PBI是一種無(wú)定型的熱塑性聚合物，它的中文名是聚苯并咪唑。全芳族聚苯并咪唑的密度為1.3～1.4g/cm3，由于國(guó)內(nèi)的企業(yè)很難獲得大批量的四元胺，而四元胺又是主要的生產(chǎn)制備成分，因此工業(yè)中所用到的PBI纖維大部分來(lái)源于國(guó)外。

 

       一、PBI的理化特性

       PBI具備耐高溫、耐水解、耐輻射、阻燃高、化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性優(yōu)良等特性。PBI的纖維強(qiáng)度可達(dá)到2.8-5.0cn/dtex。壓縮強(qiáng)度為410MPa，在149攝氏度和441.9Kpa的蒸汽壓下處理三天幾乎無(wú)損失。這種聚合物的吸濕率為13%-15%，介電常數(shù)為3.3，纖維彈性模量為45-90 g/D，具有良好的理化特性。

 

        一般在工業(yè)制備上，PBI的加工路徑有三種：第一種是在強(qiáng)酸性溶液中加入芳香族四胺和二酸單體縮聚而成。第二種是由多胺與二酸或二酯在高溫下熔融縮聚。第三種是通過(guò)固相聚合法使產(chǎn)品直接在紡絲原液中液化。其中，第三種方法最具備工業(yè)潛力。

 

       二、PBI的性能以及用途

       由于PBI屬于耐高溫的雜環(huán)聚合物材料，因此它在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。總體來(lái)看，PBI在工業(yè)中的用途具體表現(xiàn)在航天、紡織、化工建筑、電子機(jī)械這四個(gè)方面。下面，從PBI性能的角度來(lái)介紹一下它的主要用途。

 

       1、阻燃性高

       PBI的阻燃性高，它的極限氧指數(shù)達(dá)到38%-46%左右，即便在高于600℃的空氣中也只有少量的煙霧產(chǎn)生。因此它可用作太空火箭的絕熱材料、宇宙飛船的耐輻射材料、NFPA燃料艙傳動(dòng)裝置的外罩織物材料。

 

       2、良好的紡織加工性

       PBI的纖維強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率比普通棉花超出10%-15%左右，具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和模量，且化學(xué)穩(wěn)定性好，具有良好的染色性。因而PBI在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)比較多，目前已成為取代石棉的最佳材料。像宇航員的航天服、消防領(lǐng)域的防護(hù)服、耐高溫手套以及救生用品都會(huì)選用這種材料。

 

       3、質(zhì)子交換膜

       具有質(zhì)子傳導(dǎo)能力的聚合物質(zhì)子交換膜是電化學(xué)裝置的核心部分，現(xiàn)在社會(huì)上推行綠色環(huán)保的電源，而PBI就屬于燃料電池隔膜的一種理想材料。傳統(tǒng)的PEM膜多為全氟磺酸膜，但它的傳導(dǎo)性能較差，必須在有水時(shí)才能起到導(dǎo)電作用。而PBI質(zhì)子交換膜中摻入了無(wú)機(jī)酸后，是可以在無(wú)水條件下使用的。也正是這個(gè)優(yōu)質(zhì)性能，讓PBI在質(zhì)子交換膜領(lǐng)域嶄露頭角。

 

       三、國(guó)內(nèi)外關(guān)于PBI改性研究的進(jìn)展

       PBI因其在燃料電池質(zhì)子交換膜領(lǐng)域具有潛力而受到了工業(yè)電子領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。但是PBI分子鏈中存在共軛的芳雜環(huán)，導(dǎo)致它的加工性能較差，難以熔融成膜。正由于導(dǎo)電性能和難以成膜的影響，其在燃料電池中的應(yīng)用受到了限制，因此需要進(jìn)行大量以及不同類(lèi)型的改性研究。

 

       就當(dāng)今形勢(shì)來(lái)看，國(guó)內(nèi)外很多科研人員都在嘗試通過(guò)化學(xué)改性來(lái)提高PBI的質(zhì)子傳導(dǎo)率。前不久，晶態(tài)材料研究所的科研人員對(duì)傳統(tǒng)的PBI聚合物材質(zhì)進(jìn)行了改性研究，他們針對(duì)PBI中高溫質(zhì)子導(dǎo)體存在的缺陷設(shè)計(jì)了一種新型的改性材料。

 

      在研究實(shí)驗(yàn)中，科研人員將PBI的單體苯并咪唑設(shè)計(jì)成了一種含有對(duì)稱(chēng)二氨基的聚合單體結(jié)構(gòu)，并利用共價(jià)有機(jī)框架材料即COFs的組裝原理，來(lái)構(gòu)建出具有超高有序特殊孔道結(jié)構(gòu)的PBI-COFs，以輔助實(shí)現(xiàn)超快且穩(wěn)定的無(wú)水質(zhì)子傳導(dǎo)。

 

       也有研究者試圖將叔丁基間苯二酸引入到PBI骨架中，目的在于減弱分子間氫鍵作用力，增大它的溶解性，改善難以成膜的劣勢(shì)特性。與此同時(shí)將氧化石墨及新研發(fā)的改性氧化石墨引入到PBI膜中，來(lái)提高PBI質(zhì)子傳導(dǎo)率。

 

       目前國(guó)外對(duì)PBI的共混改性投注了大量的精力，但PBI與其它聚合物電解質(zhì)的可共混性能還在研究中。PBI的改性研究給工業(yè)制造提供一種新思路，相信經(jīng)過(guò)改性后PBI聚合物會(huì)擁有更廣闊的應(yīng)用前景！