聚苯并咪唑种类与用途论文

聚苯并咪唑的种类与用途探讨

有一类聚合物材料，能够在250℃下连续使用并且保持主要物理和化学性质不发生变化，我们将其称为耐高温化合物或耐高温材料[1]。这些材料主要应用在电子电器、汽车工业、军工产品和航空航天等行业领域。自从上个世纪60年代以来，随着军事、工业、航天等事业的不断发展，我们对耐高温化合物的需求大大增加了，继而促进了科学界对这类材料的研究，出现了第一个有重大意义的杂环聚合物──聚苯并咪唑。之后，人们对合成新的耐高温聚合物充满热情，又先后出现了各种类型的耐热高分子材料。

耐高温化合物主要可以分为以下几类：

1、芳环聚合物，主链有苯环、萘环等芳环，如聚对二甲苯、芳香族聚酰胺等；

2、杂环聚合物，主链成环原子除碳外，还有氧、硫、氮等其他原子，如聚酰亚胺、聚苯并咪唑等；

3、梯形聚合物，该聚合物由两个以上的单链相连生成的带状大分子链，结构类似梯型，如石墨型梯形聚合物、菲绕啉类梯形聚合物等；

4、元素有机聚合物，主链中没有碳原子，主要由si、b、al、o、n、s、p 等原子组成，侧基则由有机基团组成，如硅橡胶；

5、无机聚合物，主链及侧基均无碳原子。

其中，聚苯并咪唑(pbi)是一类一阶梯型结构的聚合物,主链结构中含有咪唑环，因此pbi普遍具有具有较好的热稳定性能和力学性

能，一直以来都受到科学界的高度重视，人们在研究pbi上投入了大量人力物力。

目前已经研制出的pbi树脂大致可以分为以下几类：

1、全芳型的pbi树脂：1961 年 vogel 和 marvel 通过熔融聚合法得到全芳型pbi聚合物[1]，得到的聚合物刚性较大，分子高度对称，因而热稳定性较好。数据表明，该聚合物在500 oc时的热失重率小于5%。但是由于该聚合物分子链的刚性太强，导致其溶解性较差，因而加工困难，在实际应用中范围受限制。反应式如下图：

fig.4

这类pbi树脂在主链上引入砜基和醚键，降低了分子的刚性，有利于提高树脂的溶解性能，使之应用范围增大。

总的来说，pbi具有相当优越的性能：（1）耐高温，长期工作温度310℃，瞬时耐受温度可达760℃；（2）耐腐蚀，在酸碱环境中仍保持稳定特性；（3）高强度，其强度在现有工程塑料中最高；（4）高硬度，其硬度为玻璃的二分之一。（5）耐水解、耐辐射、阻燃、耐烧蚀等；（6）高纯度。总之，pbi非常适用于半导体行业、特种玻璃行业，对塑料制品性能要求较高的地方，可以说是目前世界上最高端的塑料。因此，在对pbi树脂进行理论研究的同时，人们开始将注意力转向其在工业上的开发与应用。

聚苯并咪唑在工业上的用途可以归纳为以下四个方面：

1、航天领域。pbi纤维具有高度稳定性和耐磨性，远胜于一般的

金属间化合物、玻璃纤维、陶瓷复合物等。pbi在空气中几乎完全不燃烧，在温度高于600℃时仅产生少量的烟雾和无害气体[5]，这种高度的阻燃性是航空、宇航或危险环境中人们乐于使用pbi的重要原因之一。加上pbi的重量相对较轻，因此，经常被当做不燃材料用于航空及宇航人员的防护。

如果我们以pbi为基体材料，使用玻璃纤维、碳纤维等对其增强，得到的复合材料具有高度的耐烧蚀和热屏蔽性能，在航天、航空、电子、微电子等领域具有极广阔的应用前景，如可用于宇宙飞船耐辐射材料，飞机或航天飞机的雷达天线罩、整流罩和尾翼，火箭燃烧系统的绝热材料、火箭回收的降落伞等[6]。

2、纺织领域。聚苯并咪唑纤维具有一系列特殊的性能，如阻燃性﹑尺寸热稳定性﹑高温下耐化学稳定性及穿著舒适性，使之在纺织领域应该用广泛。首先，pbi具有良好的可加工性，其纤维强度为2.8-5.0cn/dtex，断裂伸长率超过棉花一般为10%-15%，在标准状态下，吸湿高，手感好，具有良好的穿着舒适性。其次，pbi纤维具有杰出的阻燃性能，该纤维在空气中不燃烧的，限氧指数高达38-46%，不熔融，不收缩或很少收缩，并离火后立即自熄。再次，pbi纤维具有良好的染色性，其化学结构和形态结构类似于羊毛，可采用分散染料和酸性染

料进行染色。最后，pbi纤维有高度的热稳定性和化学稳定性，在惰性气体中或真空中，即使在350摄氏度下历经300小时也不会产生明显的老化效应；它对水解作用稳定，纤维浸泡于酸或碱的溶

液中强度保持率很高。

由于pbi纤维的以上特性，它已经成为在特殊应用中成为取代石棉的材料，在制作耐热防火纺织品如安全防护服、抗燃纺织品、耐酸耐碱滤布等方面有很好的用途。有它制成的耐高温手套在温度高达815摄氏度时的寿命比石棉高2-9倍，曾经用它制作阿波罗号和空间试验室宇航员的航天服和内衣，还可用作宇宙飞船重返地球时及喷气飞机减速用的降落伞、减速器和热排出气的储存器，飞机、潜艇及列车等的内饰材料等。例如美国塞拉尼斯(celanese)公司于20世纪60年代中期研制成功的聚-2,2′-间苯-5,5′-双苯并咪唑纤维，简称pbi纤维和托基纶(togylen)，已成为celanese 公司标准的高附加值产品。

3、工业方面。过去人们用石棉作为防火、保温、绝缘材料广泛应用于各个领域，尤其是汽车、化工、建筑行业，但是石棉纤维能引起石棉肺、胸膜间皮瘤等疾病，许多国家已经全面禁止使用这种危险的物质。那么，同样具有耐热、阻燃、、耐化学试剂等特点的pbi纤维就成为石棉的理想替代品，用于制作各种耐热防护手套、鞋套等。pbi纤维制成的滤布或织物可用于工业产品过滤、废水及淤泥类过滤、粉土捕集、烟道气和空气过滤、高温或腐蚀性物料的传输等，现在应用比较广泛。

4、质子交换膜。质子交换膜燃料电池是一种清洁、高效的绿色环保电源，能量转换率高，可靠性高，安装方便；质子交换膜则是质子交换膜燃料电池的核心部件。pbi是一类碱性聚合物，由于具

有良好的热稳定性和化学稳定性以及一定的机械强度，其作为质子交换膜(pem)在质子交换膜燃料电池中的应用，己经引起了科学界的广泛的关注。目前许多科学家正在就通过化学改性提高pbi质子传导率的问题进行研究。

参考文献

[1] 张国辉《新型含砜基聚苯并咪唑的合成及性能研究》.

[2] vogel h ,marvel c s. [j].

[3] twieg r ,et al. [j].

[4] hedrick j i , twieg r , mat ray t. [j].

[5] smith j r j g,connell j w,hergenrother p m. [j].

[6] jackson r h. [j].

[7] meisenheimerj,wiegerb.[j].