Полиимид - Polyimide

Общая химическая структура полиимида

Полиимид (иногда сокращенно ЧИСЛО ПИ) это полимер из имид мономеры принадлежащий к классу пластмассы с высокими эксплуатационными характеристиками. Благодаря своей высокой термостойкости полиимиды находят широкое применение в работе с прочными органическими материалами, например высокая температура топливные элементы, дисплеи и различные военные роли. Классический полиимид - это Каптон, который образуется при конденсации пиромеллитовый диангидрид и 4,4'-оксидианилин.[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 / 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 использованием растворимого полимерного предшественника. До сих пор этот путь продолжает оставаться основным путем производства большинства полиимидов. Полиимиды были в массовое производство с 1955 года. Область полиимидов освещена различными обширными книгами.[4][5][6] и обзорные статьи.[7][8]

Классификация

По составу основной цепи полиимиды могут быть:

По типу взаимодействия между основными цепями полиимиды могут быть:

  • Термопластик: очень часто называют псевдотермопластический.
  • Термореактивный: имеется в продаже в виде неотвержденных смол, полиимидных растворов, заготовок, тонких листов, ламинатов и обработанных деталей.

Синтез

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, поскольку 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, бензохинонетракарбоновой диангидрид и диангидрид тетракарбоновой кислоты нафталина. Общие строительные блоки диамина включают: 4,4'-диаминодифениловый эфир ("DAPE"), мета-фенилендиамин («МДА») 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 с переносом заряда между плоскими субъединицами.[9]

Анализ

За реакцией имидизации можно следить через ИК спектроскопия. ИК-спектр во время реакции характеризуется исчезновением полос поглощения полиаминовой кислоты в области от 3400 до 2700 см.−1 (Натяжение ОН), ~ 1720 и 1660 (амид C = O) и ~ 1535 см−1 (Растяжка C-N). В то же время можно наблюдать появление характерных имидных полос при ~ 1780 (C = O asymm), ~ 1720 (C = O symm), ~ 1360 (C-N растяжение) и ~ 1160 и 745 см.−1 (деформация имидного кольца).[10]⁠

Характеристики

Термореактивные полиимиды известны своей термической стабильностью, хорошей химической стойкостью, превосходными механическими свойствами и характерным оранжевым / желтым цветом. Полиимиды в сочетании с графит или же стекловолокно подкрепление прочность на изгиб до 340 МПа (49000 фунтов на кв. дюйм) и модули изгиба 21 000 МПа (3 000 000 фунтов на квадратный дюйм). Термореактивная полимерная матрица полиимиды проявляют очень низкую слизняк и высокий предел прочности. Эти свойства сохраняются при непрерывном использовании до температур до 232 ° C (450 ° F) и при коротких поездках до 704 ° C (1299 ° F).[11] Формованные полиимидные детали и ламинаты обладают очень хорошей термостойкостью. Нормальный рабочие температуры для таких деталей и ламинатов диапазон от криогенных до тех, которые превышают 260 ° C (500 ° F). Полиимиды также по своей природе устойчивы к пламенному горению и обычно не требуют смешивания с антипирены. Большинство несут Рейтинг UL ВТМ-0. Полиимидные ламинаты имеют период полураспада 400 часов при 249 ° C (480 ° F).

Типичные полиимидные детали не подвержены воздействию широко 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

Подушечки теплопроводящие из каптоновой пленки толщиной ок. 0,05 мм
Рулон каптоновой клейкой ленты

Изоляционные и пассивирующие пленки

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 магнитный провод. 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 апикальные, Каптон, УПИЛЕКС, VTEC PI, Norton TH и Каптрекс.

Строение поли-оксидифенилен-пиромеллитимида, «Каптон».

Полиимид используется для покрытия оптические волокна для медицинских или высокотемпературных применений.[12]

Дополнительное использование полиимидной смолы в качестве изоляционного и пассивация[13] слой при изготовлении Интегральные схемы и Микросхемы 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 космический корабль обычно изготавливается из полиимида, покрытого тонкими слоями алюминий, серебро, золото или германий. Материал золотистого цвета, который часто можно увидеть снаружи космического корабля, на самом деле представляет собой одинарный алюминизированный полиимид с одним слоем алюминия, обращенным внутрь.[17] Желтовато-коричневый полиимид придает поверхности золотистый цвет.

Механических частей

Полиимидный порошок можно использовать для изготовления деталей и форм методом 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. Улучшить трибологический свойства, соединения с твердыми смазочными материалами, такими как графит, PTFE, или же сульфид молибдена общие. Полиимидные детали и формы включают P84 NT, VTEC PI, Meldin, Веспель, и Плавис.

Фильтры

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 выхлопной газ.

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]

Другой

Полиимид используется для изготовления медицинских трубок, например сосудистый катетеры, благодаря устойчивости к разрывному давлению в сочетании с гибкостью и химической стойкостью.

В полупроводниковой промышленности полиимид используется в качестве высокотемпературного клей; 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 ИКАРОС солнечный парусный спорт космический корабль использует паруса из полиимидной смолы для работы без ракетных двигателей.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Райт, Уолтер В. и Холлден-Аббертон, Майкл (2002) «Полиимиды» в Энциклопедия промышленной химии Ульмана, Wiley-VCH, Weinheim. 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 ПРОИЗВОДНЫЕ1». Журнал Американского химического общества. 30 (7): 1135–1144. Дои:10.1021 / ja01949a012. ISSN  0002-7863.
  3. ^ США 2710853, Edwards, W. M .; Робинсон И. М. "Полиимиды пиромеллитовой кислоты" 
  4. ^ Палмер, Роберт Дж .; Обновлено Staff (27 января 2005 г.), John Wiley & Sons, Inc. (ed.), «Полиамиды, пластмассы», Энциклопедия химической технологии Кирка-Отмера, Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., стр. 1612011916011213.a01.pub2, Дои:10.1002 / 0471238961.1612011916011213.a01.pub2, ISBN  978-0-471-23896-6, получено 2 декабря 2020
  5. ^ Полиимиды: основы и приложения. Гош, Малай К., Миттал, К. Л., 1945-. Нью-Йорк: Марсель Деккер. 1996 г. ISBN  0-8247-9466-4. OCLC  34745932.CS1 maint: другие (связь)
  6. ^ Полиимиды. Уилсон, Д. (Дуг), Стенценбергер, Х. Д. (Хорст Д.), Хергенротер, П. М. (Пол М.). Глазго: Блэки. 1990 г. ISBN  0-412-02181-1. OCLC  19886566.CS1 maint: другие (связь)
  7. ^ Sroog, C.E. (август 1991 г.). «Полиимиды». Прогресс в науке о полимерах. 16 (4): 561–694. Дои:10.1016 / 0079-6700 (91) 90010-И.
  8. ^ Хергенротер, Пол М. (27 июля 2016 г.). «Использование, конструкция, синтез и свойства высокоэффективных / высокотемпературных полимеров: обзор:». Полимеры с высокими эксплуатационными характеристиками. Дои:10.1177/095400830301500101.
  9. ^ Лиау, Дер-Джанг; 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. Дои: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. ^ Технические характеристики P2SI 900HT. 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. Дои: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. Дои:10.1023 / А: 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. Получено 28 декабря 2015.
  18. ^ Что такое умягчитель воды обратного осмоса? wisegeek.net
  19. ^ Гарри Ф. Шуи и Ван Ванкей (22 декабря 1983 г.) Патент США 4532041 Асимметричная полиимидная мембрана обратного осмоса, способ ее получения и использование для разделения органических жидкостей.
  20. ^ Кортленд, Рэйчел (10 мая 2010 г.). «Первый рейс за первый настоящий космический парус». Новый Ученый. Получено 11 июн 2010.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка