بولي بنزيميدازول

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة

ألياف البولي بنزيميدازول ( PBI ، اختصارًا لـ poly[2,2'-( m- phenylen)-5,5'-bisbenzimidazole] ) هي ألياف صناعية تتميز بدرجة حرارة تحلل عالية جدًا. فهي لا تمتلك نقطة انصهار ، ولا تشتعل بسهولة، وتتمتع بثبات حراري وكيميائي استثنائي. [ 1 ] اكتُشفت لأول مرة عام 1961 على يد الكيميائي الأمريكي المتخصص في البوليمرات، كارل شيب مارفل، في سعيه لاكتشاف مواد جديدة ذات ثبات فائق، وقدرة على الحفاظ على الصلابة والمتانة عند درجات الحرارة المرتفعة. وبفضل ثباتها العالي، تُستخدم ألياف البولي بنزيميدازول في تصنيع ملابس واقية عالية الأداء، مثل معدات رجال الإطفاء ، وبدلات رواد الفضاء ، وقفازات الحماية من درجات الحرارة العالية، وملابس اللحام، وأقمشة جدران الطائرات. كما تُستخدم ألياف البولي بنزيميدازول كغشاء في خلايا الوقود .

تاريخ

اكتشاف

أبلغ برينكر وروبنسون لأول مرة عن بولي بنزيميدازولات أليفاتية عام 1949. [ 2 ] ومع ذلك، يُنسب اكتشاف بولي بنزيميدازول عطري ، الذي يتميز بخصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة، عمومًا إلى كارل شيب مارفل في خمسينيات القرن العشرين. [ 3 ] تواصل مختبر المواد في قاعدة رايت باترسون الجوية مع مارفل. كانوا يبحثون عن مواد مناسبة لمظلات السحب قادرة على تحمل الإجهاد الميكانيكي قصير المدى. إلا أن المقاومة الحرارية لجميع الخيوط المعروفة آنذاك كانت غير كافية. ركز البحث الأولي على بوليمرات التكثيف العطرية، لكن رابطة الأميد أثبتت أنها نقطة ضعف لتحقيق أقصى استقرار حراري للبوليمر، بينما ركز بحث مارفل على بوليمرات التكثيف ذات الوحدات المتكررة العطرية وغير المتجانسة . أدى هذا تدريجيًا إلى اكتشاف بولي بنزيميدازول.

تطوير

بدلة فضاء أبولو طبق الأصل، معرض مؤقت لمؤسسة التراث الكيميائي ، 2014

يمكن تلخيص تاريخ تطورها في القائمة التالية: [ 4 ]

  • في عام 1961، تم تطوير بولي بنزيميدازول بواسطة إتش. فوغل وسي إس مارفل مع توقع أن تتمتع البوليمرات بثبات حراري وأكسدة استثنائي. [ 5 ]
  • وفي وقت لاحق، في عام 1963، قامت وكالة ناسا ومختبر المواد التابع للقوات الجوية برعاية عمل كبير على مادة البولي بنزيميدازول لتطبيقات الفضاء والدفاع كألياف نسيجية غير قابلة للاشتعال ومستقرة حرارياً. [ 5 ]
  • في عام 1969، اختارت القوات الجوية الأمريكية مادة البولي بنزيميدازول (PBI) لأدائها المتميز في الحماية الحرارية بعد حريق اندلع عام 1967 على متن مركبة أبولو 1 الفضائية وأودى بحياة ثلاثة رواد فضاء. [ 5 ]
  • في أوائل سبعينيات القرن العشرين، أجرت مختبرات القوات الجوية الأمريكية تجارب على ألياف البولي بنزيميدازول لصنع ملابس واقية للحد من وفيات أطقم الطائرات بسبب الحرائق. [ 6 ]
  • في سبعينيات القرن الماضي، واصلت وكالة ناسا استخدام مادة PBI كجزء من ملابس رواد الفضاء في رحلات أبولو وسكايلاب والعديد من رحلات مكوك الفضاء.
  • عندما سقطت سكايلاب على الأرض، كان الجزء الذي نجا من العودة إلى الغلاف الجوي مغطى بمادة PBI وبالتالي لم يحترق.
  • في ثمانينيات القرن العشرين، تم إدخال مادة PBI إلى خدمات الإطفاء، ومن خلال مشروع Fires، تم تطوير غلاف خارجي لملابس الإطفاء. وهكذا ظهر نسيج PBI Gold، المكون من 40% PBI و60% بارا-أراميد. قبل ذلك، كانت تُستخدم في الولايات المتحدة مزيجات من مواد نومكس والجلد والكيفلار.
  • 1983 - تم تشغيل مصنع إنتاج فريد من نوعه وأصبحت ألياف PBI متاحة تجارياً.
  • في تسعينيات القرن العشرين، تم طرح ألياف PBI القصيرة لاستخدامها في أنظمة فرامل السيارات. ودخلت ألياف PBI الأساسية سوق الطائرات لطبقات منع اشتعال النيران في المقاعد.
  • 1992 - تم تطوير أقمشة PBI خفيفة الوزن لملابس العمل المقاومة للهب لتطبيقات المرافق الكهربائية والبتروكيماوية.
  • 1994 - تم تصميم نسيج PBI Gold باللون الأسود وتم تحديده من قبل إدارة الإطفاء في مدينة نيويورك .
  • 2001 - بعد الهجمات الإرهابية في 11 سبتمبر، لم يكن من الممكن التعرف على العديد من رجال الإطفاء الـ 343 الذين قتلوا إلا من خلال ملابسهم الواقية من نوع TenCate PBI.
  • 2003 - تم تسويق PBI Matrix وتقديمه كجيل جديد من PBI لمعدات رجال الإطفاء.

ملكيات

الخصائص الفيزيائية العامة

تكون بوليمرات PBI عادةً صلبة صفراء إلى بنية اللون، غير قابلة للانصهار حتى درجة حرارة 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) أو أعلى. [ 7 ] يُعدّ ذوبان بوليمرات PBI موضوعًا مثيرًا للجدل، فبينما تذوب معظم أنواع PBI الخطية جزئيًا أو كليًا في الأحماض البروتونية القوية (مثل حمض الكبريتيك أو حمض الميثان سلفونيك )، سُجّلت ملاحظات متضاربة حول ذوبانها في الأحماض الأضعف مثل حمض الفورميك، وفي الأوساط غير الحمضية، مثل المذيبات الأميدية غير البروتونية وثنائي ميثيل سلفوكسيد. على سبيل المثال، وجد إيواكورا وآخرون [ 8 ] أن أحد أنواع PBI المُحضّر في حمض الفوسفوريك قابل للذوبان جزئيًا في حمض الفورميك ، ولكنه قابل للذوبان كليًا في ثنائي ميثيل سلفوكسيد وثنائي ميثيل أسيتاميد ، بينما أفاد فارما وفينا [ 9 ] أن نفس نوع البوليمر يذوب كليًا في حمض الفورميك ، ولكنه يذوب جزئيًا فقط في ثنائي ميثيل سلفوكسيد أو ثنائي ميثيل أسيتاميد .  

الثبات الحراري

تُعرف مشتقات الإيميدازول بثباتها العالي. فالعديد منها مقاوم لأقسى المعالجات بالأحماض والقواعد، ولا يتأكسد بسهولة.  وتشير درجة حرارة التحلل العالية والثبات الكبير عند درجات حرارة تتجاوز 400 درجة مئوية إلى أن البوليمر الذي يحتوي على البنزيميدازول كوحدة متكررة قد يُظهر أيضًا ثباتًا حراريًا عاليًا. ويمكن لمتعدد البنزيميدازول ومشتقاته العطرية تحمل درجات حرارة تتجاوز 500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت) دون أن يلين أو يتحلل. ولا ينصهر البوليمر المُصنّع من حمض الأيزوفثاليك و3،3' -ثنائي أمينوبنزيدين عند تعرضه لدرجة حرارة 770 درجة مئوية (1420 درجة فهرنهايت)، ولا يفقد سوى 30% من وزنه بعد تعرضه لدرجة حرارة عالية تصل إلى 900 درجة مئوية (1650 درجة فهرنهايت) لعدة ساعات. [ 10 ]      

مقاومة اللهب

من الخصائص التي يجب مراعاتها قبل استخدام أي مادة هي قابليتها للاشتعال ، والتي تُبين مدى سهولة اشتعالها واحتراقها في ظروف التشغيل الواقعية. قد يؤثر ذلك على استخدامها في مجالات متنوعة، مثل البناء، وتصميم المصانع، والديكور الداخلي. توجد عدة طرق لتقييم قابلية الاشتعال كميًا، مثل مؤشر الأكسجين المحدود (LOI)، أي الحد الأدنى لتركيز الأكسجين اللازم لاشتعال عينة معينة بشكل يشبه الشمعة. تسمح هذه الطرق بتقدير ترتيب قابلية الاشتعال . تُظهر البيانات أن مادة PBI تتمتع بمقاومة عالية للاشتعال مقارنةً بالبوليمرات الشائعة. [ 11 ]

استعادة الرطوبة

تُعدّ قدرة مادة PBI على امتصاص الرطوبة مفيدة في الملابس الواقية، مما يجعلها مريحة للارتداء، على عكس البوليمرات الاصطناعية الأخرى. وتُقارن قدرة PBI على امتصاص الرطوبة (13%) بشكل إيجابي مع القطن (16%). [ 12 ]

توليف

يمكن تحضير PBI(IV) عن طريق تفاعل تكثيف ثنائي فينيل إيزوفثالات (I) و3،3'،4،4'-رباعي أمينو ثنائي فينيل (II) (الشكل 1). أدى التحلّق التلقائي للأمينو-أميد (III) المتكون وسيطيًا إلى PBI(IV) إلى تكوين رابطة أميد أكثر استقرارًا. استُخدمت هذه الطريقة التركيبية أولًا في المختبر، ثم طُوّرت لاحقًا إلى عملية من خطوتين. في عملية تركيب نموذجية، سُخّنت المواد الأولية عند 270 درجة مئوية (518 درجة فهرنهايت) لمدة ساعة ونصف لتكوين البوليمر الأولي PBI، ثم سُخّن البوليمر الأولي عند 360 درجة مئوية (680 درجة فهرنهايت) لمدة ساعة أخرى لتكوين المنتج النهائي ذي الجودة التجارية.    

يعود سبب الخطوة الثانية إلى تكوّن الفينول والماء كمنتجين ثانويين في الخطوة الأولى، مما يُنتج رغوة كثيفة [ 13 ] ، ويؤدي ذلك إلى تمدد الحجم عدة أضعاف الحجم الأصلي. هذه هي المسألة التي يجب على المصنّعين الصناعيين أخذها في الاعتبار. يمكن تقليل هذه الرغوة بإجراء عملية التكثيف عند درجة حرارة عالية تبلغ حوالي 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت) وتحت ضغط يتراوح بين 2.1 و4.2 ميجا باسكال (300-610 رطل لكل بوصة مربعة) [ 14 ] . كما يمكن التحكم في الرغوة بإضافة سوائل ذات نقطة غليان عالية، مثل ثنائي فينيل الإيثر أو السيتان، إلى عملية التكثيف. تسمح نقطة الغليان العالية ببقاء السائل في المرحلة الأولى من التكثيف، ثم تبخره في المرحلة الثانية من التكثيف الصلب. من عيوب هذه الطريقة بقاء بعض السوائل في مادة PBI، وصعوبة إزالتها تمامًا [ 14 ] .    

الشكل 1. مخطط التركيب لمتعدد البنزيميدازول.

مع تغيير مجموعة التترا أمين والحمض، تمّ تصنيع عدد من مركبات البولي بنزيميدازول العطرية المختلفة. يسرد الجدول التالي (الجدول 1) [ 15 ] بعضًا من احتمالات التركيب التي تمّ تصنيعها في المراجع العلمية. وقد تمّ بالفعل تحويل بعض هذه التركيبات إلى ألياف على نطاق صغير. مع ذلك، فإنّ التقدّم الملحوظ الوحيد الذي تمّ إحرازه حتى الآن هو في مجال البولي بنزيميدازول.

صيغة لمشتقات البوليبنزيميدازول حيث R عبارة عن نواة عطرية متماثلة رباعية الاستبدال، مع كون ذرات النيتروجين في الصيغة جزءًا من حلقات البنزيميدازول، و R' عبارة عن عضو في حلقة هيدروكربونية عطرية.
R(تترا أمين)R'(حمض))
البنزينالبنزين
ثنائي الفينيلثنائي الفينيل
ثنائي فينيل إيثرثنائي فينيل إيثر
ثنائي فينيل سلفونالنفثالين
النفثالينالبيريدين
البيريدينأنثراكينون
أنثراكينونالفيروسين
الأنثراسين
الجدول 1. المونومرات الأخرى التي تشكل مشتقات من متعدد البنزيميدازول

يُعدّ الشكل الليفي الشكل الأكثر شيوعًا لـ PBI المستخدم في الصناعة. يوضح الشكل عملية تصنيع الألياف بعد البلمرة. يُحضّر البوليمر في محلول باستخدام ثنائي ميثيل أسيتاميد كمذيب. يُرشّح المحلول ويُحوّل إلى ألياف باستخدام عملية غزل جاف بدرجة حرارة عالية . تُسحب الألياف لاحقًا عند درجة حرارة مرتفعة للحصول على الخصائص الميكانيكية المطلوبة. ثم تُسلفن وتُصنع منها خيوط أساسية باستخدام تقنيات التجعيد والقطع التقليدية.

تتم معالجة ألياف PBI في سلسلة من الخطوات بعد عملية البلمرة لإنتاج شكل PBI الأساسي للاستخدام المباشر.

التطبيقات

قبل ثمانينيات القرن العشرين، كانت التطبيقات الرئيسية لمادة PBI تتمثل في منع انتشار الحريق، وصناعة الملابس الواقية من الحرارة، وأغشية التناضح العكسي. وتنوعت تطبيقاتها بحلول تسعينيات القرن العشرين مع تطوير أجزاء PBI المقولبة والأغشية المسامية الدقيقة.

ملابس واقية

تُمكّن خصائص مادة PBI، من استقرارها الحراري ومقاومتها للهب وقدرتها على امتصاص الرطوبة، بالإضافة إلى سهولة معالجتها في المنسوجات التقليدية، من استخدامها في معدات نسج الألياف الأساسية التقليدية. هذه الخصائص تُسهم في أحد أهم تطبيقات PBI: الملابس الواقية. وقد تم تصنيع خيوط PBI لتُصبح ملابس واقية مثل ملابس رجال الإطفاء وبدلات رواد الفضاء. تُغزل خيوط PBI جافًا من ثنائي ميثيل أسيتاميد يحتوي على كلوريد الليثيوم. وبعد الغسل والتجفيف، يكون لون الخيط الناتج بنيًا ذهبيًا.

أما الألياف المستخدمة في معدات الحماية فهي من نوع بولي (2،2'-م-فينيلين-5،5'-ثنائي بنزيميدازول)، والتي تستخدم رباعي أمينو ثنائي الفينيل كمونومر لتحسين خصائص مقاومة الحرارة.

تُعدّ ألياف PBI خيارًا ممتازًا للتطبيقات في البيئات القاسية نظرًا لخصائصها الحرارية والكيميائية والنسيجية المتميزة. وتُعتبر مقاومة اللهب والحرارة من الخصائص الأساسية للملابس الواقية. تشمل تطبيقات هذا النوع من الملابس ملابس رجال الإطفاء، وبدلات رواد الفضاء، [ 16 ] ومعدات الإنقاذ من الحوادث المطلية بالألومنيوم، وملابس العمال الصناعيين، وبدلات سائقي سيارات السباق. [ 17 ]

معظم معدات الحماية الخاصة برجال الإطفاء مصنوعة حاليًا من ألياف PBI

لطالما كانت الأقمشة الممزوجة بمادة PBI الخيار المفضل لدى إدارات الإطفاء العاملة في الأمريكتين وحول العالم لأكثر من 30 عامًا. من نيويورك وسان دييغو وسان فرانسيسكو وفيلادلفيا وسياتل وناشفيل إلى ساو باولو وبلين وهونغ كونغ وغيرها الكثير. تبلغ درجة حرارة التحلل العالية التي تبدأ عندها مادة PBI بالتحلل 704 درجة مئوية (1300 درجة فهرنهايت) ، متجاوزةً بذلك مخاليط نومكس/كيفلار (حيث تبلغ درجة حرارة نومكس 371 درجة مئوية (700 درجة فهرنهايت) وكيفلار 593 درجة مئوية (1100 درجة فهرنهايت) )، مما يوفر حماية فائقة ضد التمزق والحرارة.      

أغشية PBI

استُخدم البولي بنزيميدازول (PBI) كغشاء في العديد من تطبيقات الفصل. تقليديًا، استُخدم PBI كغشاء شبه نفاذ في عمليات التحليل الكهربائي، والتناضح العكسي، والترشيح الفائق. [ 18 ] كما استُخدم أيضًا في فصل الغازات. [ 19 ] [ 20 ] نظرًا لتراص سلاسله المتقاربة، حيث يتميز PBI ببنية صلبة وروابط هيدروجينية قوية. تتميز أغشية PBI بكثافتها العالية ونفاذيتها المنخفضة جدًا للغازات. ولزيادة توصيل البروتونات، يُضاف عادةً حمض إلى PBI. كلما زاد تركيز الحمض، زادت موصلية PBI. لكن إحدى المشكلات التي تُثار هي انخفاض المتانة الميكانيكية لـ PBI في الوقت نفسه. لذا، يُعد مستوى الإضافة الأمثل حلًا وسطًا بين هذين التأثيرين. ولهذا، تم البحث في طرق متعددة، مثل الربط الأيوني، والربط التساهمي، والأغشية المركبة [ 18 ]، لتحسين مستوى الإضافة الذي يُحسّن موصلية PBI دون التضحية بالمتانة الميكانيكية. يتميز بوليمر السلسلة الرئيسية من الأريلين المفلور جزئيًا والمُسلفن بثبات حراري واستقرار ممتد جيد، وموصلية بروتونية عالية، وتورم أقل في الأحماض، وقوة ميكانيكية معقولة. [ 21 ]

تُستخدم البوليمرات المُفلورة المُسلفنة في تحضير أغشية مزيج الحمض والقاعدة مع PBI. تتميز أغشية المزيج مع PBI بثبات حراري ممتاز واستقرار طويل الأمد.

راتنج PBI مصبوب

يتميز راتنج PBI المصبوب بقوة ضغط تبلغ 58 كيلوباسكال (400 ميجاباسكال) وقوة شد تبلغ 23 كيلوباسكال (160 ميجاباسكال) ، وقوة انحناء تبلغ 32 كيلوباسكال (220 ميجاباسكال) ، ونمط فشل انضغاطي مطيلي، وكثافة تبلغ 1.3 جم/سم3. [ 22 ] يتكون راتنج PBI من وحدة هيكلية متكررة ممثلة بالشكل التالي.      

الوحدة الهيكلية المتكررة لراتنج PBI

وفقًا لمجموعة أبحاث المواد المركبة في جامعة وايومنغ ، تحافظ أجزاء راتنج PBI على خصائص شد وضغط عالية حتى 371 درجة مئوية (700 درجة فهرنهايت) . كما تُعدّ أجزاء راتنج PBI موادًا واعدة لصناعات المعالجة الكيميائية واستخراج النفط، التي تتطلب استقرارًا حراريًا ومقاومة كيميائية . في هذه المجالات، استُخدم راتنج PBI بنجاح في عمليات منع التسرب الصعبة، مثل مقاعد الصمامات، وأختام السيقان، والأختام الهيدروليكية، وحلقات الدعم. في صناعة الطيران، يتميز راتنج PBI بقوة عالية ومقاومة ممتازة لدرجات الحرارة المرتفعة على المدى القصير. أما في القطاع الصناعي، فإن استقرار أبعاد راتنج PBI العالي، بالإضافة إلى احتفاظه بخصائصه الكهربائية عند درجات الحرارة المرتفعة، يجعله مناسبًا للاستخدام كعازل حراري وكهربائي . [ 17 ]  

إلكتروليت خلية الوقود

يتميز بولي بنزيميدازول بقدرته على تكوين معقدات مع الأحماض القوية نظرًا لطبيعته القاعدية. ويجعله تكوين المعقد مع حمض الفوسفوريك مادة موصلة للبروتونات . [ 23 ] وهذا ما يجعله مناسبًا للاستخدام في خلايا الوقود عالية الحرارة. وقد أظهرت اختبارات أداء الخلية استقرارًا جيدًا في الأداء لمدة 200 ساعة عند 150 درجة مئوية (302 درجة فهرنهايت) . ومع ذلك، تُظهر أغشية PBI الهلامية المصنعة بتقنية PPA استقرارًا جيدًا لأكثر من 17000 ساعة عند 160 درجة مئوية (320 درجة فهرنهايت) . [ 24 ] وقد يكون استخدامه في خلايا وقود الميثانول المباشر ذا أهمية أيضًا نظرًا لانتقائيته الأفضل للماء/الميثانول مقارنةً بالأغشية الموجودة. وقد أفاد واينرايت ووانغ وآخرون باستخدام PBI المُطعّم بحمض الفوسفوريك كإلكتروليت لخلايا الوقود عالية الحرارة . [ 25 ] يتميز إلكتروليت PBI المُطعّم لخلايا الوقود عالية الحرارة بعدة مزايا، منها أن ارتفاع درجة الحرارة يزيد من معدلات حركية تفاعلات خلية الوقود. كما أنه يقلل من مشكلة تسمم المحفز بأول أكسيد الكربون الممتص، ويقلل من مشاكل غمر الأقطاب. [ 23 ] يتميز PBI/ H3PO4 بموصلية عالية حتى في الرطوبة النسبية المنخفضة ، ويسمح في الوقت نفسه بتسرب أقل للميثانول. [ 26 ] هذه الخصائص تجعل PBI/ H3PO4 متفوقًا على بعض الإلكتروليتات البوليمرية التقليدية مثل نافيون . بالإضافة إلى ذلك، يحافظ PBI/ H3PO4 على قوة ومتانة ميكانيكية جيدة. [ 26 ] معامل مرونته أكبر بثلاثة مراتب من معامل مرونة نافيون . [ 27 ] هذا يعني إمكانية استخدام أغشية أرق، مما يقلل من الفقد الأومي .    

في البوليمر PBI المُطعّم بحمض الفوسفوريك، لا ترتبط مجموعات حمض الفوسفوريك مباشرةً بالهيكل الأساسي للبوليمر. بدلاً من ذلك، يتم تثبيت الأنيون ذي الكثافة الشحنية المنخفضة وربطه بالبنية بواسطة شبكة قوية من الروابط الهيدروجينية.

استبدال الأسبستوس

في السابق، كان الأسبستوس المادة الوحيدة القادرة على أداء وظيفتها بكفاءة في القفازات المقاومة لدرجات الحرارة العالية، والتي تُستخدم في مجالات مثل المسابك، وبثق الألومنيوم ، ومعالجة المعادن. إلا أن التجارب أثبتت أن مادة PBI تُؤدي وظيفة بديلة مناسبة للأسبستوس. علاوة على ذلك، أفاد أحد مصنعي ملابس السلامة أن القفازات التي تحتوي على ألياف PBI تدوم من ضعفين إلى تسعة أضعاف عمر قفازات الأسبستوس ، مع الحفاظ على التكلفة. [ 28 ] تتميز القفازات المصنوعة من ألياف PBI بنعومتها ومرونتها مقارنةً بالقفازات المصنوعة من الأسبستوس ، مما يوفر للعامل حرية حركة وراحة أكبر، حتى في حال احتراق النسيج . كما أن ألياف PBI تتجنب مشاكل السمية المزمنة المرتبطة بالأسبستوس، لأنها تُصنع باستخدام معدات تصنيع المنسوجات والقفازات القياسية. [ 29 ] ويمكن أن تكون ألياف PBI بديلاً جيداً للأسبستوس في العديد من مجالات صناعة الزجاج.

ترشيح غازات المداخن

تُظهر الخصائص الكيميائية والحرارية والفيزيائية لـ PBI أنه مادة واعدة كنسيج مرشح لغازات المداخن في غلايات الفحم. قلة من الأقمشة قادرة على تحمل البيئة الحمضية ودرجة الحرارة العالية التي تُصادف في غازات مداخن غلايات الفحم. [ 30 ] كما يجب أن تكون أكياس الترشيح قادرة على تحمل الاحتكاك الناتج عن التنظيف الدوري لإزالة الغبار المتراكم. يتميز نسيج PBI بمقاومة جيدة للاحتكاك. تجعل خصائص مقاومة الأحماض والاحتكاك والثبات الحراري من PBI خيارًا منافسًا لهذا التطبيق.

مراجع

  1. ↑ بوكارسلي، أ.ب.؛ نيانجار، إ.ف. (2009). "خلايا الوقود - خلايا وقود غشاء تبادل البروتونات | الأغشية: درجة حرارة مرتفعة". موسوعة مصادر الطاقة الكهروكيميائية . ص 724-733 . doi : 10.1016/B978-044452745-5.00232-X . ISBN  978-0-444-52745-5هو بوليمر حلقي غير متجانس عطري بالكامل ، معروف بخصائصه الميكانيكية الممتازة وثباته الكيميائي الحراري. يمنحه تركيبه العطري بالكامل درجة حرارة انتقال زجاجي عالية جدًا (Tg) تبلغ حوالي 430 درجة مئوية، ونقطة انصهار أعلى من 600 درجة مئوية.
  2. ↑ "بولي بنزيميدازولات" . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 أبريل 2022 .
  3. ↑ ليونارد، نيلسون. "مذكرات سيرة كارل شيب مارفل" (ملف PDF) . الأكاديمية الوطنية للعلوم . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 فبراير 2014 .
  4. ↑ "تاريخ PBI" . مؤرشف من الأصل في 3 مارس 2016. تم الاطلاع عليه في 14 فبراير 2014 .
  5. 1 2 3 هارتش، إميلي؛ ماير، ميشال (2016). "أشياء صعبة" . التقطير . 2 (2): 12-13 . تم الاسترجاع في 26 مارس 2018 .
  6. ↑ بيان معالي جرانت إل. هانسن، مساعد وزير القوات الجوية (البحث والتطوير) ، مخصصات وزارة الدفاع للسنة المالية 1972، ص 612.
  7. ↑ بهويان، أ. ل. (1982). بعض المشاكل التي تواجه آليات تحلل البوليمرات المضافة (في: التخليق والتحلل، علم الريولوجيا والبثق) . برلين، يو إيه: سبرينغر. ISBN 978-3-540-11774-2.
  8. ↑ إيواكورا، يوشيو؛ أونو، كيكيتشي؛ إيماي، يوشيو (يونيو 1964). "بولي فينيلين بنزيميدازولات". مجلة علوم البوليمرات، الجزء أ: أوراق عامة . 2 (6): 2605-2615 . doi : 10.1002/pol.1964.100020611 .
  9. ↑ فارما، آي كيه؛ فينا (أبريل 1976). "تأثير البنية على خواص بولي بنزيميدازولات العطرية الأليفاتية". مجلة علوم البوليمرات: طبعة كيمياء البوليمرات . 14 (4): 973-980 . Bibcode : 1976JPoSA..14..973V . doi : 10.1002/pol.1976.170140417 .
  10. ↑ فوغل، هيروارد؛ مارفل، سي إس (أبريل 1961). "بولي بنزيميدازولات، بوليمرات جديدة مستقرة حراريًا". مجلة علوم البوليمرات . 50 (154): 511-539 . Bibcode : 1961JPoSc..50..511V . doi : 10.1002/pol.1961.1205015419 .
  11. ^ فان كريفيلين ، ديرك دبليو (30 مارس 1972). “التطورات الجديدة في مجال الألياف المقاومة للهب”. Angewandte Makromolekulare Chemie . 22 (1): 133-157 . دوى : 10.1002/apmc.1972.050220107 .
  12. ↑ ديمارتينو، رونالد ن. (أغسطس 1984). "خصائص الراحة لألياف بولي بنزيميدازول". مجلة أبحاث المنسوجات . 54 (8): 516-521 . doi : 10.1177/004051758405400803 .
  13. ↑ تشونغ، تاي-شونغ (مايو 1997). "مراجعة نقدية لبولي بنزيميدازولات". مراجعات البوليمرات . 37 (2): 277-301 . doi : 10.1080/15321799708018367 .
  14. 1 2 كريشيلدورف، هانز ر.؛ نويكن، أوسكار؛ سويفت، غراهام، محرران. (2004). دليل تركيب البوليمرات . doi : 10.1201/9781420030594 . ISBN 978-0-429-11700-8.
  15. ^ بيلوهلاف، ليو ر. (10 كانون الأول (ديسمبر) 1974). "بوليبنزيميدازول". يموت Angewandte الجزيئات الكيميائية الكبيرة . 40 (1): 465-483 . دوى : 10.1002/apmc.1974.050400122 .
  16. ↑ سيمور، ريموند ب.؛ كيرشنباوم، جيرالد س.، محرران. (1986). البوليمرات عالية الأداء: أصلها وتطورها . doi : 10.1007/978-94-011-7073-4 . ISBN 978-94-011-7075-8.
  17. 1 2 ساندور، آر بي (فبراير 1990). "بولي بنزيميدازول (PBI): التركيب والخواص والتطبيقات". بوليمرات عالية الأداء . 2 (1): 25-37 . doi : 10.1177/152483999000200103 .
  18. 1 2 لي، تشينغفنغ؛ جنسن، ينس أولوف؛ سافينيل، روبرت ف.؛ بييروم، نيلز ج. (مايو 2009). "أغشية تبادل البروتونات عالية الحرارة القائمة على بولي بنزيميدازولات لخلايا الوقود". التقدم في علوم البوليمرات . 34 (5): 449-477 . doi : 10.1016/j.progpolymsci.2008.12.003 .
  19. ↑ كومبهاركار، إس سي؛ لي، ك. (أكتوبر 2012). "أغشية ألياف مجوفة من البولي بنزيميدازول معدلة بنيوياً ذات خصائص نفاذية غاز محسّنة". مجلة علوم الأغشية . 415-416 : 793-800 . doi : 10.1016/j.memsci.2012.05.071 .
  20. ↑ لي، شين؛ سينغ، راجيندر ب.؛ دوديك، كيفن و.؛ بيرشتولد، كاثرين أ.؛ بينيسيفيتش، برايان س. (يوليو 2014). "تأثير بنية السلسلة الرئيسية لمتعدد البنزيميدازول على فصل الهيدروجين/ثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة مرتفعة". مجلة علوم الأغشية . 461 : 59-68 . doi : 10.1016/j.memsci.2014.03.008 .
  21. ↑ كيريس، يوشين أ.؛ شينغ، دانمين؛ شونبرغر، فرانك (15 أغسطس 2006). "دراسة مقارنة لأغشية أيونومر مزيج PBI الجديدة المصنوعة من إيثرات بولي أريلين غير مفلورة ومفلورة جزئيًا". مجلة علوم البوليمرات، الجزء ب: فيزياء البوليمرات . 44 (16): 2311-2326 . Bibcode : 2006JPoSB..44.2311K . doi : 10.1002/polb.20862 .
  22. ↑ ساندور، آر بي (فبراير 1990). "بولي بنزيميدازول (PBI): التركيب والخواص والتطبيقات". بوليمرات عالية الأداء . 2 (1): 25-37 . doi : 10.1177/152483999000200103 .
  23. 1 2 سامز، إس آر؛ واسموس، إس؛ سافينيل، آر إف (أبريل 1996). "الاستقرار الحراري لبولي بنزيميدازول موصل للبروتونات ومُطعّم بحمض في بيئات خلايا وقود مُحاكاة". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 143 (4): 1225-1232 . Bibcode : 1996JElS..143.1225S . doi : 10.1149/1.1836621 .
  24. ↑ بينغيتور، أندرو ت.؛ هوانغ، فاي؛ تشيان، غوتشينغ؛ بينيسيفيتش، برايان س. (25 مارس 2019). "أغشية بولي بنزيميدازول م/ب ذات محتوى بوليمري عالٍ ومتينة لأجهزة كهروكيميائية ذات عمر افتراضي طويل". مجلة ACS للمواد التطبيقية في مجال الطاقة . 2 (3): 1720-1726 . Bibcode : 2019ACSAE...2.1720P . doi : 10.1021/acsaem.8b01820 .
  25. ↑ واينرايت، جيه إس؛ وانغ، جيه تي؛ وينغ، دي؛ سافينيل، آر إف؛ ليت، إم. (يوليو 1995). "بولي بنزيميدازولات مُطعّمة بالحمض: إلكتروليت بوليمري جديد". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 142 (7): L121– L123. Bibcode : 1995JElS..142L.121W . doi : 10.1149/1.2044337 .
  26. 1 2 تشاو، تي إس، محرر. (2009). خلايا الوقود الدقيقة . doi : 10.1016/B978-0-12-374713-6.X0001-7 . ISBN 978-0-12-374713-6.
  27. ↑ تانغ، هاولين؛ بان، مو (2015). "نافيون". موسوعة علوم وتكنولوجيا البوليمرات . ص 1-39 . doi : 10.1002/0471440264.pst633 . ISBN  978-1-118-63389-2.
  28. ↑ كوفين، د. ر.؛ سيراد، ج. أ.؛ هيكس، هـ. ل.؛ مونتغمري، ر. ت. (يوليو 1982). "خصائص وتطبيقات ألياف سيلانيز PBI - بولي بنزيميدازول". مجلة أبحاث النسيج . 52 (7): 466-472 . doi : 10.1177/004051758205200706 .
  29. ↑ "PBI في قفازات واقية من الحرارة العالية" .
  30. ↑ هوروكس، أ. ريتشارد؛ ماكنتوش، بروس (2001). "الألياف المقاومة كيميائيًا". ألياف عالية الأداء . ص 259-280 . doi : 10.1533/9781855737549.259 . ISBN  978-1-85573-539-2.

ملحق الخصائص

خصائص ألياف PBI

يُعتقد أن الصيغة الكيميائية لـ poly[2,2'-(m-phenylen)-5,5' bibenzimidazol] (PBI) هي: ([NH-C=CH-C=CH-CH=CN=C-] 2 -[C=CH-C=CH-CH=CH-]) n OR (C 20 N 4 H 12 ) n ذات كتلة مولية 308.336  ±  0.018 جم / مول . 

مقاومة المواد الكيميائية

المقاومة الكيميائية درجة
الأحماض - المركزةفقير
الأحماض - مخففةمتوسط ​​إلى ضعيف
الكحوليات جيد
القلويات جيد - سيئ
الهيدروكربونات العطرية جيد
الشحوم والزيوت جيد
الهيدروكربونات المهلجنة جيد
الكيتونات جيد

يمكن صبغه بدرجات داكنة باستخدام الأصباغ الأساسية بعد المعالجة المسبقة بمادة كاوية، وهو مقاوم لمعظم المواد الكيميائية.

الخصائص الكهربائية

كهربائي ملكيات
ثابت العزل الكهربائي عند 1  ميجاهرتز3.2
قوة العزل الكهربائي21 كيلو فولت/مم
المقاومة الحجمية8 × 10¹⁴ أوم ·سم

يتميز بانخفاض التوصيل الكهربائي وانخفاض تراكم الكهرباء الساكنة.

الخواص الميكانيكية

ميكانيكياً ملكيات
معامل الاحتكاك0.19-0.27
معامل الانضغاط6.2 جيجا باسكال
قوة الضغط400 ميجا باسكال
استطالة عند نقطة الكسر3%
الصلابة - روكويلK115
قوة تحمل الصدمات وفقًا لمقياس إيزود590 جول/متر بدون شقوق
نسبة بواسون0.34
معامل الشد5.9 جيجا باسكال
قوة الشد160 ميجا باسكال

يتميز بمقاومة التآكل.

الخصائص الفيزيائية

بدني ملكيات
نسبة الفحم الناتج (في ظل الانحلال الحراري ) عالي
كثافة1.3 جم/ سم³
قابلية الاشتعال لا يحترق
مؤشر الأكسجين المحدد58%
مقاومة الإشعاع جيد
امتصاص الماء - على مدار 24 ساعة0.4%

ميزات إضافية: لن يشتعل أو يحترق ببطء (يحترق ببطء بدون لهب)، مقاوم للعفن والشيخوخة ، مقاوم للشرر ورذاذ اللحام.

الخواص الحرارية

حراري ملكيات درجة
معامل التمدد الحراري23 × 10 −6 /Kقليل
درجة حرارة الانحراف الحراري - 0.45 ميجا باسكال 435 درجة مئوية (815 درجة فهرنهايت)  عالي
الموصلية الحرارية عند 23 درجة مئوية (73 درجة فهرنهايت)  0.41 واط/ متر / كلفنقليل
درجة حرارة التشغيل القصوى 260–400 درجة مئوية (500–752 درجة فهرنهايت)  عالي

ميزات أخرى: درجة حرارة مستمرة: 540 درجة مئوية (1004 درجة فهرنهايت) ، لا ينصهر ولكنه يتحلل عند درجة حرارة 760 درجة مئوية (1400 درجة فهرنهايت) أثناء التحلل الحراري، ويحافظ على سلامة الألياف ومرونتها حتى 540 درجة مئوية (1004 درجة فهرنهايت) .