Введение

Класс полимеров

Полиимид (иногда сокращенно PI) — полимер, содержащий имидные группы и относящийся к классу высокоэффективных пластмасс. Благодаря высокой термостойкости полиимиды находят широкое применение в областях, требующих надежных органических материалов, таких как высокотемпературные топливные элементы, дисплеи и различные военные применения. Классическим полиимидом является Каптон, который получают путем поликонденсации пиромеллитового диангидрида и 4,4'-оксидианилина.

История

Первый полиимид был обнаружен в 1908 году Богартом и Реншоу. 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 расплавного поликонденсации диаминов и тетракислот или диаминов и диакислот/диэстеров. Однако первый полиимид, имеющий значительную коммерческую ценность – Каптон – был разработан в 1950-х годах сотрудниками компании Dupont, которые разработали эффективный метод синтеза полиимида с высокой молекулярной массой, включающий использование растворимого полимерного предшественника. Этот метод до сих пор остается основным способом производства большинства полиимидов. Полиимиды производятся в промышленных масштабах с 1955 года. Существует множество обширных книг и обзорных статей, посвященных области полиимидов.

Анализ

Реакцию имидизации можно проследить с помощью ИК-спектроскопии. В ходе реакции ИК-спектр характеризуется исчезновением полос поглощения поли(амидной кислоты) в диапазоне 3400–2700 см−1 (растяжение OH), ~1720 и 1660 (амидная C=O) и ~1535 см−1 (растяжение C–N). Одновременно с этим наблюдается появление характерных полос имида при ~1780 (асимметричное C=O), ~1720 (симметричное C=O), ~1360 (растяжение C–N) и ~1160 и 745 см−1 (деформации имидного кольца). Подробные исследования полиимидов, углеродных полиимидов и графитированных полиимидов были опубликованы.

Свойства

Термореактивные полиимиды известны своей теплостойкостью, хорошей химической стойкостью, отличными механическими свойствами и характерным оранжево-желтым цветом. Полиимиды, армированные графитом или стекловолокном, имеют прочность на изгиб до [значение] и модули на изгиб [значение]. Термореактивная полимерная матрица полиимидов демонстрирует очень низкую склонность к ползучести и высокую прочность на растяжение. Эти свойства сохраняются при непрерывной эксплуатации при температурах до 232 °C (450 °F) и при кратковременном воздействии – до 704 °C (1299 °F). Формованные детали и ламинаты из полиимида обладают очень хорошей теплостойкостью. Нормальные рабочие температуры для таких деталей и ламинатов варьируются от криогенных до температур, превышающих 260 °C (500 °F). Полиимиды также обладают естественной устойчивостью к воспламенению и обычно не требуют добавления антипиренов. Большинство из них имеют рейтинг UL VTM 0. Полиимидные ламинаты имеют период полураспада прочности на изгиб при 249 °C (480 °F) равный 400 часам. Типичные детали из полиимида 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 делают их пригодными для нанесения распылением и отверждения при низких температурах.

Изоляционные и пассивирующие пленки

Полиимидные материалы легкие, гибкие и устойчивы к воздействию тепла и химических веществ. Поэтому они используются в электронной промышленности для производства гибких кабелей и в качестве изоляционной пленки для магнитной проволоки. Например, в ноутбуке кабель, соединяющий основную логическую плату с дисплеем (который должен изгибаться при каждом открытии или закрытии ноутбука), часто имеет полиимидную основу с медными проводниками. Примеры полиимидных пленок включают Apical, Kapton, UPILEX, VTEC PI, Norton TH и Kaptrex. Полиимид применяется для покрытия оптических волокон в медицинских целях и при высоких температурах. Еще одно применение полиимидной смолы – в качестве изоляционного и пассивирующего слоя при производстве интегральных схем и микроэлектромеханических систем (MEMS). Полиимидные слои обладают хорошей механической элонгацией и прочностью на разрыв, что также улучшает адгезию между полиимидными слоями или между полиимидным слоем и нанесенным металлическим слоем. Минимальное взаимодействие между золотой пленкой и полиимидной пленкой, в сочетании с высокой термостойкостью полиимидной пленки, обеспечивает надежную изоляцию при различных видах внешних воздействий. Полиимид также используется в качестве подложки для антенн мобильных телефонов. Многослойная теплоизоляция, применяемая на космических аппаратах, обычно изготавливается из полиимида, покрытого тонкими слоями алюминия, серебра, золота или германия. Золотистый цвет, часто видимый на внешней стороне космических аппаратов, как правило, представляет собой полиимид, покрытый одним слоем алюминия, обращенным внутрь. Желтовато-коричневый полиимид придает поверхности золотистый оттенок.

Механические части

Полиимидный порошок может использоваться для изготовления деталей и форм методами спекания (горячее прессование, прямое формование и изостатическое прессование). Благодаря высокой механической прочности даже при повышенных температурах, он применяется для изготовления втулок, подшипников, гнезд или конструктивных элементов в ответственных областях. Для улучшения трибологических свойств часто используются композиции с твердыми смазочными материалами, такими как графит, PTFE или сульфид молибдена. К изделиям и формам из полиимида относятся P84 NT, VTEC PI, Meldin, Vespel и Plavis.

Фильтры

В угольных электростанциях, мусоросжигательных заводах или цементных заводах полиимидные волокна используются для фильтрации горячих газов. В этом применении полиимидный войлок из иглопробивного полотна отделяет пыль и твердые частицы от отходящих газов. Полиимид также является наиболее распространенным материалом, используемым для мембран обратного осмоса при очистке воды или концентрации разбавленных веществ из воды, например, при производстве кленового сиропа.

Гибкие схемы

Полиимид используется в качестве основы гибких печатных плат и плоских гибких кабелей. Гибкие печатные платы тонкие и могут быть размещены в электронных устройствах сложной формы.

Другое

Полиимид используется для изготовления медицинских трубок, например, сосудистых катетеров, благодаря устойчивости к разрывному давлению в сочетании с гибкостью и химической стойкостью. В полупроводниковой промышленности полиимид применяется как высокотемпературный клей, а также в качестве буфера механических напряжений. Некоторые виды полиимида могут использоваться как фоторезист, и на рынке представлены как "позитивные", так и "негативные" типы фоторезистов на основе полиимида. Космический аппарат "ИКАРОС" с солнечным парусом использует паруса из полиимидной смолы для движения без использования ракетных двигателей.