Funktionalisierung und Vernetzung von Polybenzimidazolen

Kern dieser Dissertation ist die Allylfunktionalisierung von Polybenzimidazolen (PBIs) zur Entwicklung neuer Materialien für Brennsto zell- und Gasseparationsmembranen. Diese Doppelbindung wird für eine neuartige PBI-Vernetzungsstrategie sowie für den Anbau weiterer funktioneller Gruppen als Seitenketten genutzt. Die Allylfunktionalisierung von verschiedenen nach dem Lösungspolymerisationsverfahren in Polyphosphorsäure hergestellten PBIs erfolgte durch polymeranaloge Umsetzung der Benzimidazolfunktionalität mit Allylbromid. Eine Strukturaufklärung mittels NMR-Spektroskopie am Polymer ist schwierig und erfolgte daher über eine Modellsubstanzstudie an 2-Methylbenzimidazol. Demnach können beide enthaltenen Sticksto e reagieren und es bilden sich 1-Allyl-2-methyl-benzimidazol und 1,3-Diallyl-2-methyl-benzimidazoliumbromid. Werden diese Ergebnisse auf das Polymer übertragen, enthält das PBI ungesättigte Seitenketten und zusätzlich ionische Strukturen in der Hauptkette. Durch eine Wärmebehandlung der allylfunktionalisierten PBIs wurde das Material vernetzt. Die Zersetzungstemperatur dieser Materialien liegt bei über 500 °C. Somit bleibt die auÿerordentlich hohe thermische Beständigkeit der unfunktionalisierten Materialien erhalten. Die Struktureinheit dieser stabilen Vernetzung konnte bisher nicht aufgeklärt werden. PBIs werden als Membranmaterialien in Brennsto zellen mit Betriebstemperaturen über 150 °C verwendet. Die Allylfunktionalität ermöglicht die kovalente Anbindung eines Ladungsträgers. Dies verhindert ein Auslaugen des Ladungsträgers und den damit verbundenen Leistungsabfall der Brennsto zelle. Über die Anbindung von Vinylphosphonsäure wurde eine Membran für eine saure Brennsto zelle und über die Anbindung des Imidazoliumsalzes 1-Allyl-3-methylimidazoliumchlorid eine Membran für eine basische Brennsto zelle synthetisiert. Ionische Flüssigkeiten auf Imidazoliumsalzbasis sind als Medium zur CO 2-Separation geeignet. Daher ist das mit dem Imidazoliumsalz 1-Allyl-3-methylimidazoliumchlorid funktionalisierte PBI ein potentiell CO2-selektives Polymer zur Herstellung von Gasseparationsmembranen. Intensiv untersucht wurde die Synthese eines Thermally Rearranged PBIs mit einem gut löslichen Präpolymer als Zwischenstufe. Dazu wurde eine Synthese aus Diaminobenzidin mit aromatischen Dialdehyden untersucht. Bei dem angenommenen Präpolymer handelt es sich nicht um eine stabile Zwischenstufe, sondern die Reaktion verläuft weiter bis zum Polymer. Die Triebkraft der Reaktion ist o ensichtlich der Energiegewinn durch Ausbildung des aromatischen Systems. Carbonylfunktionelle Lösungsmittel und Ausgangsverbindungen sind an der Umsetzung zum PBI beteiligt.