پلی بنزیمیدازول یا PBI

فیبرهای پلی بنزیمیدازول یا PBI به چه موادی گفته میشود و چه خواصی دارند؟

فیبرهای پلی بنزیمیدازول یا PBI که با نام poly[2,2]’-(m-phenylen)-5,5’-bisbenzimidazole هم شناخته میشوند، نوعی فیبر ترکیبی هستند که دمای تجزیه بالایی دارند ولی نقطه ذوبی ندارند. ماده یاد شده از پایداری گرمایی و شیمیایی منحصر بفردی برخوردار است و به راحتی شعله ور نمیشود.

این فیبر ترکیبی اولین بار توسط یک شیمی دان آمریکایی با نام Carl Shipp Marvel تولید شد و این در حالی بود که وی در جستجوی ماده ای جدید با پایداری ویژه بود که استحکام را به میزان زیادی حفظ نماید و در دماهای بالا سخت باشد. از آنجایی که فیبرهای پلی بنزی میدازول یا PBI دارای سختی و استحکام زیادی می باشند، از آنها به منظور تولید وسایل و لباس های حفاظتی استفاده می شود مانند پوشش آتش نشانان، واحدهای فضایی فضانوردان، دستکش های حفاظت کننده پوست در برابر حرارت بالا، لباس های جوشکاران و مواد تشکیل دهنده ی بدنه ی هواپیما ها. از ماده یاد شده به منظور غشا یا لایه در سلولهای سوختی هم استفاده شده است.

تاریخچه ی فیبرهای پلی بنزیمیدازول یا PBI

Brinker و Robinson در سال 1949 کشف پلی بنزیمیدازول های آلیفاتیک را گزارش کردند. اگرچه در دهه 50 میلادی، کشف پلی بنزیمیدازول های آروماتیک با خواص منحصر بفرد شیمیایی و فیزیکی به طور کلی به نام Carl Shipp Marvel ثبت شد.

آزمایشگاه مواد نیروی هوایی رایت پترسون نیز به سراغ Marvel رفته تا به آنها در ساخت چتر های نجات مهار کننده کمک نماید (چترهایی که معمولا از یک وسیله در حال حرکت خارج میشوند تا هدایت و کنترل بهتری را برای ان فراهم سازند). آنها خواستار چترهایی بودند که قادر به تحمل فشار مکانیکی کوتاه مدت باشد. اگرچه مقاومت فیزیکی انواع الیاف یا رشته های موجود در آن زمان  برای چنین اقدامی ناکافی بود.

جستجوهای اولیه بر پایه ی تجمع آروماتیک پلیمر ها صورت گرفت ولی پیوندهای آمیدی نمی توانستند پایداری گرمایی لازم را ایجاد نمایند زیرا پیوندهای ضعیفی ایجاد می کردند. اگرچه Marvel تحقیقاتی در خصوص پلیمر های تراکمی انجام می داد که دارای واحدهای تکراری هتروآروماتیک و آروماتیک بودند. این مراحل با کمی پیشرفت به کشف فیبرهای پلی بنزی میدازول یا PBI منجر شد.

توسعه ی فیبرهای پلی بنزیمیدازول یا PBI چگونه صورت گرفت؟

تاریخچه پیشرفت و توسعه این ماده را میتوان به صورت خلاصه چنین بیان کرد:

·       در سال 1961، فیبرهای پلی بنزیمیدازول یا PBI توسط H. Vogel و C.S. Marvel توسعه داده شدند و این در حالی بود که آنها پیش بینی میکردند ماده یاد شده دارای خواص منحصربفرد گرمایی و پایداری اکسیداتیو خواهد بود.

·        پس از آن در سال 1963 ناسا و آزمایشگاه مواد نیروی هوایی به پشتیبانی از به کارگیری این پلیمر در حوزه ی هواپیمایی و دفاعی پرداختند (به عنوان یک فیبر پارچه ای اشتعال ناپذیر و پایدار).

·        در سال 1969، نیروی هوایی ایالات متحده آمریکا این ماده را به دلیل برخورداری از خواص حفاظتی بالای گرمایی انتخاب کرد و این در حالی بود که در سال 1967 آتش سوزی فضاپیمای Apollo 1 منجر به مرگ سه تن از فضانوردان شده بود.

·        آزمایشگاه های USAF در دهه ی 70میلادی، آزمایشاتی بروی این فیبر ترکیبی انجام دادند که امکان استفاده از آن در تولید لباس های حفاظتی  و کاهش مرگ و میر خدمه هواپیما در آتش سوزی ها را بررسی نمایند.

·        ناسا همچنان در دهه 70 از فیبرهای پلی بنزیمیدازول یا PBI به منظور تولید بخشی از لباس های فضانوردان در فضا پیماهای  Apollo,Skylab و چندین نمونه دیگر استفاده کرد.

·        زمانی که یکی از این فضاپیماها با نام Skylab به سمت زمین پرتاب شد، بخشی از آن که با فیبر یاد شده حفاظت شده بود از سوختگی در امان ماند.

·        در دهه ی 80، فابریک های طلایی PBI ساخته شدند که دارای 40 درصد از PBI و 60 درصد پارا ارامید میباشند. پیش از این، از ترکیبی از نومکس یا پارچه ضد آتش، چرم و کولار در امریکا استفاده میشد.

·        در سال 1983 یک کارخانه در حوزه تولید فیبر های PBI کار خود را آغاز میکند و این مواد به صورت تجاری در دسترس قرار میگیرند.

·         در دهه 90، از فیبر های کوتاه تر این ماده  برای سیستم های ترمز خودرو استفاده میشود. فیبر های PBI  وارد صنعت هواپیمایی شده و جایگزین لایه های مسدود کننده آتش خواهند شد.

·        در سال 1992، انواعی از مواد سبک از جنس PBI ساخته میشوند تا لباس های ضد حریق را برای افرادی فراهم سازند که در حوزه ی برقی یا نفتی-شیمیایی فعالیت میکنند.

·        در سال 1994، فابریک های طلایی شکل PBI با روش های مهندسی شده مشکی رنگ میشوند.

·        در سال 2003، بستر اصلی این ماده به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفته و به عنوان نسل بعدی PBI در لباس های آتش نشانان به کار برده میشود.

فیبرهای پلی بنزیمیدازول یا PBI چه خواصی دارند؟

·        خواص عمومی PBI: این مواد معمولا حالتی جامد داشته و به رنگ زرد تا قهوه ای می باشد. علاوه بر آن PBI  با قرار گیری در معرض دمایی تا 400 درجه سانتی گراد یا بالاتر ذوب نمیشود و میزان انحلال پذیری آن بسیار مورد بحث قرار گرفته است زیرا اغلب این مواد به صورت کامل یا نیمه در اسید های قوی پروتونیک مانند سولفوریک اسید یا متان سولفونیک اسید حل میشوند ولی مشاهداتی نیز وجود دارد که بر مبنای آن ماده یاد شده در اسید های ضعیف تر مانند فرمیک اسید، در محیط های غیر اسیدی مانند حلال های آمیدی آپروتیک و دی متیل سولفوکساید حل نمی شوند. به عنوان مثال، نوعی از این پلیمر که در فسفریک اسید ساخته شده بود، تا حدودی در فرمیک اسید حل خواهد شد ولی میزان انحلال پذیری آن در دی متیل سولفوکساید و دی متیل استامید بسیار زیاد است. اگرچه عده ای دیگر گزارش کردند که همان نوع پلیمر در فرمیک اسید کاملا حل خواهد شد ولی انحلال پذیری آن در دی متیل سولفوکساید یا دی متیل استامید نیمه کامل است.

پایداری گرمایی: مشتقات ایمیدازول به عنوان ترکیباتی پایدار شناخته میشوند و تعداد زیادی از آنها در برابر قوی ترین اسید و بازها مقاوم بوده و به راحتی اکسید نمی شوند. دمای بالای تجزیه این مواد و پایداری بالای آنها در دمای بالای 400 درجه سانتی گراد این احتمال را بوجود می اورد که پلیمری با واحدهای تکراری بنزیمیدازول از پایداری گرمایی خیلی بالایی برخوردار باشد. PBI و مشتقات آروماتیک ان میتوانند دمایی تا 500 درجه سانتی گراد را تحمل نمایند بدون آن که نرم شوند و یا کيفيت خود را از دست بدهند. پلیمری که از ترکیب ایزوفتالیک اسید و 3,3'-diaminobenzidine بدست می آید، با قرارگیری در معرض دمای 770 درجه سانتی گراد ذوب نخواهد شد و فقط در صورتی که حرارتی برابر با 900 درجه  به مدت چندین ساعت به آن وارد شود، سی درصد از وزن خود را از دست میدهد

·        مقاومت شعله ای: یکی از خواصی که باید حتما قبل از استفاده از یک ماده مورد توجه قرار گیرد، میزان اشتعال پذیری آن میباشد که به معنای احتمال احتراق و انفجار آن ماده در شرایط دنیای واقعی میباشد. این موضوع می تواند بر مصارف ماده در حوزه های گوناگون موثر باشد مانند ساخت و ساز،طراحی کارخانه و دکوراسیون داخلی. ارزیابی کمی میزان اشتعال پذیری با توجه به شاخص محدود کننده اکسیژنی انجام میگیرد (به مقدار کمینه اکسیژنی که نمونه مورد نظر باید در معرض آن قرار گیرد تا شعله ور شود، شاخص محدود کننده اکسیژنی می گویند). داده ها نشان میدهند که PBI در مقایسه با سایر انواع پلیمرها ،موادی با مقاومت شعله ای بالا می باشند.

·        بازجذب رطوبت: این خاصیت در PBI در حوزه لباس های حفاظتی بسیار پرکاربرد است و باعث میشود تا در مقایسه با سایر پلیمرها، این پوشاک حالتی راحت داشته باشند. میزان باز جذب رطوبت PBI سیزده درصد بوده ولی همین مقدار برای نخ 16 درصد است.

سنتز یا تولید فیبرهای پلی بنزی میدازول یا PBI چگونه صورت میگیرد؟

تولید PBI با استفاده از واکنش های تراکمی دی فنیل ایزو فتالات و 3,3’,4,4’- تتراآمینودیفنیل صورت میگیرد. این متد ترکیبی اولین بار در ازمایشگاه مورد استفاده قرار گرفت سپس به یک فرایند دو مرحله ای تبدیل شد. در شرایط معمول، مواد اولیه تا 270 درجه و به مدت یک ساعت و نیم تحت حرارت مستقیم قرار گرفتند تا پرپلیمرهای PBI را تولید نمایند و پس از آن نیز این پیش پلیمر در برابر حرارت 360 درجه ای به مدت یک ساعت دیگر قرار گرفت تا محصول تجاری نهایی تولید شود. گام دوم از آنجایی انجام میگیرد که در گام اول محصولات جانبی فنول و آب شکل میگیرند و فوم های حجیمی را تشکیل میدهند و در نهایت ماده ای با حجم چندین برابر نوع اغازین شکل میگیرد. میتوان با انجام بسپارش تراکمی در دمای بالای نزدیک به 200 درجه سانتی گراد و تحت فشار 2.1 تا 4.2 مگاپاسکال حجم این فوم را کاهش داد. افزودن مایعاتی که دارای نقطه جوش بالایی هستند مانند دی فنیل اتر یا ستان نیز به بسپارش تراکمی میتواند نتیجه ای مشابه داشته باشد. نقطه جوش باعث میشود تا مایع در مرحله اول خود باقی بماند ولی در مرحله دوم و در تراکم جامد تبخیر شود. از معایب این روش آن است که در این مرحله همچنان مایعاتی در PBI باقی می مانند که رفع کامل آنها با دشواری هایی همراه است.