ポリベンズイミダゾール

項目	内容
材料名	ポリベンズイミダゾール
略記号	PBI
IUPAC	Poly[2,2′-(m-phenylene)-5,5′-bibenzimidazole] など
英語名	Polybenzimidazole
日本語名	ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾイミダゾール、芳香族ポリベンズイミダゾール
分類	芳香族複素環系高分子、耐熱性熱可塑性樹脂
プラスチック分類	スーパーエンプラ
化学式または代表構造	芳香族ベンズイミダゾール環を主鎖に持つ高分子。代表構造は－[C₂₀H₁₂N₄]－_n に近い構造で表される場合がある
CAS No.	25928-81-8 などが一般的に知られている
構造・主成分	芳香族テトラアミン類と芳香族ジカルボン酸またはその誘導体から得られる縮合系ポリマー
主な用途	高温摺動部品、半導体製造装置部品、絶縁部品、航空宇宙部品、耐熱シール、耐薬品部品、分析機器部品

概要

ポリベンズイミダゾール（PBI）は、芳香族複素環であるベンズイミダゾール環を主鎖に有する超耐熱性樹脂である。一般に明確な融点を示しにくい非晶性高分子として扱われ、ガラス転移温度が非常に高く、高温下での機械的強度、耐摩耗性、耐クリープ性、寸法安定性に優れる材料である。

PBIは、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリイミド（PI）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）などの高耐熱樹脂と比較しても、さらに高温域で使用されることが多い。ただし、材料価格が高く、加工性も一般的な熱可塑性樹脂より難しいため、要求性能が高い特殊用途で採用される。

耐薬品性は全般に良好であり、油類、炭化水素系溶剤、アルコール類などには比較的安定である。一方で、強酸、強アルカリ、酸化性薬品、高温水蒸気などでは条件により劣化する場合がある。実使用では、グレード、温度、濃度、荷重、応力、接触時間、洗浄条件を確認する必要がある。

特徴

長所

非常に高い耐熱性を持ち、連続使用温度は目安として300℃前後に達する場合がある。
高温下での機械的強度保持性、耐クリープ性、寸法安定性に優れる。
耐摩耗性、摺動特性が良好で、高温摺動部品に使用される。
低アウトガス性、低イオン汚染性が求められる半導体・電子部品用途に適する場合がある。
多くの油、燃料、炭化水素、アルコール類に対して比較的良好な耐性を示す。

短所

材料価格が非常に高く、汎用用途には使用しにくい。
成形加工温度が高く、一般的な射出成形材料に比べて加工条件が厳しい。
吸水により寸法や電気特性が変化する場合がある。
強酸、強アルカリ、酸化剤、高温水蒸気では条件により劣化する場合がある。
衝撃性や靭性はグレード、温度、肉厚、切欠き形状により大きく変化する。

項目	内容
外観	一般に黒色から濃褐色の不透明材料である。成形品、板材、丸棒、切削加工品として流通することが多い。
耐熱性	スーパーエンプラの中でも特に高い耐熱性を示す。荷重たわみ温度、ガラス転移温度、連続使用温度が高い。
耐薬品性	炭化水素系、アルコール系、油類には比較的強いが、強酸、強アルカリ、酸化性薬品では注意が必要である。
加工性	圧縮成形材や押出素材からの切削加工が中心である。射出成形グレードもあるが、専用設備と厳密な温度管理が必要である。
分類上の注意	熱可塑性樹脂に分類されるが、一般的な汎用熱可塑性樹脂とは異なり、超耐熱・高価格・高難度加工材料として扱う必要がある。

構造式

ポリベンズイミダゾールは、芳香環とイミダゾール環が連続した剛直な主鎖構造を持つ。このため、分子鎖の熱運動が抑制され、高いガラス転移温度、耐熱性、耐クリープ性を示す。

項目	内容
化学式の画像	画像タグは使用せず、白黒構造式の代替としてHTMLテキストで表記する。
代表的な構造単位	－[芳香環－ベンズイミダゾール環－芳香環－ベンズイミダゾール環]－_n
代表構造式	－[C₆H₄－C₇H₃N₂－C₇H₃N₂]－_n のような芳香族複素環骨格
モノマーまたは構成単位	3,3′,4,4′-テトラアミノビフェニル、イソフタル酸、テレフタル酸、ジフェニルイソフタレートなどが代表例である。
共重合体や変性グレード	摺動改良グレード、ガラス繊維強化グレード、炭素繊維強化グレード、導電性グレード、PEEKなどとのブレンドグレードがある。

種類

種類の名称	主成分または特徴	長所	短所	主な用途
未充填PBI	PBI樹脂単体を主体とする標準グレード	耐熱性、機械強度、低アウトガス性に優れる	高価で加工条件が厳しい	半導体治具、絶縁部品、高温精密部品
摺動改良PBI	固体潤滑材、黒鉛、PTFE系添加材などを配合したグレード	摩擦係数が低く、耐摩耗性が良い	強度、絶縁性、寸法安定性は配合により変化する	軸受、ブッシュ、シールリング、摺動プレート
ガラス繊維強化PBI	ガラス繊維を配合した高剛性グレード	曲げ弾性率、寸法安定性、耐クリープ性が向上する	切削工具摩耗や相手材攻撃性に注意が必要である	高温治具、構造部品、精密機械部品
炭素繊維強化PBI	炭素繊維を配合した高剛性・低熱膨張グレード	剛性、耐摩耗性、低熱膨張性に優れる	導電性を示す場合があり、絶縁用途では確認が必要である	半導体装置部品、高温摺動部品、精密部品
PBIブレンド	PEEKなど他のスーパーエンプラと組み合わせたグレード	耐熱性、摺動性、加工性のバランスを調整しやすい	純PBIと比較すると耐熱性や強度が低下する場合がある	高温摺動部品、成形部品、機械部品

成形加工

加工方法	適性	内容
射出成形	△	専用グレードでは可能な場合があるが、成形温度が高く、金型温度、乾燥、滞留時間管理が重要である。
押出成形	△	棒材、板材などの素材化に用いられる場合があるが、一般的な樹脂より条件管理が難しい。
ブロー成形	×	通常は適さない。
圧縮成形	◎	丸棒、板材、ブロック材などの成形に用いられることが多い。
真空成形	×	一般的な熱成形材料ではなく、通常は適さない。
切削加工	◎	高精度部品に適する。加工熱、工具摩耗、バリ、吸湿による寸法変化に注意する。
接着	△	表面処理、接着剤選定、使用温度の確認が必要である。
溶着	△	一般的な熱板溶着や超音波溶着は難しい場合が多く、グレードと形状により確認が必要である。

代表的な物性値又は機械的性質

以下の値は代表値または目安であり、実際の数値はメーカー、グレード、成形方法、試験温度、含水状態、充填材の有無により変化する。

項目	未充填PBI	GF強化PBI	CF強化PBI	単位	備考
密度	1.30〜1.35	1.45〜1.60	1.35〜1.55	g/cm³	充填材量により変化する
引張強さ	120〜170	130〜200	120〜220	MPa	温度、含水状態、試験片形状により変化する
伸び	2〜5	1〜3	1〜3	%	高剛性グレードほど低くなる傾向がある
曲げ弾性率	5〜7	8〜15	10〜20	GPa	繊維強化により大きく向上する
アイゾット衝撃強さ	30〜80	20〜70	20〜60	J/m	切欠き、肉厚、温度に依存する
荷重たわみ温度	400以上	400以上	400以上	℃	荷重条件により異なる。目安値である
融点またはガラス転移温度	Tg 420〜430	Tg 420前後	Tg 420前後	℃	明確な融点を示しにくい非晶性樹脂である
連続使用温度	300〜310	300前後	300前後	℃	荷重、雰囲気、寿命設計により変化する
吸水率	0.4〜1.5	0.3〜1.2	0.3〜1.2	%	条件により寸法や電気特性に影響する
体積抵抗率	10¹³〜10¹⁵	10¹²〜10¹⁵	10¹〜10⁸	Ω・cm	炭素系充填材では導電性を示す場合がある
線膨張係数	40〜60	20〜40	10〜30	×10^-6/K	繊維配向により異方性を示す
難燃性	良好	良好	良好	―	グレードによりUL規格確認が必要である

耐薬品性

ポリベンズイミダゾールは、一般に高温下でも多くの油類、炭化水素、アルコール類に対して比較的安定である。ただし、強酸、強アルカリ、酸化性薬品、高温水、蒸気環境では、膨潤、変色、強度低下、分子鎖劣化が起こる場合がある。

薬品分類	代表薬品	評価	備考
酸類	塩酸、希硫酸	△	低濃度・常温では使用できる場合があるが、濃度や温度が高い場合は注意が必要である。
強酸・酸化性酸	濃硫酸、硝酸、クロム酸	×	酸化や分解の恐れがあり、原則として長期使用には適さない。
アルカリ類	水酸化ナトリウム、水酸化カリウム	△	濃度、温度、時間により劣化する場合がある。
低級アルコール類	メタノール、エタノール、IPA	○	常温では比較的安定であるが、長期浸漬では確認が必要である。
高級アルコール類	グリセリン、MMB、ブタノール	○	一般に良好であるが、高温条件では膨潤や吸収を確認する。
芳香族炭化水素類	トルエン、キシレン	○	比較的安定であるが、高温長時間では確認が必要である。
脂肪族炭化水素類	ヘキサン、ヘプタン、ミネラルスピリット	◎	一般に良好である。
ケトン	アセトン、MEK、MIBK	○	短時間接触では比較的安定であるが、応力下や高温では確認が必要である。
エステル	酢酸エチル、酢酸ブチル	○	グレードと温度条件により膨潤の可能性がある。
塩素系溶剤	ジクロロメタン、トリクロロエチレン	△	条件により膨潤、応力割れ、物性低下の確認が必要である。
水・温水	水、温水	○	吸水による寸法変化、電気特性変化に注意する。
高温水蒸気	スチーム、加圧熱水	△	長期では加水分解、強度低下、寸法変化を確認する必要がある。
油	鉱物油、潤滑油、作動油	◎	一般に良好であり、高温摺動用途で使用される。
燃料	ガソリン、軽油、航空燃料	○	添加剤や温度条件により確認が必要である。

SP値（溶解度パラメータ）

項目	SP値（δ）	単位	備考
ポリベンズイミダゾール（PBI）	29〜33	MPa^1/2	芳香族複素環構造を持つため、比較的高いSP値を示す目安である。
設計上の代表値	31	MPa^1/2	耐溶剤性比較の便宜上の中央値であり、実測値やグレード値ではない。

SP値は、樹脂と溶剤の親和性を推定するための目安である。ただし、PBIの耐薬品性は、分子構造、結晶性または非晶性、架橋的な挙動、充填材、温度、応力、浸漬時間、薬品の濃度、酸化性の有無に大きく左右される。したがって、SP値だけで使用可否を判断してはならない。

溶解性の目安

SP値差	溶解・膨潤の目安	判定
0〜2	膨潤・軟化しやすい	×
2〜5	条件により膨潤する	△
5〜8	短時間接触では比較的安定	○
8以上	溶解・膨潤しにくい	◎

SP値から見た耐溶剤性

以下は、PBIの代表SP値を31MPa^1/2として、各溶剤とのSP値差から溶解・膨潤の傾向を整理した目安である。実際の耐薬品性は、薬品の反応性、温度、応力、浸漬時間、添加剤、充填材、後処理条件により変化する。

薬品名	SP値（δ）	SP値差	評価	備考
水	47.9	16.9	○	SP値差は大きいが吸水には注意する。
メタノール	29.7	1.3	△	SP値は近いが、実際には短時間接触では使用できる場合がある。
エタノール	26.0	5.0	○	常温では比較的安定である。
IPA	23.5	7.5	○	洗浄用途では温度と時間を確認する。
アセトン	20.3	10.7	○	短時間接触では比較的安定な場合が多い。
MEK	19.0	12.0	○	応力下では確認が必要である。
酢酸エチル	18.6	12.4	○	長時間浸漬では膨潤を確認する。
トルエン	18.2	12.8	○	一般に比較的安定である。
キシレン	18.0	13.0	○	高温では確認が必要である。
ヘキサン	14.9	16.1	◎	一般に膨潤しにくい。
ジクロロメタン	20.2	10.8	△	SP値差だけでは良好に見えるが、溶剤性が強いため注意が必要である。
NMP	23.0	8.0	△	高温では膨潤や物性低下を確認する必要がある。
DMF	24.8	6.2	△	極性溶剤であり、温度条件により注意が必要である。
DMSO	26.7	4.3	△	SP値が比較的近く、長時間接触では確認が必要である。

評価	基準
◎	非常に良好
○	概ね良好
△	注意が必要
×	不適

製法

ポリベンズイミダゾールは、一般に芳香族テトラアミン類と芳香族ジカルボン酸またはその誘導体を高温で縮合させて得られる。高分子鎖中にベンズイミダゾール環が形成されるため、反応には高温、脱水または脱フェノール、酸性溶媒、窒素雰囲気などが用いられる場合がある。

工程	内容
原料	3,3′,4,4′-テトラアミノビフェニル、イソフタル酸、テレフタル酸、ジフェニルイソフタレートなどが代表例である。
重合方法	高温縮合重合により、芳香族ベンズイミダゾール環を形成しながら高分子化する。
代表的な反応式	H₂N－Ar－NH₂ / H₂N－Ar－NH₂ ＋ HOOC－Ar’－COOH → －[Ar－benzimidazole－Ar’－benzimidazole]－_n ＋ H₂O
ペレット化や素材化	粉末、ペレット、圧縮成形用素材、押出素材、板材、丸棒などに加工される。
コンパウンド	摺動性、剛性、導電性、寸法安定性を調整するため、黒鉛、炭素繊維、ガラス繊維、PTFE系添加材などを配合する場合がある。
後処理	高温熱処理、アニール、乾燥により寸法安定性や残留応力を調整する場合がある。

詳細な利用用途

分野	主な用途	採用理由
自動車	高温摺動部品、シール、ブッシュ、燃料系周辺部品	耐熱性、耐摩耗性、耐油性が求められるためである。
電気・電子	絶縁部品、コネクタ周辺部品、試験治具、耐熱スペーサー	高温寸法安定性、低アウトガス性、電気絶縁性が必要なためである。
半導体製造装置	ウェハー搬送部品、チャック部品、治具、耐熱摺動部品	低アウトガス性、耐摩耗性、高温安定性、低汚染性が求められるためである。
機械部品	軸受、ブッシュ、ローラー、ギア、シールリング、ポンプ部品	高温下での耐摩耗性、耐クリープ性、寸法安定性が必要なためである。
航空宇宙	耐熱構造部品、絶縁部品、摺動部品、軽量高耐熱部品	高温強度、難燃性、軽量性が重視されるためである。
医療	分析機器部品、耐熱治具、特殊摺動部品	高温滅菌や薬品洗浄に対する耐性が必要な場合がある。ただし医療適合性はグレード確認が必要である。
食品機械	高温搬送部品、摺動部品、耐熱ガイド	高温下での寸法安定性と耐摩耗性が必要なためである。ただし食品接触適合は個別確認が必要である。
建築・設備	特殊高温設備部品、絶縁スペーサー、耐熱シール	一般建築用途では少ないが、高温設備では採用される場合がある。
分析・理化学機器	高温治具、ホルダー、絶縁部品、摺動部品	高温環境、薬品接触、寸法精度が求められるためである。

比較材料	特徴	対象材料との違い
PEEK	耐熱性、耐薬品性、機械特性のバランスが良いスーパーエンプラである。	PBIの方が高温強度や耐摩耗性で優れる場合があるが、PEEKの方が成形加工性と入手性に優れる。
ポリイミド（PI）	非常に高い耐熱性を持つ芳香族高分子である。	PBIと同様に超耐熱用途で使われるが、PIはフィルムやワニス、焼成部品でも使用範囲が広い。
ポリフェニレンサルファイド（PPS）	耐薬品性、寸法安定性、成形性に優れる結晶性樹脂である。	PBIの方が高温域での性能が高いが、PPSの方が量産成形とコスト面で有利である。
ポリエーテルイミド（PEI）	透明性を持つ高耐熱非晶性スーパーエンプラである。	PBIの方が耐熱性は高いが、PEIは射出成形性、寸法安定性、コスト面で扱いやすい。
ポリアミドイミド（PAI）	高強度、高耐熱、耐摩耗性に優れるスーパーエンプラである。	PBIと競合する高温摺動材料である。PAIは成形品や摺動グレードが比較的選定しやすい。
ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）	非常に低い摩擦係数と優れた耐薬品性を持つフッ素樹脂である。	PTFEは摺動性と耐薬品性に優れるが、PBIの方が高温荷重下の強度と耐クリープ性に優れる。
PFA	溶融成形可能なフッ素樹脂で、耐薬品性と耐熱性に優れる。	PFAは耐薬品ライニングやチューブに適するが、PBIは高荷重摺動部品や構造部品に適する。
液晶ポリマー（LCP）	薄肉流動性、寸法安定性、耐熱性に優れる成形材料である。	LCPは精密射出成形に適するが、PBIはより高温・高荷重の特殊部品に用いられる。

代表的なメーカー

メーカー	代表製品・ブランド	概要
Celanese	Celazole	PBI樹脂およびPBI系高機能材料の代表的なブランドとして知られる。
Röchling	Polystone、Sustamid系とは別にPBI素材を取り扱う場合がある	高機能樹脂素材、切削加工用素材を扱うメーカーであり、PBI素材を取り扱う場合がある。
Ensinger	TECASINT、TECAPEEKなどの高機能樹脂群の中でPBI系素材を取り扱う場合がある	高機能樹脂の丸棒、板材、切削加工素材を扱うメーカーである。PBI系素材は地域やグレードにより確認が必要である。
三菱ケミカルグループ	高機能エンジニアリングプラスチック素材の代表例	高機能樹脂素材を取り扱うメーカーであり、PBI素材は取り扱い範囲や地域により確認が必要である。
Quadrant系ブランド	高機能樹脂素材の代表例	現在は事業再編によりブランドや販売会社名が変わる場合があるため、最新の供給元確認が必要である。