Poliamid - Polyimide

Ogólna struktura chemiczna poliimidu

Poliimid (czasem skrótowo PI ) jest polimerem o imidowych monomerów należących do grupy tworzyw sztucznych o wysokiej wydajności . Dzięki swojej wysokiej odporności na ciepło, poliimidy mają różnorodne zastosowania w rolach wymagających wytrzymałych materiałów organicznych, np. wysokotemperaturowych ogniw paliwowych , wyświetlaczy i różnych ról wojskowych. Klasycznym poliimidem jest Kapton , który jest wytwarzany przez kondensację dibezwodnika piromelitowego i 4,4'-oksydianiliny .

Historia

Pierwszy poliimid został odkryty w 1908 roku przez Bogarta i Renshawa. Odkryli, że bezwodnik 4-aminoftalowy nie topi się po podgrzaniu, ale uwalnia wodę po utworzeniu poliimidu o wysokiej masie cząsteczkowej. Pierwszy semialifatyczny poliimid został wytworzony przez Edwarda i Robinsona przez stopienie diamin i tetrakwasów lub diamin i dikwasów / diestrów.

Jednak pierwszy poliimid o znaczącym znaczeniu komercyjnym – Kapton – został zapoczątkowany w latach pięćdziesiątych przez pracowników firmy Dupont, którzy opracowali udaną drogę syntezy poliimidu o dużej masie cząsteczkowej z udziałem prekursora rozpuszczalnego polimeru. Do dnia dzisiejszego trasa ta jest nadal głównym szlakiem produkcji większości poliimidów. Poliimidy są produkowane masowo od 1955 roku. Dziedzina poliimidów jest omawiana w różnych obszernych książkach i artykułach przeglądowych.

Klasyfikacja

Zgodnie ze składem ich głównego łańcucha poliimidy mogą być:

W zależności od rodzaju interakcji między głównymi łańcuchami poliimidy mogą być:

  • Termoplastyczny : bardzo często nazywany pseudotermoplastycznym .
  • Termoutwardzalne : dostępne w handlu jako żywice nieutwardzone, roztwory poliimidowe, kształtki, cienkie arkusze, laminaty i części obrabiane.

Synteza

Możliwych jest kilka metod przygotowania poliimidów, między innymi:

Polimeryzację diaminy i dibezwodnika można przeprowadzić metodą dwuetapową, w której najpierw wytwarza się poli(amid kwasu) lub bezpośrednio metodą jednoetapową. Metoda dwuetapowa jest najczęściej stosowaną procedurą syntezy poliimidu. Najpierw wytwarza się rozpuszczalny poli(kwas amowy), który po dalszej obróbce w drugim etapie poddaje się cyklizacji do poliimidu. Proces dwuetapowy jest konieczny, ponieważ końcowe poliimidy są w większości przypadków nietopliwe i nierozpuszczalne ze względu na ich aromatyczną strukturę.

Formacja poliimidowa (schemat) V1.png

Dibezwodników, stosowane jako prekursory do tych materiałów obejmują dibezwodnik piromelitowy , benzoquinonetetracarboxylic dibezwodniki i naftalenu tetrakarboksylowego dwubezwodnik . Typowe elementy budulcowe diamin obejmują eter 4,4'-diaminodifenylowy („DAPE”), meta-fenylenodiaminę („MDA”) i 3,3-diaminodifenylometan. Przebadano setki diamin i bezwodników w celu dostrojenia właściwości fizycznych, a zwłaszcza przetwórczych tych materiałów. Materiały te wydają się być nierozpuszczalne i mają wysokie temperatury mięknienia, wynikające z interakcji przeniesienia ładunku między podjednostkami planarnymi.

Analiza

Reakcję imidyzacji można śledzić za pomocą spektroskopii IR . Widmo IR podczas reakcji charakteryzuje się zanikiem pasm absorpcyjnych poli(kwasu amowego) przy 3400 do 2700 cm- 1 (rozciąg OH), ~1720 i 1660 (amid C=O) i ~1535 cm- 1 ( odcinek CN). Jednocześnie można zaobserwować pojawienie się charakterystycznych pasm imidowych, przy ~1780 (asym C=O), ~1720 (sym C=O), ~1360 (rozciąg CN) oraz ~1160 i 745 cm- 1 ( deformacja pierścienia imidowego).⁠

Nieruchomości

Poliimidy termoutwardzalne charakteryzują się stabilnością termiczną, dobrą odpornością chemiczną, doskonałymi właściwościami mechanicznymi oraz charakterystycznym pomarańczowo-żółtym kolorem. Poliimidy połączone ze wzmocnieniami z grafitu lub włókna szklanego mają wytrzymałość na zginanie do 340 MPa (49 000 psi) i moduły zginania 21 000 MPa (3 000 000 psi). Termoutwardzalne poliimidy osnowy polimerowej wykazują bardzo niską wytrzymałość na pełzanie i wysoką wytrzymałość na rozciąganie . Właściwości te są utrzymywane podczas ciągłego użytkowania w temperaturach do 232 °C (450 °F) i podczas krótkich skoków do 704 °C (1299 °F). Formowane części poliimidowe i laminaty mają bardzo dobrą odporność na ciepło. Normalne temperatury robocze takich części i laminatów wahają się od kriogenicznych do przekraczających 260°C (500°F). Poliimidy są również z natury odporne na spalanie płomieniowe i zwykle nie muszą być mieszane ze środkami zmniejszającymi palność . Większość posiada ocenę UL VTM-0. Laminaty poliimidowe mają okres półtrwania wytrzymałości na zginanie w temperaturze 249°C (480°F) wynoszący 400 godzin.

Na typowe części poliimidowe nie mają wpływu powszechnie stosowane rozpuszczalniki i oleje – w tym węglowodory, estry, etery, alkohole i freony . Są również odporne na słabe kwasy, ale nie są zalecane do stosowania w środowiskach zawierających zasady lub kwasy nieorganiczne. Niektóre poliimidy, takie jak CP1 i CORIN XLS, są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach i wykazują wysoką przejrzystość optyczną. Właściwości rozpuszczalności nadają się do aplikacji natryskowych i utwardzania w niskich temperaturach.

Aplikacje

Przekładki termoprzewodzące wykonane z folii Kapton o grubości ok. 0,05 mm
Rolka taśmy klejącej Kapton

Folie izolacyjne i pasywacyjne

Materiały poliamidowe są lekkie, elastyczne, odporne na ciepło i chemikalia. Dlatego są stosowane w przemyśle elektronicznym do elastycznych kabli oraz jako folia izolacyjna na drucie magnetycznym . Na przykład w laptopie kabel łączący główną płytę główną z wyświetlaczem (który musi uginać się za każdym razem, gdy laptop jest otwierany lub zamykany) jest często podstawą z poliamidu z miedzianymi przewodnikami. Przykłady folii poliimidowych obejmują Apical, Kapton , UPILEX , VTEC PI, Norton TH i Kaptrex.

Struktura polioksydifenyleno-piromellitymidu, „Kapton”.

Poliimid jest używany do powlekania światłowodów do zastosowań medycznych lub wysokotemperaturowych.

Dodatkowym zastosowaniem żywicy poliimidowej jest warstwa izolacyjna i pasywacyjna w produkcji układów scalonych i chipów MEMS . Warstwy poliimidowe mają dobre wydłużenie mechaniczne i wytrzymałość na rozciąganie, co również pomaga w adhezji między warstwami poliimidowymi lub między warstwą poliimidową a warstwą osadzonego metalu. Minimalna interakcja pomiędzy folią złotą a folią poliimidową, w połączeniu z wysoką stabilnością temperaturową folii poliimidowej, daje w wyniku system, który zapewnia niezawodną izolację w przypadku narażenia na różnego rodzaju obciążenia środowiskowe. Poliimid jest również używany jako podłoże dla anten telefonii komórkowej.

Wielowarstwowa izolacja stosowana w statkach kosmicznych jest zwykle wykonana z poliimidu pokrytego cienkimi warstwami aluminium , srebra, złota lub germanu. Materiał w kolorze złotym, często widywany na zewnątrz statku kosmicznego, to zazwyczaj pojedynczy aluminiowany poliimid, z pojedynczą warstwą aluminium skierowaną do środka. Żółto-brązowy poliimid nadaje powierzchni złoty kolor.

Części mechaniczne

Proszek poliimidowy może być używany do produkcji części i kształtów za pomocą technologii spiekania (formowanie przez prasowanie na gorąco, formowanie bezpośrednie i prasowanie izostatyczne). Ze względu na wysoką stabilność mechaniczną nawet w podwyższonych temperaturach są one używane jako tuleje, łożyska, gniazda lub części konstrukcyjne w wymagających zastosowaniach. Aby poprawić właściwości trybologiczne , powszechne są związki ze stałymi smarami, takimi jak grafit , PTFE lub siarczek molibdenu . Części i kształty z poliamidu obejmują P84 NT, VTEC PI, Meldin, Vespel i Plavis.

Filtry

W elektrowniach węglowych, spalarniach odpadów lub cementowniach do filtrowania gorących gazów stosuje się włókna poliimidowe. W tym zastosowaniu filc igłowany poliimidowy oddziela kurz i cząstki stałe od spalin .

Poliimid jest również najczęstszym materiałem stosowanym do folii odwróconej osmotycznej w oczyszczaniu wody lub zagęszczaniu rozcieńczonych materiałów z wody, takich jak produkcja syropu klonowego.

Inne

Poliimid jest stosowany w rurkach medycznych, np. cewnikach naczyniowych , ze względu na odporność na ciśnienie rozrywające w połączeniu z elastycznością i odpornością chemiczną.

Przemysł półprzewodników wykorzystuje poliimid jako klej wysokotemperaturowy ; jest również używany jako mechaniczny bufor naprężeń.

Niektóre poliimidy mogą być używane jako fotorezyst ; na rynku istnieją zarówno „pozytywne” jak i „negatywne” typy poliimidu podobnego do fotorezystu.

W Ikaros żaglowych słoneczna zastosowań kosmicznych Polyimide żagle żywicy działać bez silników rakietowych.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki