Polibenzimidazol
Polibenzimidazolii ( PBI ) sunt o familie de polimeri sintetici obținuți prin polimerizare pas cu pas . Acestea sunt atât de definite, deoarece conțin grupul benzimidazol de -a lungul lanțului. Firele sunt folosite pentru a produce țesături rezistente la temperaturi ridicate (probabil cele mai bune disponibile în comerț) folosite printre altele de pompieri , astronauți , mănuși de sudor și salopete de șoferi de mașini de curse [1] . O altă aplicație importantă a PBI este utilizarea sa ca electrolit în pilele de combustibil definite ca PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) [2] . Există diferite tipuri de polibenzimidazoli, dar cele mai renumite sunt cu siguranță PBI-ul comercial definit și ABPBI. Primul polibenzimidazol complet aromat a fost sintetizat pentru prima dată de Vogel și Marvel în 1961 [3] , în timp ce producția industrială a început în 1983 [4] .
Producție
PBI comercial se obține la scară mică (de laborator) prin reacția dintre acidul izoftalic și 3,3'-diaminobenzidină. Sinteza se efectuează în mod normal la temperaturi de aproximativ 200 ° C, folosind acid polifosforic (amestec de acid fosforic și anhidridă fosforică) ca solvent, acționează și ca agent de deshidratare (deplasează echilibrul reacției către produse prin îndepărtarea apei din mediu de reacție) și catalizator .
Pe de altă parte, este preparat industrial reacționând difenil izoftalat și 3,3'-diaminobenzidină:
Polimerul obținut este, în general, procesat în soluție folosind ca solvent N, N-dimetilacetamidă , iar fibrele sunt obținute prin filare uscată . Primele fibre PBI disponibile comercial din Statele Unite ale Americii au fost produse de Celanese ; la nivel european, unul dintre principalii producători de PBI comercial este HOS-Technik GmbH. ABPBI, pe de altă parte, se obține prin omopolimerizarea acidului 3,4-diaminobenzoic în condiții de reacție foarte similare cu cele utilizate pentru obținerea PBI comercial.
Proprietate
Cea mai importantă caracteristică a polibenzimidazolilor este cu siguranță aceea a stabilității termice ridicate (până la peste 450 ° C), în plus, chiar și la temperaturi ridicate nu se aprind, ci se degradează prin piroliză .
Rezistență chimică
| Rezistență chimică | Grad |
|---|---|
| Acizi - concentrate | Discrete |
| Acizi - diluați | Bun |
| Alcooli | Bun |
| Alcalii | Discrete |
| Hidrocarburi aromatice | Bun |
| Grăsimi și uleiuri | Bun |
| Hidrocarburi halogenate | Bun |
| Cetone | Bun |
Proprietati termice
| Proprietati termice | Valori |
|---|---|
| Coeficient de dilatare termică | 23 × 10 −6 K −1 |
| Temperatura de deviere a căldurii - 0,45 MPa | 435 ° C |
| Conductivitate termică | 0,41 W m −1 K −1 |
| Temperaturi de funcționare | 260-450 ° C |
Utilizare în pilele de combustibil
Polibenzimidazolii sunt printre cei mai studiați polimeri pentru utilizarea în pilele de combustie PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Din punct de vedere istoric, primele celule de acest tip au folosit polimeri de tip Nafion ca membrane de schimb de protoni, însă utilizarea lor duce la diferite limitări tehnice în dezvoltarea optimă a celulei. Au fost apoi căutate alternative și printre acestea există polibenzimidazoli. Membranele obținute din acești polimeri sunt impregnate cu lichide cu fierbere ridicată având proprietăți de donator-acceptor de protoni, înlocuind apa, cum ar fi acidul fosforic. Acest lucru le permite să fie utilizate în camere frigorifice care pot funcționa până la temperaturi de 200 ° C fără umidificare. Acești polimeri conduc protoni printr-un mecanism acid-bazic. S-a demonstrat prin utilizarea spectrelor IR că în timpul dopajului, necesar pentru a îmbunătăți conductivitatea membranei, fiecare unitate repetitivă de PBI absoarbe până la 3 molecule de acid fosforic formând o sare cu primele două prin protonarea site-uri bazice, în timp ce al treilea este încorporat la fel de acid ca și el. Molecule de acid suplimentare pot fi încorporate în polimer prin formarea de legături de hidrogen cu moleculele de acid legate direct de siturile bazice ale lanțului. În încercarea de a optimiza cât mai mult performanța acestui tip de polimeri, au fost efectuate numeroase studii în care pot fi recunoscute două strategii principale: adăugarea unui material de umplutură (în general de natură anorganică) la membrană sau sinteza polibenzimidazoli diferiți din punct de vedere structural (de exemplu prin introducerea unui număr mai mare de site-uri de bază pentru fiecare unitate repetitivă) din clasicul PBI comercial și ABPBI. Evident, aceste două strategii pot fi în cele din urmă combinate pentru a spori laturile pozitive ale uneia și celeilalte.
Notă
- ^ Hiroshi Mera, Tadahiko Takata "Fibre de înaltă performanță" în Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2005. DOI : 10.1002 / 14356007.a13_001
- ^ Juan Antonio Asensio, Eduardo M. Sánchez și Pedro Gómez-Romero, Membrane conductoare de protoni pe bază de polimeri benzimidazolici pentru celule de combustibil PEM la temperatură înaltă. O căutare chimică , în Chemical Society Reviews , vol. 39, nr. 8, -, p. 3210, DOI : 10.1039 / b922650h , ISSN 0306-0012,1460-4744 .
- ^ H. Vogel și CS Marvel, J. Polym. Sci., 1961, 50, 511-539
- ^ A. Buckley, ED Stuez și GA Serad, în Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, ed. HF Mark, Wiley, New York, 1988, vol. 11, pp. 572-601
