Полиимид (иногда сокращенно ПИ ) — полимер , содержащий имидные группы, относящийся к классу высокоэффективных пластиков . Благодаря своей высокой термостойкости полиимиды находят разнообразное применение в сферах, требующих прочных органических материалов, таких как высокотемпературные топливные элементы , дисплеи и различные военные функции. Классический полиимид — каптон , который получают конденсацией пиромеллитового диангидрида и 4,4’-оксидианилина . [1]
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/диэфира. [3]
Однако первый полиимид, имеющий важное коммерческое значение, - каптон - был впервые изобретен в 1950-х годах сотрудниками компании Dupont, которые разработали успешный путь синтеза высокомолекулярного полиимида с использованием растворимого полимерного предшественника. До сегодняшнего дня этот маршрут продолжает оставаться основным для производства большинства полиимидов. Полиимиды находятся в массовом производстве с 1955 года. Область полиимидов освещена различными обширными книгами [4] [5] [6] и обзорными статьями. [7] [8]
По составу основной цепи полиимиды могут быть:
По типу взаимодействия между основными цепями полиимиды могут быть:
Возможны несколько методов получения полиимидов, среди них:
Полимеризацию диамина и диангидрида можно проводить двухстадийным способом, при котором сначала получают полиамидокарбоновую кислоту, или непосредственно одностадийным способом. Двухстадийный метод является наиболее широко используемым методом синтеза полиимидов. Сначала получают растворимую поли(амидокарбоновую кислоту) ( 2 ), которую после дальнейшей обработки на второй стадии циклизуют до полиимида ( 3 ). Двухэтапный процесс необходим, поскольку конечные полиимиды в большинстве случаев являются неплавкими и нерастворимыми из-за своей ароматической структуры.
Диангидриды, используемые в качестве предшественников этих материалов, включают пиромеллитовый диангидрид, диангидрид бензохинонтетракарбоновой кислоты и диангидрид нафталинтетракарбоновой кислоты . Обычные строительные блоки диамина включают 4,4'-диаминодифениловый эфир (DAPE), метафенилендиамин (MDA) и 3,3'-диаминодифенилметан. [1] Сотни диаминов и диангидридов были исследованы для настройки физических и особенно технологических свойств этих материалов. Эти материалы имеют тенденцию быть нерастворимыми и иметь высокие температуры размягчения, возникающие в результате взаимодействий с переносом заряда между плоскими субъединицами. [9]
За реакцией имидизации можно следить с помощью ИК-спектроскопии . ИК-спектр характеризуется в ходе реакции исчезновением полос поглощения полиамидокислоты при 3400-2700 см -1 (вытяжка ОН), ~1720 и 1660 (амид С=О) и ~1535 см- 1 ( CN растяжение). В то же время можно наблюдать появление характерных имидных полос при ~1780 (асиммия C=O), ~1720 (симма C=O), ~1360 (растяжение CN), а также ~1160 и 745 см- 1 ( деформация имидного кольца). [10] Сообщалось о подробном анализе полиимида [11] , карбонизированного полиимида [12] и графитированного полиимида [13] .
Термореактивные полиимиды известны своей термической стабильностью, хорошей химической стойкостью, отличными механическими свойствами и характерным оранжево-желтым цветом. Полиимиды, усиленные графитом или стекловолокном, имеют прочность на изгиб до 340 МПа (49 000 фунтов на квадратный дюйм) и модуль упругости при изгибе 21 000 МПа (3 000 000 фунтов на квадратный дюйм). Полиимиды с термореактивной полимерной матрицей обладают очень низкой ползучестью и высокой прочностью на разрыв . Эти свойства сохраняются при непрерывном использовании при температуре до 232 °C (450 °F), а при кратковременных отклонениях — до 704 °C (1299 °F). [14] Литые полиимидные детали и ламинаты обладают очень хорошей термостойкостью. Обычные рабочие температуры таких деталей и ламинатов варьируются от криогенных до температур, превышающих 260 °C (500 °F). Полиимиды также по своей природе устойчивы к горению, и их обычно не нужно смешивать с антипиренами . Большинство из них имеют рейтинг UL VTM-0. Полиимидные ламинаты имеют период полураспада прочности на изгиб при 249 ° C (480 ° F), составляющий 400 часов.
Типичные полиимидные детали не подвергаются воздействию широко используемых растворителей и масел, включая углеводороды, сложные и 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 использовать их для распыления и отверждения при низких температурах.
Полиимидные материалы легкие, гибкие, устойчивы к нагреванию и химическим веществам. Поэтому они используются в электронной промышленности для изготовления гибких кабелей и в качестве изоляционной пленки на магнитных проводах . Например, в портативном компьютере кабель, соединяющий основную материнскую плату с дисплеем (который должен сгибаться 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.
Полиимид используется для покрытия оптических волокон медицинского назначения или при высоких температурах. [15]
Дополнительное использование полиимидной смолы — в качестве изолирующего и пассивирующего слоя [16] при производстве интегральных схем и микросхем MEMS . Полиимидные слои имеют хорошее механическое удлинение и прочность на разрыв, что также способствует адгезии между полиимидными слоями или между полиимидным слоем и слоем наплавленного металла. Минимальное взаимодействие между золотой пленкой и полиимидной пленкой в сочетании с высокой температурной стабильностью полиимидной пленки позволяет получить систему, обеспечивающую надежную изоляцию при воздействии различных видов воздействия окружающей среды. [17] [18] Полиимид также используется в качестве подложки для антенн мобильных телефонов. [19]
Многослойная изоляция, используемая на космических кораблях , обычно изготавливается из полиимида, покрытого тонкими слоями алюминия , серебра, золота или германия. Материал золотого цвета, который часто можно увидеть снаружи космических кораблей, обычно представляет собой одиночный алюминизированный полиимид с одним слоем алюминия, обращенным внутрь. [20] Желтовато-коричневый полиимид придает поверхности золотистый цвет.
Полиимидный порошок может быть использован для изготовления деталей и форм технологиями спекания (горячее прессование, прямая формовка, изостатическое прессование). Благодаря своей высокой механической стабильности даже при повышенных температурах они используются в качестве втулок, подшипников, муфт или конструктивных деталей в сложных условиях эксплуатации. Для улучшения трибологических свойств распространены соединения с твердыми смазками, такими как графит , ПТФЭ или сульфид молибдена . Полиимидные детали и формы включают P84 NT, VTEC PI, Meldin, Vespel и Plavis.
На угольных электростанциях, мусоросжигательных заводах или цементных заводах полиимидные волокна используются для фильтрации горячих газов. В этом случае полиимидный игольчатый войлок отделяет пыль и твердые частицы от выхлопных газов .
Полиимид также является наиболее распространенным материалом, используемым для изготовления обратноосмотической пленки при очистке воды или концентрировании разбавленных материалов из воды, например, при производстве кленового сиропа. [21] [22]
Полиимид используется в качестве сердцевины гибких печатных плат и плоских гибких кабелей. Гибкие платы тонкие и могут быть размещены в электронике необычной формы. [23]
Полиимид используется для изготовления медицинских трубок, например сосудистых катетеров , из-за его устойчивости к разрывному давлению в сочетании с гибкостью и химической стойкостью.
Полупроводниковая промышленность использует полиимид в качестве высокотемпературного клея ; он также используется в качестве буфера механического напряжения.
Некоторые полиимиды можно использовать в качестве фоторезиста ; На рынке существуют как «положительные», так и «отрицательные» типы фоторезистоподобного полиимида.
В солнечном парусном корабле IKAROS используются паруса из полиимидной смолы, позволяющие работать без ракетных двигателей. [24]
{{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка )