Was ist PBI-Faser (Polybenzimidazol)?
Polybenzimidazol (PBI)-Fasern sind lyotrope, flüssigkristalline, heterozyklische Polymere, die für ihre hervorragende Flammhemmung, hohe Temperaturbeständigkeit und chemische Stabilität bekannt sind. PBI wird hauptsächlich durch Polykondensation von aromatischen Aminen und aromatischen Dicarbonsäuren oder deren Derivaten hergestellt.
Strukturelle Eigenschaften der PBI-Faser
PBI ist ein heterozyklisches Polymer mit wiederkehrenden Benzimidazoleinheiten in seiner Hauptkette. Seine starre, leiterartige Molekülstruktur gehört zu Poly-1,4-phenylen-2,6-benzdiimidazol. Die Benzolringe und Benzimidazoleinheiten bilden starke intermolekulare Wasserstoffbrücken, die die Wechselwirkungskräfte und die Leistung verbessern. PBI wird in L-PBI (enthält einige aliphatische Ketten) und A-PBI (vollständig aromatische Ketten) unterteilt.
Diese starre Struktur verleiht der PBI-Faser überlegene thermische Stabilität, mechanische Festigkeit, dielektrische Eigenschaften, Selbstschmierung und minimale Freisetzung giftiger Gase bei Flammeneinwirkung.
Polymerisations- und Faserspinnprozess
Zur Synthese von PBI-Polymeren stehen drei Hauptmethoden zur Verfügung:
- In Polyphosphorsäure
- In Heißschmelz-, aber nichtlöslichen Verdünnungsmitteln wie Butylensulfon oder Diphenylsulfon
- Durch Festphasenpolymerisation
Die Festphasenpolymerisation ist für industrielle Anwendungen am praktischsten. Der polymerisierte Feststoff wird in einer Spinnlösung gelöst, durch Spinndüsen trocken gesponnen und durch Waschen, Strecken und Säurebehandlung zur endgültigen PBI-Faser verarbeitet.
Wichtige Leistungsmerkmale
1. Flammhemmende Eigenschaften
PBI-Fasern haben einen Sauerstoffindex (LOI) von 41 % und sind somit nicht brennbar. Sie brennen, schmelzen oder tropfen nicht in der Luft und bieten somit eine hervorragende Flammhemmung.
2. Hohe und niedrige Temperaturbeständigkeit
Die aromatische, heterozyklische Struktur macht PBI-Fasern hochhitzebeständig. Sie behalten ihre volle Festigkeit bei 300 °C für 60 Minuten, über 90 % ihrer Festigkeit bei 350 °C für 6 Stunden und halten kurzzeitig Temperaturen bis zu 815 °C stand. Bei niedrigen Temperaturen bis -196 °C bleiben sie zäh und werden nicht spröde.
3. Chemikalien- und Säurebeständigkeit
PBI-Fasern sind äußerst beständig gegenüber starken Säuren wie Schwefelsäure, Salzsäure und Salpetersäure sowie organischen Lösungsmitteln und eignen sich daher ideal für raue Umgebungen.
4. Tragekomfort
PBI-Faser hat eine Dichte von etwa 1,43 g/cm 3 Nach der Säurebehandlung weist es eine ähnliche Festigkeit und Dehnung wie Viskosefasern auf und nimmt mehr Feuchtigkeit auf (ca. 15 %), was dazu beiträgt, statische Elektrizität während der Verarbeitung zu verhindern und einen hervorragenden Tragekomfort für Schutzkleidung bietet.
5. Färbbarkeit und Aussehen
PBI-Fasern haben eine natürliche goldgelbe Farbe. Dispersions- und Säurefarbstoffe können verwendet werden, doch herkömmliche Färbeverfahren können aufgrund der hohen Glasübergangstemperatur und der starren Wasserstoffbrückenstruktur der Fasern eine Herausforderung darstellen.
Anwendungen von PBI-Fasern
Aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften wird die PBI-Faser häufig in Hochleistungsschutzkleidung für Feuerwehrleute, Militäruniformen, Arbeitsschutzkleidung, Luft- und Raumfahrtanwendungen und anderen anspruchsvollen technischen Textilien verwendet.
