مصارف پلی بنزیمیدازول یا PBI

پلی بنزیمیدازول یا PBI چه مصارفی دارد؟

پلی بنزیمیدازول یا PBI یکی از انواع ترموپلاستیک های ناجور حلقه ای است که مقاومت بالایی در برابر گرما دارد. این پلیمر از تتراآمیک آروماتیک و یک دی کربوکسیلیک اسید آروماتیک بدست می آید و یا مشتق میشود. یکی از مثالهای موجود در این زمینه واکنش چگالشی دی فنیل ایزو فتالات و تترا آمینو دی فنیل 3,3’,4,4’ است که در محیطی بی اثر و خنثی و در دمای بین 350 تا 400 درجه سانتی گراد به صورت ناگهانی حلقه ای میشود.

ماده یاد شده بیشتر به شکل فیبر میباشد. روند شکل گیری این فیبر بدین گونه است: پلیمر با استفاده از دی متیل ستامید به عنوان حلال به یک محلول تبدیل میشود و سپس محلول فیلتر شده و با استفاده از فرایندهای خشک ریسی در دمای بالا به فیبر تبدیل میشود. پس از آن نیز فیبر در دماهای بالاتر کشیده میشود تا شکل و خواص مورد نظر را پیدا کند. در نهایت نیز فیبر یاد شده سولفوناتی شده و توسط فناوری های برشی و فشرده سازی  سنتی به صورت رشته های بریده بریده در می آید.

فیبر های PBI پس از بسپارش، چندین مرحله گوناگون دیگر را نیز طی میکنند تا رشته های کوتاه این ماده برای مصرف مستقیم ساخته شوند.

از پلی بنزیمیدازول یا PBI برای تولید چه محصولاتی استفاده می شود؟

مصرف عمده و اصلی این ماده تا قبل از دهه 80، انسداد و جلوگیری از آتش، لباس های محافظ در برابر گرما و لایه های اسمز معکوس بود. ولی در دهه ی 90 انواعی از PBI مانند فرمهای قالب گیری شده و لایه های سوراخ دار توسعه پیدا کردند و همین موضوع نیز باعث شد تا مصارف ماده یاد شده خیلی بیشتر شوند.

لباس های محافظت کننده

خواصی مانند پایداری گرمایی، مقاومت در برابر شعله و بازجذب خوب رطوبتی  و فرآوری سنتی پارچه ای در PBI باعث شده است تا بتوان این ماده را با استفاده از تجهیزات فیبر های کوتاه پارچه ای فراوری کرد. تمامی خواص یاد شده به PBI این امکان را میدهند که در تولید لباس های محافظ به کار برده شود. رشته های این پلیمر به لباس های محافظ مانند پوشش آتش نشانان یا فضانوردان تبدیل شدند. رشته های PBI از دی متیل استامید حاوی لیتیوم کلراید و با روند خشک ریسی فراوری میشوند. پس از خشک سازی و شست و شو ماده نهایی تولیدی رنگی طلایی-قهوه ای دارد.

امروزه فیبر های به کار برده شده در تولید لباس های حفاظت کننده پلی 2،2 ام- فنیلن-5،5، بی بنزی میدازول میباشند که از تترا آمینو بیفنی استفاده میکنند (به منظور افزایش مقاومت ماده در برابر گرما).

همچنین فیبر های PBI گزینه ای مناسب برای تولید محصولاتی هستند که در محیط های سخت و خشن قرار می گیرند و این موضوع نیز ناشی از ترکیب خواص شیمیایی، گرمایی و موادی آنهاست. مقاومت گرمایی و شعله ای نیز از مهم ترین ویژگی های لباس های حفاظتی میباشند. لباس های آتش نشانان و فضانوردان و کارگران صنعتی و حتی رانندگان مسابقات اتومبیلرانی همگی در همین دسته قرار می گیرند.

امروزه بیشتر لباس های عایق آتش نشانان از فیبر های همین ماده ساخته می شوند. موادی که از انواع ترکیبی پلی بنزیمیدازول یا PBI ساخته میشوند در طی بیش از سی سال به عنوان گزینه ای بهتر توسط دپارتمانهای آتشنشانی امریکا و دنیا انتخاب شده اند. از نیویورک، سن دیگو، سن فرانسیسکو، فیلادلفیا، سیاتل تا برلین، هنگ کنگ و بسیاری از مناطق دیگر.

پلی بنزیمیدازول یا PBI به عنوان برندی پیشرو در حوزه مواد حفاظتی کارا شناخته میشود ولی زمانی که دپارتمانهای آتش نشانی به دنبال حفاظت گرمایی بیشتر و دوام باشند، از لایه های خارجی این ماده استفاده میکنند.

دمای تجزیه این پلیمر که در آن ماده کیفیت خود را کم کم از دست میدهد برابر با 1300 درجه فارنهایت است که مقداری بسیاری بالاتر از نومکس و کولار میباشد (دمای تنزل خواصی نومکس 700 درجه فارنهایت و کولار 1100 درجه فارنهایت میباشد). به همین دلیل است که امروزه تعدادی بیشتری از آتش نشانان در امریکای شمالی از لباس های ساخته شده از فیبر های PBI استفاده میکنند و گرایشی به سایر مواد ندارند و همچنین مواد یاد شده سهم خیلی بزرگی از بازار را در مناطق مختلف مانند آمریکای شمالی، بریتانیا، اروپا و استرالیا، نیوزلند و منطقه آسیایی مجاور اقیانوس آرام را به خود اختصاص میدهند.

لایه های ساخته شده از پلی بنزیمیدازول یا PBI

پلی بنزیمیدازول یا PBI به عنوان لایه و برای تولید محصولاتی به کار برده شده است که نقش جداساز یا جدا کننده را داشته اند. در گذشته این ماده نقش لایه های نیمه تراوا برای الکترودیالیز، اسمز معکوس یا  فراپالایش را ایفا میکرد. جداسازهای گازی هم از همین مواد ساخته می شدند. پلی بنزیمیدازول یا PBI دارای ساختار محکم و سختی بوده و پیوندهای هیدروژنی قوی دارد و لایه های ساخته شده از این ماده هم بسیار چگال بوده و میزان نفوذ پذیری گازها هم در آنها بسیار پایین است. به منظور ایجاد رسانایی پروتونی در این ماده، آن را در کنار اسیدها قرار میدهند. هرچقدر میزان ناخالصی اسیدی بیشتر باشد، میزان رسانایی پلیمر یاد شده هم بیشتر خواهد شد ولی در عین حال استحکام مکانیکی آن کاهش می یابد که یکی از مشکلات موجود در این حوزه است. اگرچه متدهای متفاوتی مانند ایجاد پیوند های عرضی یونی و ایجاد پیوندهای عرضی کووالانسی و لایه های ترکیبی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته اند تا میزان ناخالص سازی و رسانایی PBI هر دو در محدوده ای بهینه قرار گیرد و استحکام مکانیکی نیز دچار تنزل نشود. زنجیره های اصلی اریلن فلوئورینه هایی که تا حدودی سولفونه شده اند از خواص مطلوب گرمایی و پایداری گسترش یافته ، رسانایی بالای پروتونی و استحکام مکانیکی  متعادلی برخوردارند.

پلیمرهای سولفونه فلوئورینه برای تهیه ی ترکیبات اسید –بازی با PBI به کار برده میشوند. PBI پایداری گرمایی خیلی مطلوب و طولانی مدتی دارد.

رزین های قالب گیری شده ی PBI

رزین های این ماده با استفاده از متدی با نام زینترینگ انجام می گیرند که  توسط Hoechst Celanese  در کارولینا، آمریکای شمالی) و کمپانی Alpha Precision Plastics  در تگزاس آمریکا توسعه یافت. رزین های قالب گیری شده این ماده گزینه ای ایده آل برای مواد محکم و سبک وزن میباشند. از آنجایی که این رزین ها دارای استحکام فشردگی بالایی میباشند (32 کیلوپوند بر اینچ مربع)، رزین های پر شده از خواص مکانیکی متمایزی برخوردارند مانند استحکام کششی 23 کیلوپوندی بر اینچ مربع، استحکام خمشی 32 کیلوپوندی بر اینچ مربع و سایر موارد. همچنین خواص گرمایی و الکتریکی این ماده باعث شده اند تا به یک رزین ترموپلاستیک معروف تبدیل شود. رزین های PBI از واحدهای ساختار مند تکراری تشکیل شده است.

بنا بر گروه تحقیقاتی مواد ترکیبی در دانشگاه وایومینگ، رزین های PBI خواص کششی  و استحکام خود در برابر فشردگی را تا دمای 700 درجه فارنهایت یا 371 درجه سانتی گراد حفظ میکنند. همچنین میتوان از این رزین ها در صنایع بازیابی نفت و فرایندهای شیمیایی استفاده کرد که نیازمند مقاومت خوب شیمیایی و گرمایی می باشند.

الکترولیت سلولهای سوختی

از آنجایی که پلیمر یاد شده دارای خاصیت بازی است، میتوان ان را با اسیدهای قوی ترکیب کرد. ترکیب PBI با فسفریک اسید به این ماده خاصیت رسانایی پروتونی می بخشد و امکان ایجاد سلولهای سوختی در دمای بالا را فراهم می سازد. آزمونهای عملکردی سلولی نشان دهنده ی پایداری مطلوب در دمای 150 درجه به مدت 200 ساعت را نشان میدهند. استفاده از ماده یاد شده در سلولهای سوختی متانولی نیز می تواند بسیار مورد توجه قرار گیرد زیرا امکان گزینش آب و متان به صورت بهتری فراهم خواهد شد. از ترکیب PBI با فسفریک اسید نیز به منظور تولید الکترولیتهایی استفاده میشود که در سلولهای سوختی  قرار گرفته در معرض دمای بالا به کار برده میشوند. الکترولیتهای سلولهای سوختی که با این روش تولید میشوند دارای مزیت های مختلفی میباشند مانند:دمای افزایش یافته نرخ جنبشی واکنش های سلولی را افزایش میدهد و همچنین می تواند میزان مسمومیت کاتالیزوری را با جذب کربن مونوکسید کاهش دهد و همچنین مشکلات مرتبط با طغیان الکترونی را به مقدار کمینه کاهش خواهد داد. PBI/H3PO4 حتی در رطوبت پایین هم رسانا بود و امکان تلاقی متانولها را کاهش میدهد. موارد یاد شده باعث شده اند تا PBI/H3PO4 در مقایسه با سایر الکترولیتها  مانند نافیون در جایگاه بهتری قرار گیرد.

زمانی که PBI با فسفریک اسید ترکیب می شود، گروه های اسید یاد شده به صورت مستقیم به پیکره اصلی پلیمر وصل نمیشوند. به جای آن، آنیونی که ظرفیت کمتری برای شارژی بار  دارد، بی حرکت شده و توسط شبکه ی یک پیوند هیدروژنی قوی به این پیکره متصل میشود.

PBI جایگزینی برای پنبه های نسوز

در گذشته، فقط از پنبه های نسوز برای ساخت دستکش های عایق گرمایی در ریخته گری ها، روزن رانی آلومینیوم و فرآوری فلزات استفاده می شد و این در حالی است که PBI مصارف زیادی داشته و دارای خواص کیفی کافی برای جایگزینی این پنبه های نسوز میباشد. همچنین، یکی از تولیدکنندگان پوشاک ایمنی و حفاظتی عنوان کرد که دستکش های ساخته شده از PBI دو تا نه ماه بیشتر از پنبه نسور عمر میکنند و علاوه بر آن مقرون به صرفه تر هم هستند. همچنین دستکش های ساخته شده از فیبر های PBI نرم تر بوده و به کارگران حوزه حرکتی گسترده تری می بخشند، حتی اگر این ماده بسوزد. PBI از مسمومیت های سمی جلوگیری می کند زیرا دارای استانداردهای پارچه ای میباشد. میتوان در تولید شیشه نیز این ماده را جایگزین پنبه های نسوز کرد.