stringtranslate.com

Полиимид

Общая химическая структура полиимида

Полиимид (иногда сокращенно ПИ ) — это полимер, содержащий имидные группы, принадлежащий к классу высокопроизводительных пластиков . Благодаря своей высокой термостойкости полиимиды находят разнообразное применение в областях, требующих прочных органических материалов, таких как высокотемпературные топливные элементы , дисплеи и различные военные области. Классическим полиимидом является каптон , который получают путем конденсации 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 полиимида с высокой молекулярной массой. Первый полуалифатический полиимид был получен Эдвардом и Робинсоном путем сплавления в расплаве диаминов и тетракислот или диаминов и дикислот/диэфиров. [3]

Однако первый полиимид, имеющий важное коммерческое значение — Kapton — был получен в 1950-х годах сотрудниками DuPont, которые разработали успешный путь синтеза полиимида с высокой молекулярной массой, включающего растворимый полимерный прекурсор. До сегодняшнего дня этот путь остается основным путем производства большинства полиимидов. Полиимиды находятся в массовом производстве с 1955 года. Область полиимидов освещена в различных обширных книгах [4] [5] [6] и обзорных статьях. [7] [8]

Классификация

По составу основной цепи полиимиды могут быть:

По типу взаимодействия основных цепей полиимиды могут быть:

Синтез

Возможны несколько методов получения полиимидов, среди них:

Полимеризация диамина и диангидрида может быть осуществлена ​​двухступенчатым методом, в котором сначала готовится полиамидокарбоновая кислота, или непосредственно одноступенчатым методом. Двухступенчатый метод является наиболее широко используемой процедурой для синтеза полиимида. Сначала готовится растворимая полиамидокарбоновая кислота ( 2 ), которая циклизуется после дальнейшей обработки на втором этапе в полиимид ( 3 ). Двухступенчатый процесс необходим, поскольку конечные полиимиды в большинстве случаев неплавкие и нерастворимые из-за своей ароматической структуры.

Диангидриды, используемые в качестве прекурсоров этих материалов, включают пиромеллитовый диангидрид, бензохинонтетракарбоновый диангидрид и нафталинтетракарбоновый диангидрид . Обычные диаминные строительные блоки включают 4,4'-диаминодифениловый эфир (DAPE), мета-фенилендиамин (MDA) и 3,3'-диаминодифенилметан. [1] Сотни диаминов и диангидридов были исследованы для настройки физических и особенно технологических свойств этих материалов. Эти материалы, как правило, нерастворимы и имеют высокие температуры размягчения, возникающие из-за взаимодействий переноса заряда между плоскими субъединицами. [9]

Анализ

Реакцию имидизации можно отслеживать с помощью ИК-спектроскопии . ИК-спектр характеризуется во время реакции исчезновением полос поглощения полиаминовой кислоты при 3400–2700 см −1 (ОН-растяжение), ~1720 и 1660 (амид C=O) и ~1535 см −1 (CN-растяжение). В то же время можно наблюдать появление характерных имидных полос при ~1780 (C=O асимметрия), ~1720 (C=O симметрия), ~1360 (CN-растяжение) и ~1160 и 745 см −1 (деформация имидного кольца). [10] ⁠ Сообщалось о детальном анализе полиимида [11] , карбонизированного полиимида [12] и графитизированного полиимида [13] .

Характеристики

Термореактивные полиимиды известны своей термической стабильностью, хорошей химической стойкостью, превосходными механическими свойствами и характерным оранжево-желтым цветом. Полиимиды, скомпонованные с армированием графитом или стекловолокном , имеют прочность на изгиб до 340 МПа (49 000 фунтов на кв. дюйм) и модуль изгиба 21 000 МПа (3 000 000 фунтов на кв. дюйм). Полиимиды на основе термореактивной полимерной матрицы демонстрируют очень низкую ползучесть и высокую прочность на растяжение . Эти свойства сохраняются при непрерывном использовании при температурах до 232 °C (450 °F) и при кратковременных колебаниях до 704 °C (1 299 °F). [14] 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 в пламени и обычно не требуют смешивания с антипиренами . Большинство из них имеют рейтинг UL VTM-0. Полиимидные ламинаты имеют период полураспада прочности на изгиб при 249 °C (480 °F) 400 часов.

Типичные полиимидные детали не подвержены воздействию широко используемых растворителей и масел, включая углеводороды, сложные эфиры, 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 в распылительных и низкотемпературных отверждающих приложениях.

Приложения

Теплопроводящие прокладки из фольги Kapton толщиной около 0,05 мм
Рулон клейкой ленты Kapton

Изоляционные и пассивирующие пленки

Полиимидные материалы легкие, гибкие, устойчивые к теплу и химикатам. Поэтому они используются в электронной промышленности для гибких кабелей и в качестве изолирующей пленки на магнитном проводе . Например, в ноутбуке кабель, соединяющий главную логическую плату с дисплеем (который должен изгибаться каждый раз, когда ноутбук открывается или закрывается), часто представляет собой полиимидную основу с медными проводниками. Примерами полиимидных пленок являются Apical, Kapton , UPILEX , VTEC PI, Norton TH и Kaptrex.

Структура полиоксидифениленпиромеллитимида «Каптон».

Полиимид используется для покрытия оптических волокон медицинского или высокотемпературного назначения. [15]

Дополнительное использование полиимидной смолы — в качестве изолирующего и пассивирующего [16] слоя при производстве интегральных схем и микросхем MEMS . Полиимидные слои обладают хорошим механическим удлинением и прочностью на разрыв, что также способствует адгезии между полиимидными слоями или между полиимидным слоем 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 стрессов 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 золотистого цвета, часто видимый снаружи космических кораблей, на самом деле, на самом деле представляет собой одинарный алюминизированный полиимид, с одним слоем алюминия, обращенным внутрь. [20] Желтовато-коричневый полиимид придает поверхности золотистый цвет.

Механические части

Полиимидный порошок может использоваться для производства деталей и форм с помощью технологий спекания (горячее компрессионное формование, прямое формование и изостатическое прессование). Благодаря высокой механической стабильности даже при повышенных температурах они используются в качестве втулок, подшипников, гнезд или конструктивных деталей в сложных условиях. Для улучшения трибологических свойств широко используются соединения с твердыми смазками, такими как графит , ПТФЭ или сульфид молибдена . Детали и формы из полиимида 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 применении полиимидный игольчатый войлок отделяет пыль и твердые частицы от выхлопного газа .

Полиимид также является наиболее распространенным материалом, используемым для обратноосмотической пленки при очистке воды или концентрации разбавленных материалов из воды, например, при производстве кленового сиропа. [21] [22]

Гибкие схемы

Полиимид используется в качестве сердцевины гибких плат и плоских гибких кабелей. Гибкие платы тонкие и могут быть размещены в электронных устройствах нестандартной формы. [23]

Другой

Полиимид используется для изготовления медицинских трубок, например, сосудистых катетеров , благодаря своей 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 механического напряжения.

Некоторые полиимиды можно использовать в качестве фоторезиста ; на рынке существуют как «позитивные», так и «негативные» типы фоторезистообразного полиимида.

Солнечный парусный космический корабль IKAROS использует паруса из полиимидной смолы для работы без ракетных двигателей. [24]

Смотрите также

Ссылки

  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. doi :10.1021/ja01949a012. hdl : 2027/mdp.39015067267875 . ISSN  0002-7863.
  3. ^ US 2710853, Эдвардс, В.М.; 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. OCLC  34745932.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  6. ^ Полиимиды. Уилсон, Д. (Дуг), Стенценбергер, Х.Д. (Хорст Д.), Хергенротер, премьер-министр (Пол М.). Глазго: Блэки. 1990. ISBN 0-412-02181-1. OCLC  19886566.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  7. ^ Sroog, CE (август 1991). «Полиимиды». Progress in Polymer Science . 16 (4): 561–694. doi :10.1016/0079-6700(91)90010-I.
  8. ^ Hergenrother, Paul M. (27 июля 2016 г.). «Использование, проектирование, синтез и свойства высокопроизводительных/высокотемпературных полимеров: обзор». Высокопроизводительные полимеры . 15 : 3–45. doi :10.1177/095400830301500101. S2CID  93989040.
  9. ^ Liaw, Der-Jang; Wang, Kung-Li; Huang, Ying-Chi; Lee, Kueir-Rarn; Lai, Juin-Yih; Ha, Chang-Sik (2012). «Усовершенствованные полиимидные материалы: синтез, физические свойства и применение». Progress in Polymer Science . 37 (7): 907–974. doi :10.1016/j.progpolymsci.2012.02.005.
  10. ^ K. Faghihi, J. Appl. Polym. Sci., 2006, 102, 5062–5071. Y. Kung и S. Hsiao, J. Mater. Chem., 2011, 1746–1754. L. Burakowski, M. Leali и M. Angelo, Mater. Res., 2010, 13, 245–252.
  11. ^ Като, Томофуми; Ямада, Ясухиро; Нишикава, Ясуши; Исикава, Хироки; Сато, Сатоши (30 июня 2021 г.). «Механизмы карбонизации полиимида: Методология анализа углеродных материалов с азотом, кислородом, пентагонами и гептагонами». Carbon . 178 : 58–80. doi :10.1016/j.carbon.2021.02.090. ISSN  0008-6223. S2CID  233539984.
  12. ^ Като, Томофуми; Ямада, Ясухиро; Нишикава, Ясуши; Исикава, Хироки; Сато, Сатоши (30 июня 2021 г.). «Механизмы карбонизации полиимида: Методология анализа углеродных материалов с азотом, кислородом, пентагонами и гептагонами». Carbon . 178 : 58–80. doi :10.1016/j.carbon.2021.02.090. ISSN  0008-6223. S2CID  233539984.
  13. ^ Като, Томофуми; Ямада, Ясухиро; Нисикава, Ясуши; 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. Bibcode : 2021JMatS..5615798K. doi : 10.1007/s10853-021-06283-5 . ISSN  1573-4803. S2CID  235793266.
  14. ^ Технический паспорт P2SI 900HT. proofresearchacd.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 Ганнот, Израиль (ред.). Оптические волокна и датчики для медицинской диагностики и лечения XVI . Т. 9702. С. 97020Y. doi :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 для сложных проблем проектирования. analog.com
  18. ^ Чэнь, Баосин. Изделия iCoupler с технологией isoPower: передача сигнала и мощности через изоляционный барьер с использованием микротрансформаторов. analog.com
  19. ^ «Apple применит технологию плат LCP для основных линеек продукции в 2018 году».
  20. ^ "Обзор теплового контроля" (PDF) . Многослойная изоляция Sheldahl . Получено 28 декабря 2015 г. .
  21. ^ Что такое умягчитель воды с обратным осмосом? 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 изготовления и ее использование для разделения органических жидкостей.
  23. ^ MCL (13 июня 2017 г.). «В чем разница между FR4 и полиамидной печатной платой». mcl . Получено 4 сентября 2023 г. .
  24. ↑ Кортленд, Рэйчел (10 мая 2010 г.). «Первый полет первого настоящего космического паруса». The New Scientist . Получено 11 июня 2010 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки