Полиимид
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
[ редактировать ]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 значительное 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 обзор статей. [7] [8]
Классификация
[ редактировать ]По составу основной цепи полиимиды могут быть:
- Алифатический ,
- Полуароматический (также называемый алифароматическим ),
- Ароматические : это наиболее часто используемые полиимиды из-за их термостабильности .
По типу взаимодействия между основными цепями полиимиды могут быть:
- Термопластик : очень часто называют псевдотермопластиком .
- Термореактивные : коммерчески доступны в виде неотвержденных смол, полиимидных растворов, заготовок, тонких листов, ламинатов и обработанных деталей.
Синтез
[ редактировать ]Возможны несколько методов получения полиимидов, среди них:
- Реакция диангидрида с диамином ( наиболее используемый метод).
- Реакция диангидрида с диизоцианатом .
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 тетракарбоновой кислоты нафталина . 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
[ редактировать ]За реакцией имидизации можно следить с помощью ИК-спектроскопии . ИК-спектр характеризуется в ходе реакции исчезновением полос поглощения полиаминовой кислоты при 3400–2700 см-1. −1 (ОН-растяжение), ~1720 и 1660 (амид C=O) и ~1535 см-1. −1 (CN растягивается). В то же время можно наблюдать появление характерных имидных полос при ~1780 (асимметрия C=O), ~1720 (симметрия C=O), ~1360 (вытяжение CN), ~1160 и 745 см-1. −1 (деформация имидного кольца). [10] Подробный анализ полиимида [11] и карбонизированный полиимид [12] и графитированный полиимид [13] было сообщено.
Характеристики
[ редактировать ]Термореактивные полиимиды известны своей термической стабильностью, хорошей химической стойкостью, отличными механическими свойствами и характерным оранжево-желтым цветом. Полиимиды в сочетании с армирующим 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
[ редактировать ]
Изоляционные и пассивационные пленки
[ редактировать ]Полиимидные материалы легкие, гибкие, устойчивы к нагреванию и химическим веществам. Поэтому они используются в электронной промышленности для изготовления гибких кабелей и в качестве изолирующей 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 в медицине или при высоких температурах. [15]
Дополнительным применением полиимидной смолы является изоляция и пассивация. [16] Уровень в 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 воздействий 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
[ редактировать ]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 соединения с твердыми смазками, такими как графит , ПТФЭ или сульфид молибдена распространены . Полиимидные детали и формы включают P84 NT, VTEC PI, Meldin, Vespel и Plavis.
Фильтры
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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 корабле IKAROS солнечном парусном используются паруса из полиимидной смолы, позволяющие работать без ракетных двигателей. [24]
См. также
[ редактировать ]- Полиамид - макромолекула с повторяющимися звеньями, связанными амидными связями.
- Полиамидимид - класс полимеров.
- Полимеризация - химическая реакция с образованием полимерных цепей.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Райт, Уолтер В. и Халлден-Аббертон, Майкл (2002) «Полиимиды» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a21_253
- ^ 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 .
- ^ США 2710853 , Эдвардс, Вирджиния; Робинсон И.М. «Полиимиды пиромеллитовой кислоты»
- ^ 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.
- ^ 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 ) - ^ Полиимиды . Уилсон, Д. (Дуг), Стенценбергер, Х.Д. (Хорст Д.), Хергенротер, ПМ (Пол М.). Глазго: Блэки. 1990. ISBN 0-412-02181-1 . OCLC 19886566 .
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Сруг, CE (август 1991 г.). «Полиимиды» . Прогресс в науке о полимерах . 16 (4): 561–694. дои : 10.1016/0079-6700(91)90010-I .
- ^ 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 .
- ^ Лиау, Дер-Джанг; Ван, Кунг-Ли; Хуан, Ин-Чи; Ли, Куэйр-Рарн; Лай, Джуин-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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Технический паспорт P2SI 900HT . proresearchacd.com
- ^ 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 .
- ^ Цзян, Цзянь-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/A:1012802117916 . S2CID 136747058 .
- ^ Кракауэр, Дэвид (декабрь 2006 г.) Цифровая изоляция предлагает компактные и недорогие решения сложных проблем проектирования . аналог.com
- ^ Чен, Баосин. Продукты iCoupler с технологией isoPower: передача сигнала и мощности через изолирующий барьер с использованием микротрансформаторов . аналог.com
- ^ «В 2018 году Apple внедрит технологию быстрых печатных плат LCP во все основные линейки продуктов» .
- ^ «Обзор термоконтроля» (PDF) . Многослойная изоляция Шелдала . Проверено 28 декабря 2015 г.
- ^ Что такое умягчитель воды обратного осмоса? Wisegeek.net
- ^ Шуи, Гарри Ф. и Ван, Ванкей (22 декабря 1983 г.) Патент США 4,532,041 Асимметричная полиимидная мембрана обратного осмоса, способ ее изготовления и его использование для разделения органических жидкостей.
- ^ MCL (13 июня 2017 г.). «В чем разница между FR4 и полиамидной печатной платой» . мкл . Проверено 4 сентября 2023 г.
- ^ Кортленд, Рэйчел (10 мая 2010 г.). «Первый полет в космос» . Новый учёный . Проверено 11 июня 2010 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Выпуск энциклопедии «Современный пластик», середина октября, Полиимид, термореактивный, стр. 146.
- Варун Ратта: ПОЛИИМИДЫ: химия и взаимосвязь структура-свойство – обзор литературы (глава 1).
