聚苯并咪唑PBI

聚苯并咪唑(polybenzimidazoles)

主链含重复苯并咪唑环的一类聚合物。英文缩写PBI托基纶（Togylen）。

由芳族四胺和脂族或芳族二羧酸酯制备的聚苯并咪唑结构为：

式中R为烷基碳链，Ar为芳香环结构。

聚烷基苯并咪唑的密度1.2克/厘米3，玻璃化温度234～275℃；全芳族聚苯并咪唑的密度1.3～1.4克/厘米3，玻璃化温度比前者高100～250℃。聚苯并咪唑最突出的优点是瞬间耐高温性，烷基PBI在465～475℃才完全分解，芳基PBI 在538℃尚不分解，900℃失重仅30% ，常期使用温度300～370℃。此外耐酸碱介质、耐焰和有自灭性、良好的机械和电绝缘性，热收缩极小。

制备方法

由多胺与二酸或二酯在高温下熔融缩聚，先生成可溶性的聚氨基酰胺，然后通过脱水环化反应生成咪唑环聚合物。高温（ 400℃）处理到完全固化后，聚合物变为不溶不熔。典型的聚合物由 3，3′-二氨基联苯和间苯二甲酸二苯酯缩合而成，其纤维称PBI纤维。工业上可采用熔融本体缩聚工艺制备PBI，即在惰性气体保护下按照一定比例是单体TAB和DPIP熔融本体缩聚反应合成PBI：

上述的缩聚反应分两个阶段进行。第一阶段为预缩聚，反应温度270~300℃，反应时间1~2h，除去副产物苯酚和水得到泡沫状预聚体，将其冷却和粉碎后再在真空下与375~400℃固相聚合2~3h，制成黄棕色粒状PBI树脂。

制备工艺——纺丝成型

聚2,2`-间亚苯基-5,5`-双苯并咪唑（PBI）的纺丝溶剂主要有硫酸—水溶

液、二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）和二甲基甲酰胺（DMAC）等，其中DMAC较理想，是适宜的纺丝溶剂。制备纺丝原液时，将粒状PBI加入DMAC 中，边搅拌边加热到250℃左右，聚合物全部溶解，配制成重量浓度约25%、室温下粘度约150Pa·s(1500P)的纺丝原液。为防止纺丝原液因氧化交联而出现凝胶现象，需要在溶解及纺丝过程中保持非氧化条件。另外，在存放过程中原液中的PBI课发生结晶并析出，导致纺丝原液不稳定，所以可在纺丝原液中添加1%~2%氯化锂，能有效地抑制PBI结晶，提高原液稳定性，纺丝成型后水洗时纤维中的氯化锂被除去。

PBI在纺丝前需进行过滤和脱泡，除去原液中的杂质、凝胶状物质和气体，然后储存供纺丝使用。如图所示，纺丝原液经计量泵、烛形过滤器进入喷丝头，在喷丝孔道中发生剪切流动后进入充满逆行循环热氮气（或二氧化碳）流的纺丝甬道，纺丝细流中的溶剂被氮气带走冷凝回收，而纺丝细流本身被浓缩并固化成型，在纺丝甬道底部卷绕得初生纤维。由于初生纤维的强度低而伸长大，不能满足使用要求，还需进行必要的拉伸等后加工处理。由于高温拉伸时残存在PBI 初生纤维中的溶剂容易气化而导致“爆米花状”纤维等，所以拉伸前必须对纤维进行水洗和干燥，除净残存的溶剂和水。

PBI初生纤维的拉伸可分两级进行，如一级拉伸比约1.5~3.5倍，二级拉伸比约1.05~1.5倍，二级拉伸的温度要高于一级拉伸。为防止发生氧化降解等，拉伸需在400~500℃高温氮气环境下进行。

其主要性能如下：

1.良好的纺织加工性：纤维强度

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，吸湿高达15%，手感较好，具有良好的纺织加工性能。

2.杰出的阻燃性能：该纤维在空气中气体释出的速率极低，是惰性气体，所以它在空气中实际上不燃烧的。其极限氧指数达到38-46%，在燃烧时不熔融，不收缩或很少收缩，并离火后立即自熄。

3.吸湿性高：该纤维吸湿率可达13%-15%，通过酸稳定化处理后还能使回潮率进一步提高。它的高吸湿性和柔软的手感使所制成的织物具有良好的穿着舒适性。

4.良好的染色性：纤维呈金黄色，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。

5.热稳定性好：在整个测量温度范围内，该纤维初始模量保持常数，在接近500摄氏度时，由于氧化交联，初始模量开始增加。在惰性气体或真空中，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。

6．化学稳定性好：它对水解作用稳定，在149摄氏度及441.9Kpa的蒸汽压下处理72小时，纤维的强度几乎无损失，纤维浸泡于酸或碱的溶液中强度保持率也很高，

7．耐光性较差：可见光区域内，纤维分子对光具有吸收作用，并可发生光降解，特别是在氧存在下这种作用急剧增强。

应用

聚苯并咪唑纤维主要用于要求纤维阻燃、耐高温和无烟、低毒的领域。可用于制作防护服（消防服、防高温工作服、飞行服）和救生用品等，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等。在一般工业中可作石棉代用品，包括耐高温手套、高温防护服、传送带等，使用温度常为250～300℃，能在500℃下短时间使用。可作气体、液体的耐腐蚀滤材和烟道气滤袋，可在150～200℃范围内使用，在酸的露点温度以下不受腐蚀。