聚苯并咪唑纤维（PBI）是美国塞拉尼斯公司研制开发并且工业化的耐高温、耐化学腐蚀、纺织加工性能优良的高技术纤维之一。在20世纪60年代初期，Vogel和Marvel发表了制备全芳香族聚苯并咪唑的方法，其中应用3，3′，4，4′四氨基联苯（TAB）和间苯二甲酸二苯酯（DPIP）为单体，缩聚合成的聚[2，2′间苯亚基5，5′二苯并咪唑]即是PBI，是具有工业应用价值的优良的耐高温纤维材料。1983年，塞拉尼斯公司建立了PBI工业化生产线，正式将其投入生产。
（一）聚合物的结构及其合成方法
聚苯并咪唑可用多种四氨基化合物，如四氨基苯、四氨基联苯及四氨基联苯醚等化合物，与对苯二甲酸、间苯二甲酸、萘二羧酸以及间苯二甲酸二苯酯等苯二酸、二苯酯缩聚反应合成。不同的基团结构会引起其性能上的一些变化，如芳香环的增多，可提供高的热稳定性，而加工性能下降；主链引进醚键、侧链引入甲基会增加可溶性和柔软性，但降低了耐热性。因此要根据聚合物的不同用途，是黏合剂、塑料还是纤维产品来选择合适的化学结构。从工业化生产规模和纤维性能的角度出发，则聚[2，2′间苯亚基5，5′二苯并咪唑]比较有竞争力，其单体原料容易得到，聚合体有适宜的纺丝溶剂，在商业上有发展前景，它的合成反应式如下所示：
文献上报道由TAB和DPIP缩聚反应制备PBI的方法有三种：
（1）在多聚磷酸中溶液缩聚，用比较低的反应温度（180℃以下），得到均匀的聚合物溶液，但它的含固量只有3%～5%，是实验室常用的合成方法。
（2）在熔融的二苯砜中，反应缩聚也能得到高相对分子质量的PBI，最后去除、分离二苯砜，这对工业生产来说不适合。
（3）用固相缩聚法生产PBI，可直接溶解成纺丝原液进行纺丝。
PBI缩聚反应要求TAB和DPIP的纯度非常高，尤其TAB的纯度，是PBI缩聚中的关键因素。将TAB在沸水中溶解，经过活性炭过滤，冷却重结晶，生成稍带米色的细小片晶，该纯化过程要在隔绝氧的条件下进行，避免邻位氨基的氧化。PBI在硫酸溶液中，相对分子质量M与特性黏度[η]的关系如下：
[η]=1.3533×10-4M0.73
（二）PBI纤维成型工艺
PBI高温下溶解在LiCl、DMAc组成的溶剂中。纺丝原液浓度为20%～23%，用氮气保护隔绝氧气，以避免氧化交联形成凝胶，溶解完全后，纺丝原液还经过仔细过滤。通过喷丝孔的纺丝细流进入热的纺丝甬道，溶剂挥发被回收，固化的丝束卷绕在多孔的筒管上，经水洗除去残留在纤维上的LiCl和DMAc，干燥后即得到初生纤维。PBI纤维干法纺丝工艺流程如图9-33所示。(www.xing528.com)
初生丝集束后，通过加热在高于400℃时进行拉伸，整个过程也需氮气保护，防止氧气的影响。为了降低PBI纤维在高温环境中的收缩性，用硫酸的水溶液处理纤维，形成咪唑环结构的盐，当受热后发生结构的重排，达到热稳定的效果，其结构变化如下所示。
图9-33 PBI纤维生产工艺流程示意图
此时，苯环上生成了磺酸基团，使整个化学结构更加稳定，这已在热失重试验中得到证明，热失重曲线如图9-34所示，经过稳定处理的PBI纤维具有更高的耐热性能。
图9-34 PBI纤维热失重曲线
（三）PBI纤维的性能和用途
PBI纤维具有一系列特殊的性能，如耐高温性、阻燃性、尺寸稳定性、耐化学腐蚀性和穿着舒适性等，表9-11是PBI与MPIA纤维的一些物理-力学性能的比较。从表中可以看出PBI纤维具有优异的耐高温性和高温下的尺寸稳定性，同时具有高的回潮率，在穿着舒适性方面和棉纤维一样，受人欢迎，因此可纺织加工成机织物、针织物及非织造布等产品。
表9-11 PBI与MPIA纤维物理-力学性能的比较
PBI纤维在恶劣环境中的耐化学腐蚀性相当杰出，在酸及碱溶液中浸泡100h以上，强度保持率达到90%；在150℃左右的蒸汽中，经过70h，纤维强度保持率为96%；对于各种有机液体，几乎不受影响。这样好的化学稳定性在纺织纤维中很少见，即使是优秀的MPIA耐高温纤维，在上述的条件下也将被损坏。
利用PBI纤维的耐高温性能，可制成特殊纺织制品，如宇航服、飞行服等防护服装，太空飞船中的密封垫、救生衣；还可作为石棉替代材料；在金属铸造、玻璃行业等领域，用于手套、工作服等防护材料。PBI纤维可耐850℃的高温，所以其寿命比石棉制品长2～9倍，还可用作高温过滤材料，PBI纤维做的过滤袋具有很长的使用寿命。PBI纤维在高温下还具有石墨化的倾向，可用于制造石墨纤维。
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