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EIN Polybenzimidazol (PBI) ist ein synthetisches Polymergekennzeichnet durch Benzimidazolgruppen in den Wiederholungseinheiten der Polymerkette. Eine Benzimidazolgruppe besteht aus a Imidazolring und ein Benzolring die eine gemeinsame Seite haben. PBI ist ein Hochleistungskunststoff, der hohen Temperaturen und mechanischer Beanspruchung standhält.

Formation

Die Benzimidazolgruppe wird durch die Reaktion von a aromatischDiamin jetzt sofort Carbonsäure oder ein Ester einer Carbonsäure. Die beiden Amingruppen müssen an benachbarte Kohlenstoffatome eines Benzolrings gebunden sein; das ist im sogenannten orthoAufbau. Wenn diese polymerisiert werden, werden Polymere mit einer Benzimidazolgruppe pro Wiederholungseinheit in der Kette erhalten. Es ist auch möglich, eine aromatische Verbindung mit sowohl einer Carbonsäuregruppe als auch zwei ortho-Amingruppen zu verwenden, beispielsweise 4-Carboxy-3',4'-diaminodiphenylether.

Lineare Polymere mit zwei Benzimidazolgruppen pro Wiederholungseinheit erhält man mit aromatischen Verbindungen mit vier Amingruppen (Bis-ortho-Amine) und Dicarbonsäuren oder Ester von Dicarbonsäuren. Sind die Carbonsäuren auch aromatisch, erhält man Polymere mit ausgezeichneten thermischen und mechanischen Eigenschaften. Beispiele für Tetraamine sind 1,2,4,5-Tetraaminobenzol und 3,3',4,4'-Tetraaminobiphenyl. Aromatische Dicarbonsäuren sind beispielsweise Phthalsäure, Isophthalsäure oder Terephthalsäure. Ein kommerziell erhältliches Polymer dieses Typs ist Celazol PBI^[1], das ist Poly[2,2'-(m-phenylen)-5,5'-bibenzimidazol]^[2]. Es ist das Polymer von 3,3',4,4'-Tetraaminobiphenyl und Isophthalsäure. Die Synthese davon lässt sich wie folgt darstellen:

Entwicklung

Die ersten Polybenzimidazole wurden in den 1950er Jahren entwickelt^[3].

1961 haben H. Vogel und C.S. Marvel schlug die Synthese vollaromatischer Polybenzimidazole mit hoher thermischer Stabilität vor, darunter das bekannte Poly[2,2'-(m-phenylen)-5,5'-bibenzimidazol].^[4]. Die Polymerisation erfolgte in zwei Schritten: Zuerst wurde ein Polymer mit mittlerem Molekulargewicht gebildet, indem die Monomere über ihren Schmelzpunkt erhitzt wurden. Nach der Verfestigung wurde das Reaktionsprodukt zu Pulver gemahlen und in einem zweiten Schritt im festen Zustand auf 350 bis 500°C erhitzt, wo es weiter zu einem hochmolekularen Polymer polymerisierte.

Mit Fördermitteln der US Army und der US Air Force wurde die Entwicklung dieses Materials insbesondere für den Einsatz in Klebstoffen, Laminaten und Fasern, die hohen Temperaturen ausgesetzt werden können, weiter erforscht. Relativ starke, thermisch stabile PBI-Fasern ermöglichten das Spinnen von PBI gelöst in polare aprotische Lösungsmittel, wie Dimethylsulfoxid oder Dimethylacetamid. Diese sind auch gut geworden flammhemmende Eigenschaften haben. Das NASA und die Luftwaffe^[5] finanzierte weitere Forschungen im Hinblick auf die Anwendung des Materials unter anderem in Anzügen für Piloten und Raumfahrer. Ein Problem dabei war, dass die Fasern bei hohen Temperaturen stark schrumpften, so dass der Träger Flammen ausgesetzt werden konnte. Um dies zu vermeiden, werden die Fasern mit Säure nachbehandelt, so dass Sulfonsäure Gruppen an den Imidazolringen. Die sulfonierten Fasern zeigen noch einen Schrumpf von ca. 6%. Diese stabilisierten Fasern sind seit 1983 im Handel erhältlich.

Eigenschaften

Typische Eigenschaften von (festem) PBI sind^[6]:

• Dichte: ca. 1,3 g/cm²³
• Zugfestigkeit 160 MPa
• Gestell Pause 3%
• Kompressionsmodul 5.9 GPa
• Reibungskoeffizient im Vergleich zu Stahl 0,15
• Permittivität 3,3
• Glastemperatur ca. 425°C
• maximale Betriebstemperatur: ca. 400 °C; kurzzeitig über 700 °C
• einsetzbar bis −196 °C
• chemische Beständigkeit: gut, außer gegen Säuren und Basen
• nicht in Wasser löslich; löslich in polaren aprotischen Lösungsmitteln
• verbrennt nicht die luft
• Farbe schwarz

Anwendungen

PBI-Fasern werden in Schutzkleidung für Militärpiloten, Astronauten, Feuerwehrleute, Rennpiloten und Schweißer verwendet; in temperaturbeständigen Handschuhen, in Flugzeugwandverkleidungen. Das Material wird als Alternative zu . angeboten Asbest und als Hochtemperatur-Filtergewebe. Neben Fasern können auch dünne Filme, Membranen oder Beschichtungen aus in Dimethylacetamid gelöstem PBI hergestellt werden.

Artikel aus "reinem" PBI können nicht mit herkömmlichen Techniken hergestellt werden für thermoplastisch Kunststoffe wie Spritzguss oder extrudieren, denn solide PBI verhält sich wie a Duroplast (PBI mit hohem Molekulargewicht hat keinen Schmelzpunkt). PBI-Pulver wird unter hohem Druck und hoher Temperatur verpresst und die resultierenden Formen werden mechanisch weiterverarbeitet. Sie werden als Präzisionsteile eingesetzt, die hohen Temperaturen und Belastungen standhalten müssen und eine gute Verschleiß- und Chemikalienbeständigkeit aufweisen: Lager, Gleitlager, Dichtungen und derartige. Anwendungsgebiete sind die chemische und petrochemische Industrie, die Halbleiterindustrie, die Luft- und Raumfahrtindustrie oder Lot. Es gibt auch PolymerLegierungen von PBI mit anderen Polymeren auf dem Markt, die durch Spritzgießen oder Extrusion verarbeitet werden können (Celazol T-Serie).