stringtranslate.com

Полиимид

Общая химическая структура полиимида

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]

История

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]

Классификация

По составу основной цепи полиимиды могут быть:

По типу взаимодействия между основными цепями полиимиды могут быть:

Синтез

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]

Анализ

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] .

Характеристики

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.

Приложения

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

Изоляционные и пассивационные пленки

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.

Структура полиоксидифениленпиромеллитимида «Каптон».

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.

Механические части

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.

Фильтры

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]

Гибкие схемы

Полиимид используется в качестве сердцевины гибких печатных плат и плоских гибких кабелей. Гибкие платы тонкие и могут быть размещены в электронике необычной формы. [23]

Другой

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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Райт, Уолтер В. и Халлден-Аббертон, Майкл (2002) «Полиимиды» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Вайнхайм. дои : 10.1002/14356007.a21_253
  2. ^ Богерт, Марстон Тейлор; Реншоу, Ремер Рекс (1 июля 1908 г.). «4-амино-0-фталевая кислота и некоторые ее производные.1». Журнал Американского химического общества . 30 (7): 1135–1144. дои : 10.1021/ja01949a012. hdl : 2027/mdp.39015067267875 . ISSN  0002-7863.
  3. ^ США 2710853, Эдвардс, WM; Робинсон И.М. «Полиимиды пиромеллитовой кислоты» 
  4. ^ Палмер, Роберт Дж.; Обновлено сотрудниками (27 января 2005 г.), «Полиамиды, пластмассы», в John Wiley & Sons, Inc. (ред.), Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера , Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., стр. 1612011916011213.a01.pub2, doi : 10.1002/0471238961.1612011916011213.a01.pub2, ISBN 978-0-471-23896-6, получено 2 декабря 2020 г.
  5. ^ Полиимиды: основы и применение. Гош, Малай К., Миттал, К.Л., 1945-. Нью-Йорк: Марсель Деккер. 1996. ISBN 0-8247-9466-4. ОСЛК  34745932.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  6. ^ Полиимиды. Уилсон, Д. (Дуг), Стенценбергер, Х.Д. (Хорст Д.), Хергенротер, ПМ (Пол М.). Глазго: Блэки. 1990. ISBN 0-412-02181-1. ОКЛК  19886566.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  7. ^ Сруг, CE (август 1991 г.). «Полиимиды». Прогресс в науке о полимерах . 16 (4): 561–694. дои : 10.1016/0079-6700(91)90010-I.
  8. ↑ Хергенротер, Пол М. (27 июля 2016 г.). «Использование, конструкция, синтез и свойства высокоэффективных/высокотемпературных полимеров: обзор». Высокоэффективные полимеры . 15 :3–45. дои : 10.1177/095400830301500101. S2CID  93989040.
  9. ^ Лиау, Дер-Джанг; Ван, Кунг-Ли; Хуан, Ин-Чи; Ли, Куэйр-Рарн; Лай, Цзюнь-Йи; Ха, Чанг-Сик (2012). «Передовые полиимидные материалы: синтез, физические свойства и применение». Прогресс в науке о полимерах . 37 (7): 907–974. doi :10.1016/j.progpolymsci.2012.02.005.
  10. ^ К. Фагихи, J. Appl. Полим. наук, 2006, 102, 5062–5071. Ю. Кунг и С. Сяо, Дж. Матер. хим., 2011, 1746–1754. Л. Бураковски, М. Леали и М. Анджело, Матер. Рез., 2010, 13, 245–252.
  11. ^ Като, Томофуми; Ямада, Ясухиро; Нисикава, Ясуси; Исикава, Хироки; Сато, Сатоши (30 июня 2021 г.). «Механизмы карбонизации полиимида: методология анализа углеродных материалов с помощью азота, кислорода, пятиугольников и семиугольников». Карбон . 178 : 58–80. doi : 10.1016/j.carbon.2021.02.090. ISSN  0008-6223. S2CID  233539984.
  12. ^ Като, Томофуми; Ямада, Ясухиро; Нисикава, Ясуси; Исикава, Хироки; Сато, Сатоши (30 июня 2021 г.). «Механизмы карбонизации полиимида: методология анализа углеродных материалов с помощью азота, кислорода, пятиугольников и семиугольников». Карбон . 178 : 58–80. doi : 10.1016/j.carbon.2021.02.090. ISSN  0008-6223. S2CID  233539984.
  13. ^ Като, Томофуми; Ямада, Ясухиро; Нисикава, Ясуси; Отомо, Тошия; Сато, Хаято; Сато, Сатоши (1 октября 2021 г.). «Происхождение пиков графитового и пиррольного азота в рентгеновских фотоэлектронных спектрах N1s углеродных материалов: четвертичный азот, третичный амин или вторичный амин?». Журнал материаловедения . 56 (28): 15798–15811. Бибкод : 2021JMatS..5615798K. дои : 10.1007/s10853-021-06283-5 . ISSN  1573-4803. S2CID  235793266.
  14. ^ Технический паспорт P2SI 900HT. proresearchacd.com
  15. ^ Хуан, Лей; Дайер, Роберт С.; Лаго, Ральф Дж.; Столов Андрей А.; Ли, Цзе (2016). «Механические свойства оптических волокон с полиимидным покрытием при повышенных температурах». В Ганноте, Израиль (ред.). Оптические волокна и датчики для медицинской диагностики и лечения XVI . Том. 9702. стр. 97020Y. дои : 10.1117/12.2210957. S2CID  123400822.
  16. ^ Цзян, Цзян-Шань; Чиу, Би-Шиу ​​(2001). «Влияние полиимидной пассивации на электромиграцию многослойных соединений Cu». Журнал материаловедения: Материалы в электронике . 12 (11): 655–659. дои : 10.1023/А: 1012802117916. S2CID  136747058.
  17. ^ Кракауэр, Дэвид (декабрь 2006 г.) Цифровая изоляция предлагает компактные и недорогие решения сложных проблем проектирования. аналог.com
  18. ^ Чен, Баосин. Продукты iCoupler с технологией isoPower: передача сигнала и мощности через изолирующий барьер с использованием микротрансформаторов. аналог.com
  19. ^ «Apple внедрит технологию быстрых печатных плат LCP в основных линейках продуктов в 2018 году» .
  20. ^ «Обзор термоконтроля» (PDF) . Многослойная изоляция Шелдала . Проверено 28 декабря 2015 г.
  21. ^ Что такое умягчитель воды обратного осмоса? Wisegeek.net
  22. ^ Шуи, Гарри Ф. и Ван, Ванкей (22 декабря 1983 г.) Патент США 4,532,041 Асимметричная полиимидная мембрана обратного осмоса, способ ее приготовления и ее использование для разделения органических жидкостей.
  23. ^ MCL (13 июня 2017 г.). «В чем разница между FR4 и полиамидной печатной платой». мкл . Проверено 4 сентября 2023 г.
  24. ↑ Кортленд, Рэйчел (10 мая 2010 г.). «Первое путешествие в космос». Новый учёный . Проверено 11 июня 2010 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки