Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Общая химическая структура полиимида

Полиимида (иногда сокращенно ПИ ) представляет собой полимер из имида мономеров , принадлежащих к классу высокой производительности пластмасс . Обладая высокой термостойкостью, полиимиды находят широкое применение в работе с прочными органическими материалами, например, в высокотемпературных топливных элементах , дисплеях и на различных военных объектах. Классическим полиимидом является каптон , который получают конденсацией пиромеллитового диангидрида и 4,4'-оксидианилина . [1]

История [ править ]

Первый полиимид был открыт в 1908 году Богартом и Реншоу. [2] Они обнаружили, что 4-аминофталевый ангидрид не плавится при нагревании, но выделяет воду при образовании высокомолекулярного полиимида. Первый полуалифатический полиимид был получен Эдвардом и Робинсоном путем плавления диаминов и тетракислот или диаминов и двухосновных кислот / сложного диэфира. [3]

Однако первый полиимид, имеющий важное коммерческое значение, - каптон - был впервые изобретен в 1950-х годах сотрудниками Dupont, которые разработали успешный способ синтеза высокомолекулярного полиимида с участием предшественника растворимого полимера. До сих пор этот путь продолжает оставаться основным путем производства большинства полиимидов. Полиимиды производятся массово с 1955 года. Области полиимидов освещены в различных обширных книгах [4] [5] [6] и обзорных статьях. [7] [8]

Классификация [ править ]

По составу основной цепи полиимиды могут быть:

По типу взаимодействия между основными цепями полиимиды могут быть:

  • Термопластик : очень часто называется псевдотермопластом .
  • Термореактивная обработка : имеется в продаже в виде неотвержденных смол, растворов полиимида, заготовок, тонких листов, ламинатов и обработанных деталей.

Синтез [ править ]

Возможны несколько методов получения полиимидов, среди них:

Полимеризация диамина и диангидрида может быть проведена двухстадийным способом, в котором сначала получают полиамидную кислоту, или непосредственно одностадийным способом. Двухэтапный метод - наиболее широко используемый метод синтеза полиимида. Сначала получают растворимую полиаминовую кислоту, которую после дальнейшей обработки на второй стадии подвергают циклизации до полиимида. Двухэтапный процесс необходим, потому что конечные полиимиды в большинстве случаев являются неплавкими и нерастворимыми из-за их ароматической структуры.

Образование полиимида (схема) V1.png

Диангидриды, используемые в качестве предшественников этих материалов, включают пиромеллитовый диангидрид , диангидрид бензохинонетракарбоновой кислоты и диангидрид тетракарбоновой кислоты нафталина . Обычные строительные блоки диамина включают 4,4'-диаминодифениловый эфир («DAPE»), мета-фенилендиамин («MDA») и 3,3-диаминодифенилметан. [1] Сотни диаминов и диангидридов были исследованы, чтобы настроить физические и особенно технологические свойства этих материалов. Эти материалы, как правило, нерастворимы и имеют высокие температуры размягчения, возникающие из-за взаимодействий с переносом заряда между плоскими субъединицами. [9]

Анализ [ править ]

За реакцией имидизации можно следить с помощью ИК-спектроскопии . ИК-спектр во время реакции характеризуется исчезновением полос поглощения полиаминовой кислоты при 3400-2700 см -1 (ОН валент), ~ 1720 и 1660 (амид C = O) и ~ 1535 см -1 ( CN растяжка). В то же время можно наблюдать появление характерных имидных полос при ~ 1780 (C = O asymm), ~ 1720 (C = O symm), ~ 1360 (растяжение CN) и ~ 1160 и 745 см -1 ( деформация имидного кольца). [10] ⁠

Свойства [ править ]

Термореактивные полиимиды известны своей термической стабильностью, хорошей химической стойкостью, превосходными механическими свойствами и характерным оранжевым / желтым цветом. Полиимиды, компаундированные с графитом или армированными стекловолокном, имеют прочность на изгиб до 340 МПа (49000 фунтов на квадратный дюйм) и модуль изгиба 21000 МПа (3000000 фунтов на кв. Полиимиды с термореактивной полимерной матрицей демонстрируют очень низкую ползучесть и высокую прочность на разрыв . Эти свойства сохраняются при непрерывном использовании при температуре до 232 ° C (450 ° F) и при коротких поездках до 704 ° C (1299 ° F). [11]Формованные полиимидные детали и ламинаты обладают очень хорошей термостойкостью. Нормальные рабочие температуры для таких деталей и ламинатов варьируются от криогенных до температур, превышающих 260 ° C (500 ° F). Полиимиды также по своей природе устойчивы к горению пламенем, и их обычно не нужно смешивать с антипиренами . Большинство из них имеют рейтинг UL VTM-0. Полиимидные ламинаты имеют период полураспада 400 часов при 249 ° C (480 ° F).

Типичные полиимидные детали не подвержены воздействию обычно используемых растворителей и масел, включая углеводороды, сложные эфиры, простые эфиры, спирты и фреоны . Они также устойчивы к слабым кислотам, но не рекомендуются для использования в средах, содержащих щелочи или неорганические кислоты. Некоторые полиимиды, такие как CP1 и CORIN XLS, растворимы в растворителях и обладают высокой оптической прозрачностью. Свойства растворимости позволяют применять их при распылении и отверждении при низких температурах.

Приложения [ править ]

Теплопроводящие прокладки из каптоновой фольги толщиной прибл. 0,05 мм
Рулон каптоновой клейкой ленты

Изоляционные и пассивирующие пленки [ править ]

Полиимидные материалы легкие, гибкие, устойчивые к воздействию тепла и химикатов. Поэтому они используются в электронной промышленности для изготовления гибких кабелей и в качестве изоляционной пленки на магнитном проводе . Например, в портативном компьютере кабель, соединяющий основную логическую плату с дисплеем (который должен изгибаться каждый раз, когда ноутбук открывается или закрывается), часто представляет собой полиимидную основу с медными проводниками. Примеры полиимидных пленок включают Apical, Kapton , UPILEX , VTEC PI, Norton TH и Kaptrex .

Строение поли-оксидифенилен-пиромеллитимида, «Каптон».

Полиимид используется для покрытия оптических волокон для медицинских или высокотемпературных применений. [12]

Дополнительное использование полиимидной смолы в качестве изолирующего и пассивирующего [13] слоя при производстве интегральных схем и микросхем MEMS . Слои полиимида обладают хорошим механическим удлинением и прочностью на разрыв, что также способствует адгезии между слоями полиимида или между слоем полиимида и осажденным металлическим слоем. Минимальное взаимодействие между золотой пленкой и полиимидной пленкой в ​​сочетании с высокой температурной стабильностью полиимидной пленки приводит к созданию системы, которая обеспечивает надежную изоляцию при воздействии различных типов внешних воздействий. [14] [15] Полиимид также используется в качестве подложки для антенн мобильных телефонов. [16]

Многослойная изоляция, используемая на космических кораблях , обычно изготавливается из полиимида, покрытого тонкими слоями алюминия , серебра, золота или германия. Материал золотистого цвета, который часто можно увидеть на внешней стороне космического корабля, обычно представляет собой одинарный алюминизированный полиимид с однослойным алюминиевым покрытием внутри. [17] Желтовато-коричневый полиимид придает поверхности золотистый цвет.

Механические части [ править ]

Порошок полиимида можно использовать для изготовления деталей и форм с помощью технологий спекания ( горячее прессование , прямое формование и изостатическое прессование ). Из-за их высокой механической стабильности даже при повышенных температурах они используются в качестве втулок, подшипников, муфт или конструктивных элементов в сложных условиях. Для улучшения трибологических свойств часто используются соединения с твердыми смазочными материалами, такими как графит , ПТФЭ или сульфид молибдена . Полиимидные детали и формы включают P84 NT, VTEC PI, Meldin, Vespel и Plavis .

Фильтры [ править ]

На угольных электростанциях, мусоросжигательных установках или цементных заводах полиимидные волокна используются для фильтрации горячих газов. В этом случае игольчатый войлок из полиимида отделяет пыль и твердые частицы от выхлопных газов .

Полиимид также является наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления обратноосмотической пленки при очистке воды или концентрации разбавленных материалов из воды, например, при производстве кленового сиропа. [18] [19]

Другое [ править ]

Полиимид используется для изготовления медицинских трубок, например сосудистых катетеров , из-за его устойчивости к разрывному давлению в сочетании с гибкостью и химической стойкостью.

В полупроводниковой промышленности полиимид используется в качестве высокотемпературного клея ; он также используется в качестве буфера механических напряжений.

Некоторый полиимид можно использовать как фоторезист ; На рынке существуют как «положительные», так и «отрицательные» типы фоторезистоподобного полиимида.

В космическом корабле IKAROS на солнечной энергии используются паруса из полиимидной смолы для работы без ракетных двигателей. [20]

См. Также [ править ]

  • Полиамид
  • Полиамид-имид
  • Полимеризация

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Райт, Уолтер В. и Халлден-Аббертон, Майкл (2002) «Полиимиды» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a21_253
  2. ^ Богерт, Марстон Тейлор; Реншоу, Ремер Рекс (1 июля 1908 г.). «4-Амино-0-фталевая кислота и некоторые из ее производных.1» . Журнал Американского химического общества . 30 (7): 1135–1144. DOI : 10.1021 / ja01949a012 . hdl : 2027 / mdp.39015067267875 . ISSN  0002-7863 .
  3. ^ US 2710853 , Эдвардс, ВМ; Робинсон И.М. «Полиимиды пиромеллитовой кислоты». 
  4. ^ Палмер, Роберт Дж .; Обновлено Staff (27 января 2005 г.), «Полиамиды, пластмассы» , в John Wiley & Sons, Inc. (ed.), Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology , Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., . С. 1612011916011213.a01.pub2, DOI : 10.1002 / 0471238961.1612011916011213.a01.pub2 , ISBN 978-0-471-23896-6, дата обращения 2 декабря 2020
  5. ^ Полиимиды: основы и приложения . Гош, Малай К., Миттал, К.Л., 1945-. Нью-Йорк: Марсель Деккер. 1996. ISBN 0-8247-9466-4. OCLC  34745932 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  6. ^ Полиимиды . Уилсон, Д. (Дуг), Стенценбергер, HD (Хорст Д.), Хергенротер, П.М. (Пол М.). Глазго: Блэки. 1990. ISBN. 0-412-02181-1. OCLC  19886566 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  7. ^ Sroog, CE (август 1991). «Полиимиды» . Прогресс в науке о полимерах . 16 (4): 561–694. DOI : 10.1016 / 0079-6700 (91) 90010-I .
  8. ^ Hergenrother, Paul M. (27 июля 2016). «Использование, дизайн, синтез и свойства высокоэффективных / высокотемпературных полимеров: обзор» . Полимеры с высокими эксплуатационными характеристиками . 15 : 3–45. DOI : 10.1177 / 095400830301500101 . S2CID 93989040 . 
  9. ^ Liaw, Der-Jang; Ван, Кунг-Ли; Хуан, Инь-Чи; Ли, Куэйр-Рарн; Лай, Цзюнь-Йих; Ха, Чанг-Сик (2012). «Современные полиимидные материалы: синтезы, физические свойства и применение». Прогресс в науке о полимерах . 37 (7): 907–974. DOI : 10.1016 / j.progpolymsci.2012.02.005 .
  10. ^ K. Faghihi, J. Appl. Polym. Наук, 2006, 102, 5062–5071. Y. Kung, S. Hsiao, J. Mater. Chem., 2011, 1746–1754. L. Burakowski, M. Leali и M. Angelo, Mater. Рес., 2010, 13, 245–252.
  11. ^ P2SI 900HT Технический лист . proofresearchacd.com
  12. ^ Хуанг, Лэй; Дайер, Роберт С .; Лаго, Ральф Дж .; Столов, Андрей А .; Ли, Цзе (2016). «Механические свойства оптических волокон с полиимидным покрытием при повышенных температурах». В Ганно, Израиль (ред.). Оптические волокна и датчики для медицинской диагностики и лечения XVI . Оптические волокна и датчики для медицинской диагностики и лечения XVI. 9702 . С. 97020Y. DOI : 10.1117 / 12.2210957 . S2CID 123400822 . 
  13. ^ Цзян, Цзянь-Шань; Чиу, Би-Шиу ​​(2001). «Влияние пассивации полиимида на электромиграцию многослойных соединений Cu». Журнал материаловедения: материалы в электронике . 12 (11): 655–659. DOI : 10,1023 / A: 1012802117916 . S2CID 136747058 . 
  14. ^ Кракауэр, Дэвид (декабрь 2006 г.) Цифровая изоляция предлагает компактные и недорогие решения сложных проблем проектирования . analog.com
  15. ^ Чен, Баосин. Продукты iCoupler с технологией isoPower: передача сигнала и мощности через изолирующий барьер с использованием микротрансформаторов . analog.com
  16. ^ https://appleinsider.com/articles/17/12/02/apple-to-adopt-speedy-lcp-circuit-board-tech-across-major-product-lines-in-2018
  17. ^ «Обзор терморегулирования» (PDF) . Многослойная изоляция Sheldahl . Проверено 28 декабря 2015 .
  18. ^ Что такое устройство для смягчения воды обратным осмосом? wisegeek.net
  19. ^ Shuey, Гарри Ф. и Ван, Wankei (22 декабря 1983) , патент США 4532041 Асимметричный полиимидныммембраной обратного осмоса, способ получения жеиих применению для органических жидких разделений.
  20. ^ Кортленд, Рэйчел (10 мая 2010 г.). «Первый рейс на первый настоящий космический парус» . Новый Ученый . Проверено 11 июня 2010 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Выпуск энциклопедии «Современный пластик середины октября», Полиимид, термореактивный материал, с. 146.
  • Варун Ратта: ПОЛИИМИДЫ: химия и взаимосвязь структура-свойство - обзор литературы (Глава 1).

Внешние ссылки [ править ]

  • База данных свойств материалов , MIT