Введение

Полибензимидазольное волокно (PBI, сокращение от poly[2,2’ (m-фенилен) 5,5’-бисбензимидазола]) – синтетическое волокно с очень высокой температурой разложения. Оно не имеет точки плавления, обладает исключительной термической и химической стабильностью и не легко воспламеняется. Впервые оно было открыто американским химиком-полимером Карлом Шиппом Марвелом при разработке новых материалов с превосходной стабильностью, сохранением жесткости и прочности при высоких температурах. Благодаря высокой стабильности полибензимидазол используется для изготовления высокоэффективной защитной одежды, такой как снаряжение пожарных, космические скафандры, высокотемпературные защитные перчатки, одежда для сварщиков и ткани для обшивки самолетов. Полибензимидазол также применяется в качестве мембраны в топливных элементах.

Открытие

Бринкер и Робинсон впервые сообщили об алифатических полибензимидазолах в 1949 году. Однако открытие ароматического полибензимидазола, демонстрирующего превосходные физические и химические свойства, обычно приписывают Карлу Шиппу Марвелу в 1950-х годах. Лаборатория материалов авиабазы Райт-Паттерсон обратилась к Марвелу. Они искали материалы, подходящие для тормозных парашютов, способные выдерживать кратковременные механические напряжения. Однако теплостойкость всех известных на тот момент волокон была недостаточной. Первоначальные исследования были сосредоточены на ароматических конденсационных полимерах, но амидная связь оказалась слабым местом в достижении максимальной термической стабильности полимера, в то время как исследования Марвела были направлены на конденсационные полимеры с ароматическими и гетероароматическими повторяющимися звеньями. Это постепенно привело к открытию полибензимидазола.

Общие физические свойства

ПБИ обычно представляют собой желтые или коричневые твердые вещества, которые не плавятся при температуре до 400 °C или выше. Растворимость ПБИ является предметом споров, поскольку, хотя большинство линейных ПБИ частично или полностью растворяются в сильных протонных кислотах (например, серной или метансульфоновой кислоте), для более слабых кислот, таких как муравьиная кислота, и в некислых средах, например, в апротических амидных растворителях и диметилсульфоксиде, получены противоречивые данные о растворимости. Например, Ивакура и др. обнаружили, что один тип ПБИ, полученный в фосфорной кислоте, частично растворим в муравьиной кислоте, но полностью растворим в диметилсульфоксиде и диметилацетамиде, в то время как Varma и Veena сообщили, что тот же тип полимера полностью растворяется в муравьиной кислоте, но лишь частично – в диметилсульфоксиде или диметилацетамиде.

Термическая стабильность

Известно, что производные имидазола – стабильные соединения. Многие из них устойчивы к наиболее агрессивным воздействиям кислот и щелочей и трудно окисляются. Высокая температура разложения и высокая стабильность свыше 400 °C позволяют предположить, что полимер с бензимидазолом в качестве повторяющегося звена также может обладать высокой термостойкостью. Полибензимидазол и его ароматические производные способны выдерживать температуры, превышающие 500 °C, без размягчения и деградации. Полимер, синтезированный из изофталевой кислоты и 3,3'-диаминобензидина, не плавится при нагревании до 770 °C и теряет лишь 30% массы после воздействия высоких температур до 900 °C в течение нескольких часов.

Огнестойкость

Свойство материала, которое необходимо учитывать перед его применением, – это воспламеняемость, демонстрирующая, насколько легко материал может воспламениться и сгореть в реалистичных условиях эксплуатации. Это может повлиять на его применение в различных областях, таких как строительство, проектирование предприятий и внутренняя отделка. Существует ряд количественных оценок воспламеняемости, например, предел самозатухания (LOI), то есть минимальная концентрация кислорода, при которой данный образец может быть зажжен в конфигурации, напоминающей свечу. Они позволяют проводить сравнительную оценку воспламеняемости материалов. Данные показывают, что ПБИ обладает высокой огнестойкостью по сравнению с обычными полимерами.

Восстановление влажности

Восстановление влаги полиимидом (ПБИ) полезно при производстве защитной одежды, обеспечивая комфорт при ношении, что резко отличает его от других синтетических полимеров. Способность ПБИ к восстановлению влаги (13%) сопоставима с хлопком (16%).

Синтез

Получение PBI (IV) достигается реакцией поликонденсации дифенилизофталата (I) и 3,3’,4,4’-тетрааминодифенила (II) (рисунок 1). Спонтанная циклизация промежуточно образовавшегося аминоамида (III) в PBI (IV) обеспечивает более стабильную амидную связь. Этот метод синтеза был впервые применен в лаборатории, а затем разработан в двухстадийный процесс. В типичном синтезе исходные материалы нагревают при 270 °C в течение 1,5 ч для образования преполимера PBI, а затем преполимер нагревают при 360 °C еще в течение 1 ч для получения конечного продукта коммерческого качества. Причина второй стадии заключается в образовании побочных продуктов – фенола и воды – на первой стадии, что приводит к образованию большого объема пены и увеличению объема в несколько раз по сравнению с исходным. Этот вопрос необходимо учитывать промышленным производителям. Образование пены можно уменьшить, проводя поликонденсацию при высокой температуре, около 200 °C, и под давлением 2,1–4,2 МПа. Также можно контролировать образование пены, добавляя в реакцию поликонденсации жидкости с высокой температурой кипения, такие как дифенилэтер или цетан. Температура кипения позволяет жидкости оставаться на первой стадии поликонденсации, но испаряться на второй стадии твердофазной конденсации. Недостатком этого метода является то, что в PBI все еще остаются некоторые остатки жидкости, которые трудно полностью удалить. Таблица 1 содержит перечень некоторых комбинаций мономеров, которые были синтезированы в литературе. Некоторые из этих комбинаций были успешно преобразованы в волокна в небольших масштабах. Однако значительный прогресс на сегодняшний день достигнут только в области PBI. R(Тетраамин) + R'(Кислота) Бензол Бензол Дифенил Дифенил Дифенилэтер Дифенилэтер Дифенилсульфон Нафталин Нафталин Пиридин Пиридин Антрахинон Антрахинон Ферроцен Антрацен Таблица 1. Другие мономеры для получения производных полибензимидазола Наиболее распространенной формой PBI, используемой в промышленности, является волокно. Процесс получения волокна после полимеризации показан на рисунке. Полимер растворяют в диметилацетамиде в качестве растворителя. Раствор фильтруют и превращают в волокно с помощью высокотемпературного процесса сухой формовки. Затем волокно вытягивают при повышенной температуре для достижения требуемых механических свойств. После этого его сульфонируют и превращают в штапельное волокно с использованием традиционных методов кримпирования и резки.

Приложения

До 1980-х годов основными областями применения ПБИ были огнезащитные барьеры, термозащитная одежда и мембраны обратного осмоса. К 1990-м годам его применение расширилось благодаря разработке формованных изделий из ПБИ и микропористых мембран.

Защитная одежда

Термическая стабильность, огнестойкость и способность к поглощению влаги, а также технологичность PBI при традиционной текстильной обработке позволяют перерабатывать его на стандартном оборудовании для работы с короткими волокнами. Эти характеристики обуславливают одно из важнейших применений PBI: защитная одежда. Из PBI-нитей изготавливают защитную одежду, такую как экипировка пожарных и скафандры астронавтов. PBI-нити получают сухим способом прядения из диметилацетамида, содержащего хлорид лития. После промывки и сушки полученная пряжа приобретает золотисто-коричневый оттенок. Благодаря сочетанию термических, химических и текстильных свойств, PBI-волокно является отличным кандидатом для применения в экстремальных условиях. Огнестойкость и теплостойкость – ключевые свойства защитной одежды. К таким видам одежды относятся защитная одежда пожарных, скафандры астронавтов, алюминиевое спасательное снаряжение, одежда для промышленных рабочих и костюмы для автогонщиков. Более 30 лет смесовые ткани на основе PBI являются предпочтительным выбором пожарных служб по всей Северной и Южной Америке, а также по всему миру – от Нью-Йорка, Сан-Диего, Сан-Франциско, Филадельфии, Сиэтла, Нэшвилла до Сан-Паулу, Берлина, Гонконга и многих других городов. Высокая температура разложения, при которой PBI начинает разрушаться, составляет 704 °C (1300 °F), что превышает показатели смесей Nomex/Kevlar (Nomex – 371 °C (700 °F), Kevlar – 593 °C (1100 °F)), обеспечивая тем самым более надежную защиту от прорыва и тепловую защиту.

Плотность

ПБИ использовался в качестве мембран для различных целей разделения. Традиционно ПБИ применяли для создания полупроницаемых мембран для электродиализа, обратного осмоса или ультрафильтрации. ПБИ также используется для разделения газов благодаря плотной упаковке цепей, обусловленной жесткой структурой и сильными водородными связями. ПБИ-мембраны плотные и обладают очень низкой газопроницаемостью. Для обеспечения протонной проводимости ПБИ обычно легируют кислотой. Чем выше степень легирования кислотой, тем выше проводимость ПБИ. Однако возникает проблема снижения механической прочности ПБИ при увеличении степени легирования. Таким образом, оптимальная степень легирования представляет собой компромисс между этими двумя эффектами. Для решения этой проблемы используются различные методы, такие как ионное сшивание, ковалентное сшивание и создание композитных мембран.

Сплавная смола PBI

Формованная смола PBI имеет предел прочности при сжатии 58 кси и предел прочности при растяжении 23 кси, предел прочности при изгибе 32 кси, пластичный характер разрушения при сжатии и плотность 1,3 г/см3. Смола PBI состоит из повторяющейся структурной единицы, представленной на рисунке ниже. Согласно исследовательской группе по композитным материалам Университета Вайоминга, детали из смолы PBI сохраняют значительные характеристики прочности на растяжение и прочности на сжатие, что делает их потенциальными материалами для химической промышленности и нефтедобычи, где требуются тепловая стабильность и химическая стойкость. В этих областях смола PBI успешно применяется в ответственных уплотнениях, например, в седлах клапанов, уплотнениях штоков, гидравлических уплотнениях и опорных кольцах. В аэрокосмической отрасли смола PBI обладает высокой прочностью и преимуществами в отношении кратковременной стойкости к высоким температурам. В промышленном секторе высокая размерная стабильность смолы PBI, а также сохранение электрических свойств при высоких температурах, позволяют использовать ее в качестве тепло- и электроизолятора. Это открывает возможности для применения в высокотемпературных топливных элементах. Испытания производительности ячеек показывают хорошую стабильность в течение 200 часов работы при 150 °C. Однако гелевые мембраны PBI, изготовленные по технологии PPA, демонстрируют хорошую стабильность в течение более 17 000 часов при 160 °C. Применение в топливных элементах, работающих на прямом метаноле, также может быть интересно благодаря лучшей селективности воды/метанола по сравнению с существующими мембранами. Уэйнрайт, Ван и др. сообщили, что PBI, легированный фосфорной кислотой, использовался в качестве высокотемпературного электролита топливных элементов. Легированный PBI высокотемпературный электролит топливных элементов имеет ряд преимуществ. Повышенная температура увеличивает скорости кинетических реакций в топливном элементе. Это также может снизить проблему отравления катализатора адсорбированным монооксидом углерода и минимизировать проблемы, связанные с затоплением электродов. Все это способствует тому, что PBI/H3PO4 превосходит некоторые традиционные полимерные электролиты, такие как Nafion. Кроме того, PBI/H3PO4 сохраняет хорошую механическую прочность и вязкость. Это означает, что можно использовать более тонкие пленки, что снижает омические потери.

Замена асбеста

Ранее только асбест обеспечивал достаточную эффективность в высокотемпературных перчатках, используемых, например, в литейном производстве, при экструзии алюминия и обработке металлов. Однако проведенные испытания показали, что ПБИ вполне может заменить асбест. Более того, производитель средств индивидуальной защиты сообщил, что перчатки с ПБИ служат в два-девять раз дольше асбестовых, при этом оказываясь экономически выгоднее. Перчатки, содержащие волокна ПБИ, мягче и эластичнее асбестовых, обеспечивая работнику большую подвижность и комфорт, даже при обугливании ткани. Кроме того, волокно ПБИ лишено хронической токсичности, свойственной асбесту, поскольку его обработка осуществляется на стандартном текстильном и перчаточном оборудовании. ПБИ также может служить хорошей заменой асбеста в ряде областей производства стекла.

Фильтрация дымовых газов

Химические, термические и физические свойства PBI демонстрируют, что он может стать перспективным материалом для изготовления фильтрующей ткани для дымовых газов угольных котлов. Лишь немногие ткани способны выдерживать агрессивную кислую среду и высокие температуры, характерные для дымовых газов угольных котлов. Фильтрующие мешки также должны быть устойчивы к истиранию, вызванному периодической очисткой от накопившейся пыли. Ткань PBI обладает высокой износостойкостью. Сочетание устойчивости к кислотам, истиранию и тепловой стабильности делает PBI конкурентоспособным материалом для данного применения.