тотығуға оңай түспейді. Жоғары ыдырау температурасы және 400 °C-тан жоғары тұрақтылық, бензимидазол қайталама бірлік ретінде қолданылған полимер де жоғары жылу тұрақтылығын көрсетуі мүмкін екенін ұсынады. Полибензимидазол және оның ароматикалық туындылары 500 °C-тан аспайтын температурада жұмсармай және бұзылмай сақталады. Изофталь қышқылы мен 3,3'-диаминобензидиннен синтезделген полимер 770 °C температураға дейін қыздырылғанда ерімейді және бірнеше сағат бойы 900 °C-қа дейін қыздырылғаннан кейін салмағының тек 30% ғана жоғалтады.
Жалынға төзімділік
Материалды қолдануға кіріспес бұрын ескеру қажетті қасиет – жанғыштық, ол материалдың нақты пайдалану жағдайларында қаншалықты оңай тұтанатынын және жанатынын көрсетеді. Бұл оның құрылыс, өндіріс объектілерін жобалау және интерьер дизайны сияқты түрлі салаларда қолданылуына әсер етуі мүмкін. Жанғыштықты сандық бағалаудың бірнеше әдісі бар, мысалы, шектеулі оттегі индексі (LOI), яғни, белгілі бір үлгіні шам тәрізді жағдайда жағу үшін қажетті ең төменгі оттегі концентрациясы. Бұл жанғыштықты салыстыру арқылы "рейтинг" беруге мүмкіндік береді. Деректер PBI материалының әдеттегі полимерлерге қарағанда отқа жоғары төзімді екенін көрсетеді.
Ылғалдылықты қалпына келтіру
PBI-дың ылғалды сіңіру қабілеті қорғаныш киімдерінде пайдалы, бұл киімді киюге қолайлы етеді, ал басқа синтетикалық полимерлерден мүлдем өзгеше. PBI-дың ылғалды сіңіру деңгейі (13%) мақтаның (16%) көрсеткіштерімен салыстырғанда жақсы нәтижелерді көрсетеді.
Синтез
PBI(IV) дифенил изофталаты (I) және 3,3’,4,4’ тетрааминодифенил (II) конденсациялық реакциясы арқылы дайындалады (1-сурет). Аралықта түзілген амин амидінің (III) PBI (IV) -ге спонтанды циклденуі, әлдеқайда тұрақты амидтік байланысты қамтамасыз етеді. Бұл синтетикалық әдіс алғаш рет зертханада қолданылып, кейін екі сатылы процесс ретінде жетілдірілді. Типик синтезде бастапқы материалдар 270 °C температурада 1,5 сағат бойы қыздырылып, PBI преполимері түзіледі, ал кейін преполимер 360 °C температурада тағы 1 сағат бойы қыздырылып, коммерциялық сападағы түпкі өнімге айналады. Екінші сатының себебі – бірінші сатыда фенол мен судың қосалқы өнімдерінің пайда болуы, нәтижесінде көлемді көбік пайда болады, ол бастапқы көлемді бірнеше есе кеңейтеді. Бұл мәселе өнеркәсіптік өндірушілердің ескеруіне алынуы керек. Бұл көбікті поликонденсацияны шамамен 200 °C жоғары температурада және 2,1–4,2 МПа қысымда жүргізу арқылы азайтуға болады. Көбікті жоғары қайнау температурасы бар сұйықтықтарды, мысалы, дифенил эфирін немесе цетанды поликонденсацияға қосу арқылы да бақылауға болады. Қайнау температурасы сұйықтықты поликонденсацияның бірінші кезеңінде ұстап тұруға, бірақ қатты конденсацияның екінші кезеңінде булануға мүмкіндік береді. Бұл әдістің кемшілігі – PBI-де әлі де бірқатар сұйықтықтар қалады және оларды толық жою қиын. Әдебиетте синтезделген комбинациялардың кейбір мысалдары келтірілген. Комбинациялардың бір бөлігі шағын масштабта талшықтарға айналдырылған. Дегенмен, бүгінгі күнге дейін PBI-мен ғана маңызды прогресс жасалды. R(Тетрамин) R'(қышқыл)) Бензол Бензол Дифенил Дифенил Дифенил эфирі Дифенил эфирі Дифенилсульфон Нафталин Нафталин Пиридин Пиридин Антрахинон Антрахинон Ферроцен Антрацен+ 1-кесте. Полибензимидазолдың туындыларын құрайтын басқа мономерлер. Өнеркәсіпте ең көп қолданылатын PBI түрі – талшық түрі. Полимерлендіруден кейінгі талшық өндірісінің схемасы суретте көрсетілген. Полимер диметилацетамидті еріткіш ретінде пайдаланыла отырып, ерітіндіге айналдырылады. Ерітінді сүзіліп, жоғары температурадағы құрғақ иіру процесі арқылы талшыққа өңделеді. Содан кейін талшық қажетті механикалық қасиеттерге ие болу үшін жоғары температурада созылады. Одан әрі сульфондалып, дәстүрлі жұмырлау және кесу техникаларын қолдана отырып, бастырмаға айналдырылады.
The most common form of PBI used in industry is the fiber form. The fiber process following polymerization is shown in the figure. The polymer is made into solution using dimethylacetamide as solvent. The solution is filtered and converted into fiber using a high temperature dry spinning process. The fiber is subsequently drawn at elevated temperature to get desired mechanical properties. It is then sulfonated and made into staple using conventional crimping and cutting techniques.
Қолданбалар
1980 жылдарға дейін ПБИ-дің басты қолданыс аймақтары өрт тоқтату, жылудан қорғайтын киім және кері осмостық мембраналар болатын. 1990 жылдары қалыпталған ПБИ бөлшектері мен микропорозды мембраналар әзірленгеннен кейін оның қолданылуы кеңейді.
Қорғау киімдері
PBI-дың жылу тұрақтылығы, отқа төзімділігі және ылғалды сіңіру қабілеті, сондай-ақ оның дәстүрлі тоқыма өңдеу сипаттамалары, оны дәстүрлі ұзын талшықты тоқыма жабдықтарында өңдеуге мүмкіндік береді. Осы қасиеттері PBI-дың ең маңызды қолданыс салаларының біріне – қорғаныш киімдеріне әкеледі. PBI жіптері өрт сөндірушілердің киімдері мен ғарышкерлердің костюмдері сияқты қорғаныш киімдерін жасауға қолданылады. PBI жіптері литий хлориді қосылған диметилацетамидтен құрғақ тоқылады. Жуылғаннан және кептірілгеннен кейін жіп алтын-қоңыр түске ие болады. PBI талшығы жоғары температурада, химиялық тұрақтылығымен және тоқыма қасиеттерінің үйлесімділігінің арқасында қиын жағдайларда қолдануға өте ыңғайлы. Отқа және жылуға төзімділік – қорғаныш киімдерінің ең маңызды қасиеттері. Осы типтегі киімге өрт сөндірушілердің қорғаныш киімдері, ғарышкерлердің костюмдері, алюминийленген құтқару жабдықтары, өнеркәсіптік жұмысшылардың киімдері және автожарыс жүргізушілерінің костюмдері кіреді. PBI аралас маталары 30 жылдан бері Америка және әлемнің басқа да аймандарының өрт сөндіру бөлімшелері үшін басым таңдау болып табылады. Нью-Йорк, Сан-Диего, Сан-Франциско, Филадельфия, Сиэтл, Нэшвиллден бастап Сан-Паулу, Берлин, Гонконг және тағы да көптеген қалаларда қолданылады. PBI-дың ыдырау температурасы 1300°F-қа жетеді, бұл Nomex/Kevlar қоспаларынан (Nomex үшін 700°F, ал Kevlar үшін 1100°F) жоғары, сондықтан ол жарылудан және жылудан жоғары қорғаныс ұсынады.
PBI мембраналары
PBI әр түрлі ажырату мақсаттары үшін мембрана ретінде қолданылған. Дәстүрлі түрде PBI электродиализ, кері осмоз немесе ультрафильтрация үшін жартылай өткізгіш мембраналар ретінде пайдаланылды. PBI газ ажырату үшін де қолданылды, себебі PBI қатаң құрылымға және күшті сутекті байланысқа ие болғандықтан, тізбектер тығыз орналасады. PBI мембраналары тығыз болып келеді және газдың өте төмен өткізгіштігіне ие. Протонды өткізгіштікке ие болу үшін PBI көбінесе қышқылмен қоспаландырылады. Қышқыл қоспалану деңгейі жоғарылаған сайын, PBI-ның өткізгіштігі артады. Бірақ бір мәселе туындайды: PBI-ның механикалық беріктігі де бірдей деңгейде төмендейді. Сондықтан, қоспаланудың оңтайлы деңгейі – бұл екі фактордың арасындағы шартты тепе-теңдік. Осылайша, иондық байланыс, ковалентті байланыс және композиттік мембраналар сияқты әртүрлі әдістер қолданылады.
Пісірілген ПБИ смоласы
Құралған ПБИ смоласының қысымға төзімділігі 58 кси, созылуға төзімділігі 23 кси, иілуге төзімділігі 32 кси, пластикалық қысыммен зақымдану режимі және тығыздығы 1,3 г/см3 құрайды. PBI смоласы келесі суретте көрсетілген қайталанатын құрылымдық бірліктерден тұрады. Вайоминг университетінің композиттік материалдар зерттеу тобының мәліметтері бойынша, PBI смола бөлшектері маңызды созу қасиеттерін және қысымға төзімділікті сақтайды, сонымен қатар PBI смола бөлшектері химиялық өнеркәсіп және мұнайды өндіру салалары үшін жылулық тұрақтылық пен химиялық төзімділік қажеттіліктерін қанағаттандыратын әлеуетті материалдар болып табылады. Осы салаларда PBI смоласы жоғары талаптарға жауап беретін тығыздағыштарда, мысалы, клапан ұяларында, саяқтарда, гидравликалық тығыздағыштарда және қосымша сақиналарда сәтті қолданылған. Әуе-ғарыш өнеркәсібінде PBI смоласы жоғары беріктігімен және қысқа мерзімді жоғары температураға төзімділігімен ерекшеленеді. Өнеркәсіптік секторда PBI смоласының жоғары өлшемдік тұрақтылығы, сондай-ақ жоғары температурада электрлік қасиеттерін сақтауы, оны жылу және электр оқшаулағышы ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Бұл жоғары температуралық отын ұяларына қолдану мүмкіндігін ашады. Ұяның жұмысқа қабілетін тексеру 150 °C температурада 200 сағат бойы жұмыс істегенде жақсы тұрақтылықты көрсетті. Дегенмен, PPA процесінде жасалған PBI гельді мембраналар 160 °C температурада 17 000 сағаттан астам уақыт бойы жақсы тұрақтылықты көрсетті. Тікелей метанолдық отын ұяларында қолдану да қызығушылық тудыруы мүмкін, себебі қолданыстағы мембраналармен салыстырғанда су/метанолға қатысты жақсы таңдаулылыққа ие. Уэйнрайт, Ван және авторлар тобы фосфор қышқылымен қоспаланған PBI жоғары температуралық отын ұяларының электролиті ретінде қолданылғанын хабарлады. Қоспаланған PBI жоғары температуралық отын ұяларының электролиті бірнеше артықшылықтарға ие. Жоғары температура отын ұяларының кинетикалық жылдамдықтарын арттырады. Сонымен қатар, ол адсорбцияланған көміртек монооксидімен катализатордың улануын азайтады және электродтардың сумен толуына байланысты проблемаларды азайтады. Бұл PBI/H3PO4-ті Nafion сияқты кейбір дәстүрлі полимерлік электролиттерден артық етеді. Сонымен қатар, PBI/H3PO4 жақсы механикалық беріктік пен иілгіштік сақтайды. Бұл омикалық шығындарды азайта отырып, жұқа пленкаларды пайдалануға болады дегенді білдіреді.
Асбест алмастыру
Бұрын жоғары температураға төзімді қолғаптарда, мысалы, қорыту цехтарында, алюминийден дайындама жасауда және металл өңдеуде тек асбест жақсы нәтижелер беретін. Алайда, жүргізілген сынақтар ПБИ-дың асбесттің орнын толыққанды баса алатынын көрсетті. Сонымен қатар, қауіпсіздік киімдерін өндіретін бір компания ПБИ-дан жасалған қолғаптардың асбесттік қолғаптардан 2-9 есеге дейін ұзақ қызмет ететінін, сонымен қатар тиімді құны бар екенін хабарлады. ПБИ талшықтарынан жасалған қолғаптар асбесттен жасалғандарға қарағанда жұмсақ әрі иілгіш, бұл жұмысшыға жоғары қозғалғыштық пен жайлылықты қамтамасыз етеді, тіпті мата күйген жағдайда да. Бұдан өзге, PBI талшығы асбестке тән созылмалы уыттану проблемаларынан сақтайды, себебі ол стандартты тоқыма және қолғап тігу жабдықтарында өңделеді. PBI сондай-ақ шыны өндірісінің бірнеше саласында асбесттің орнын жақсы баса алады.
Түтін газын сүзгілеу
PBI-дың химиялық, жылулық және физикалық қасиеттері оның көмірмен жұмыс істейтін қазандықтардың түтін газын сүзгілеу матасы ретінде үміткер материал болатынын көрсетеді. Көмірмен жұмыс істейтін қазандықтардың түтін газында кездесетін қышқыл және жоғары температуралы ортада аз ғана маталар сақталады. Сүзгі қаптары жиналған шаңды жою үшін жүзеге асырылатын мерзімдік тазалаудан туындайтын тозуға да төтеп беруі керек. PBI матасының тозуға қарсы жақсы төзімділігі бар. Қышқылға және тозуға төзімділігі, сондай-ақ жылулық тұрақтылығы PBI-ді осы қолданыс үшін бәсекелес етеді.