Polybenzimidazole

Allgemeines Strukturelement von Polybenzimidazolen

Bei der Herstellung bilden sich in der Hauptkette Benzimidazol-Einheiten.

Polybenzimidazole (Kurzzeichen PBI) sind aromatische Polymere mit Benzimidazol-Einheiten in den Hauptketten. Polybenzimidazole haben eine sehr hohe Glastemperatur und sind nicht brennbar.

Geschichte

Polybenzimidazol wurde durch Carl S. Marvel Ende der 1950er Jahre bei Forschungsarbeiten für die U.S. Air Force synthetisiert. 1961 entwickelten Carl Marvel und Herward Vogel PBI weiter und meldeten 1962 über die University of Illinois ein Patent zu Polybenzimidazol und dessen Herstellung an, das 1965 erteilt wurde.

1963 finanzierten NASA und Air Force die Entwicklung von PBI-Fasern weiter, da sie nicht entflammbar (entsprechend ISO 13943:2017: Fire Safety-Vocabulary) und so temperaturstabil sind, um sie in Raumfahrt- und Militäranwendungen einsetzen zu können. Dazu schloss die NASA mit der Celanese Corp., New York einen Vertrag über die Produktion von PBI-Fasern und von Produkten daraus ab. Die Produktionslinie wurde 1983 in einem Werk in Rock Hill, South Caroliina eröffnet. Schon kurz nach der Markteinführung 1983 wurde PBI als Oberstoff von Feuerwehranzügen und für Schutzhauben verwendet. Celanese Corp. verkaufte im Jahr 2005 die Faser- und die Polymerherstellung an die PBI Performance Products Inc., die zur InterTech Group gehört und noch heute weltweit der einzige Hersteller von PBI-Fasern und Polymer ist.

Herstellung

PBI wird in einer Polykondensation beispielsweise aus 3,3′-Diaminobenzidin und Diphenylisophatalat hergestellt. Die Reaktion erfolgt in zwei Schritten: Im ersten Schritt bildet sich durch Erwärmung bis 300 °C ein noch lösliches Polyamid. Nach Verarbeitung z. B. in Fasern erfolgt im zweiten Schritt bei 350 bis 400 °C eine weitere Kondensation unter Bildung des nicht mehr löslichen Polybenzimidazols, das den aromatischen Polyimiden zugerechnet wird. Die Glastemperatur liegt bei 425 °C.

Eigenschaften

Restfestigkeit von verschiedenen Fasern

Polybenzimidazol ist ein Polymer, welches vollständig aus aromatischen Monomereinheiten besteht und einen sehr hohen Schmelzpunkt besitzt. PBI ist fest, hart, druckbeständig und erholt sich schnell von den Folgen hohen Druckes. Polybenzimidazol weist unter chemisch stark belastenden Bedingungen gute Beständigkeit auf, wird jedoch von polar-aprotischen Lösungsmitteln sowie bei höheren Temperaturen von starken, wasserhaltigen Säuren und in geringerem Maße von Alkalien angegriffen. Obwohl Polybenzimidazol auch am Sättigungspunkt noch einen hohen Prozentsatz an Wasser absorbiert, ist es stabil gegenüber Hydrolyse. Der Wärmeausdehnungswert ähnelt dem von Aluminium.

Die PBI-Fasern weisen eine feinheitsbezogene Trockenreißfestigkeit von 24 cN/tex und eine Trockenbruchdehnung von 27 % sowie einen Anfangsmodul (E-Modul) von 400 cN/tex auf. Die Feuchtigkeitsaufnahme liegt bei 15 %, was zum guten Tragekomfort der aus diesen Fasern gefertigten Bekleidungsteile beiträgt. Hervorzuheben ist die hohe thermische Stabilität und die Flammwidrigkeit der PBI-Fasern (LOI >41). Die Faser brennt nicht an Luft, schmilzt nicht und behält Festigkeit und Flexibilität ohne Versprödung selbst bei extremer Hitze bei und entwickelt wenig Rauch bzw. toxische Gase. Nach Einwirkzeit von 60 min bei 300 °C besitzen PBI-Fasern 100 % ihrer ursprünglichen Festigkeit. Die PBI-Spinnfasern werden in eine Feinheit von 1,7 dtex und mit Standard-Schnittlängen von 3, 6, 38, 50, 76 und 100 mm hergestellt.

Anwendungen

Neben dem Einsatz von PBI-Fasern in Brandschutzkleidung wird der Werkstoff auch als Hochtemperaturmembran für Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEFC) genutzt. Hierbei dient es als Matrix für Phosphorsäure, die die Protonenleitung gewährleistet.