Polyimid: vrchol polymerní pyramidy!

1. Zavedení polyimidu

Polyimid (PI) je aromatická heterocyklická polymerní sloučenina, jejíž molekulární struktura obsahuje jednotky imidového řetězce. Jedná se o jednu z nejlepších tepelně odolných variant strojírenských plastů. Je široce používán v letectví, leteckém průmyslu, mikroelektronice, nano, tekutém krystalu, laseru a dalších oblastech.

V poslední době všechny země uvedly výzkum, vývoj a využití PI jako jednu z priorit vývoje nových chemických materiálů v 21.století. Polyimid má díky svým vynikajícím vlastnostem v oblasti výkonu a syntézy velké vyhlídky použití, ať už jako konstrukční materiál nebo jako funkční materiál.

Polyimid je známý jako vrcholný materiál pyramidy polymerních materiálů a je také známý jako "expert na řešení problémů", a dokonce někteří lidé v průmyslu věří, že "bez polyimidu by dnes nebyla žádná mikroelektronická technologie.

2. Klasifikace a aplikace polyimidu

Díky svým vynikajícím vlastnostem lze polyimid použít v různých oblastech a také rozdělit do různých typů, včetně inženýrských plastů, vláken, fotocitlivých polyimidů, pěn, nátěrů, lepidel, filmů, aerogelů, kompozitních materiálů atd.

Mezi mnoha polymery je polyimid jediným polymerem, který má širokou škálu aplikací a vykazuje vynikající výkon v každé aplikaci. Níže vás editor seznámí s hlavními použitími různých typů polyimidu.

1. Strojírenské plasty

Polyimidové inženýrské plasty lze rozdělit na termoplasty a termoplasty, které lze rozdělit na polypyromellitický tetrakarboximid (PMMI), polyetherimid (PEI), polyamid-imid (PAI), atd. Má své vlastní použití v různých oblastech.

PMMI má teplotu tepelné deformace 360°C při zatížení 1,8MPa a má vynikající elektrické vlastnosti. Může být použit pro přesné díly za speciálních podmínek, vysokoteplotní samomazací ložiska, těsnící kroužky, oběžná kola dmychadel atd. Může být také použit pro ventilové části v kontaktu s kapalným amoniakem. , části systému zásobování paliva tryskových motorů.

PEI má vynikající mechanické vlastnosti, elektrické izolační vlastnosti, radiační odolnost, odolnost proti vysokým teplotám a opotřebení, dobrou tekutost taveniny a rychlost smrštění formy 0,5% až 0,7%. Může být také kombinován s jinými materiály svařováním a je široce používán v elektronických spotřebičích, letectví, automobilech, zdravotnických zařízeních a dalších průmyslových odvětvích.

Pevnost PAI je nejvyšší mezi současnými nevyztuženými plasty s pevností v tahu 190 MPa, pevností v ohybu 250 MPa a tepelnou deformační teplotou až 274 °C při zatížení 1,8 MPa. PAI má dobrou ablační odolnost a elektromagnetické vlastnosti při vysoké teplotě a vysoké frekvenci a má dobrou adhezi k kovům a jiným materiálům. Používá se především pro ozubení, ložiska a kopírovací separační drápy apod. Může být také použit pro ablaci leteckých materiálů, magneticky propustných materiálů a konstrukčních materiálů.

2. Polyimidové vlákno

Polyimidové vlákno je důležité vysoce výkonné vlákno a jeho vysokoteplotně odolné polyimidové vlákno je jedním z organických syntetických vláken s nejvyšší teplotou v současnosti. Ve srovnání s aramidovými vlákny a polyfenylensulfidovými vlákny jsou tepelné vlastnosti a další aspekty vynikající. Pevnost vysoce výkonného polyimidového vlákna je asi 1-krát vyšší než pevnost aramidového vlákna a je jedním z organických syntetických vláken s nejlepšími mechanickými vlastnostmi v současnosti.

S neustálým vývojem high-tech oblasti jsou požadavky na fyzikální a chemické vlastnosti produktů PI stále vyšší a vyšší. Mechanické, tepelné, optické, elektrické, magnetické a další vlastnosti tradičních PI materiálů již nemohou splňovat zvláštní požadavky materiálů v moderní vědecké a technologické oblasti. Je požadováno, aby se vysoce výkonná vlákna PI stala typickým představitelem další generace vysoce výkonných vláken díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem, tepelné stabilitě a radiační odolnosti.

V současné době jsou hlavní domácí společnosti zabývající se průmyslem vláken PI Jiangsu Aoshen, Changchun Gaoqi, Keju New Materials, Jiangsu Xiannuo atd. Mezi nimi se Changchun Gaoqi stal důležitou základnou pro výzkum, vývoj a výrobu polyimidů v mé zemi. Jiangsu Xiannuo, vysoce výkonné organické vlákno se zcela nezávislými právy duševního vlastnictví, prošlo hodnocením vědeckých a technologických úspěchů v 2016 a zaujalo vedení v 2020. Dokončil formulaci národní normy "Vysoce pevné a vysoce modulové polyimidové vlákno".

3. Fotosenzitivní polyimid (PSPI)

Fotosenzitivní polyimid (PSPI) je druh organického materiálu s iminovým kroužkem a fotosenzitivním genem v polymerním řetězci, který kombinuje vynikající tepelnou stabilitu, dobré mechanické vlastnosti, chemické a fotosenzitivní vlastnosti.

Fotocitlivý polyimid má v oblasti elektroniky dvě hlavní funkce: fotoresist a elektronické obaly. "Polyimidový fotoresist" lze získat přidáním senzibilizátorů a stabilizátorů k fotocitlivému polyimidu. Ve srovnání s tradičním fotoresistem, protože samotný polyimid má dobré dielektrické vlastnosti, není třeba aplikovat fotoresist, který působí jako pracovní médium během používání, což může výrazně zkrátit proces a zlepšit efektivitu výroby.

Technologie výroby fotocitlivého polyimidu (PSPI) je řízena především americkými a japonskými společnostmi. Mezi nimi patří Toray mezi nejúspěšnější společnosti v oblasti marketingu neutrálních PSPI produktů na světě. Jeho pozitivní produkty se používají v mikroelektronických obalech. , optoelektronické obaly a další oblasti.

Omezený zpětnou výrobní technologií je polyimidový průmysl v mé zemi stále stabilní s nízkými výrobky, jako jsou filmy, výkon fotocitlivého polyimidu je relativně malý a poptávka na trhu závisí na dovozu. S podporou politiky "Made in China 2025" vstoupily průmysl, strojírenství, elektronika a další obory mé země do fáze domácí nahrazování. Domácí podniky nadále prohlubují své porozumění PSPI a některé podniky zvládly výrobní technologie.

V současné době místní společnosti, které nasazují PSPI výzkum a vývoj a výrobu, zahrnují Ruihuatai, Mingshi New Materials, Guofeng Plastic Industry, Dinglong Technology atd. V budoucnosti existuje velký prostor pro domácí alternativy v této oblasti.

4. Polyimidová pěna

Polyimidová pěna je druh polyimidového materiálu. Poprvé byl vyvinut NASA Langley Research Center ve spolupráci s Unitika America v sedmdesátých letech. Používá se ve vesmírných raketoplánech a je nyní široce používán v letadlech a lodích. , vlaky, automobily a další oblasti, má vlastnosti vnitřní zpomalující hoření, silnou tepelnou odolnost, nízkou hmotnost, ochranu životního prostředí a netoxicitu a může být použit v extrémních podmínkách, jako je ultra-vysoká teplota, ultra-nízká teplota, vysoký solný sprej, silný hluk, silná koroze a silné záření slouží pod.

Polyimidová pěna lze rozdělit do tří kategorií:

(1) Stejně jako obecný polyimid, použití imidu jako hlavního řetězce pěnového materiálu, teplota použití je nad 300 °C (PI pěna)

(2) Pěnový materiál (PMI pěna), ve kterém existují imidové kroužky ve formě bočních skupin

(3) Nanopěnové materiály získané zavedením tepelně nestabilních alifatických segmentů do polyimidu a praskáním při vysoké teplotě.

Polyimidové pěnové materiály jsou pokročilé funkční materiály a jsou stále více používány v klíčových materiálech, jako je tepelná izolace, tlumení nárazů a snížení hluku a izolace v high-tech oblastech, jako je letectví, námořní doprava, národní obrana a mikroelektronika.

V současné době jsou nejdůležitějším použitím PI pěny tepelně izolační a hlukové materiály pro lodě. V současné době se naše námořnictvo nachází ve třetím vrcholu stavby lodí. Jako preferovaný materiál pro tepelnou izolaci a redukci hluku v nových válečných lodích se poptávka po PI pěně rychle zvyšuje.

Polymethacrymidová pěna (zkráceně PMI) je nový typ polymerního strukturálního pěnového materiálu s nejlepším komplexním výkonem. Jedná se o vysokou specifickou pevnost, vysoký specifický modul, vysokou rychlost uzavřených buněk a vysokou tepelnou odolnost. Výkonný kompozitní pěnový jádro, který se vyznačuje nízkou hmotností, vysokou pevností a odolností proti vysokým a nízkým teplotám. Kromě toho, jako nejvynikající materiál strukturální pěnové jádro, PMI pěna je široce používána v lopatech větrných turbín, lopatech vrtulníků, leteckém průmyslu a dalších oblastech. Trend nahrazování PET pěny je jasný a tržní prostor je široký.

PI pěna má silnou tepelnou odolnost, dobrou zpomalování hoření, nevytváří škodlivý plyn a je snadno instalovatelná. Jedná se o široce používaný materiál pro tepelnou izolaci a redukci hluku. V současné době americké námořnictvo používá PI pěnu jako tepelně a zvukově izolační materiál pro všechny povrchové lodě a ponorky. Pěna SOLIMIDE vyráběná společností INSPEC byla vyvinuta více než patnácti zeměmi pro tepelné a zvukové izolační systémy námořních lodí. Kromě toho je PI pěna také široce používána v civilních lodích, jako jsou luxusní výletní lodě, rychlolodě a lodě LNG.

Podobně jako pěna PI, PMI pěna je také široce používána. Mezi typické aplikace pro PMI pěnu patří:

(1) Materiál jádra strukturální pěny: vynikající odolnost proti stlačení vysokých teplot, čímž je široce používán jako jádrový materiál v lopatech ventilátorů, letectví, leteckém průmyslu, lodích, sportovním vybavení, zdravotnickém vybavení a dalších oblastech;

(2) Širokopásmový materiál vysílající vlny: nízká dielektrická konstanta a ztráta ho činí široce používaným v radaru, anténě a dalších polích;

(3) Tepelné a zvukově izolační materiály: vysokorychlostní lokomotivy, pneumatiky, reproduktory atd.

Od 21.století se v mé zemi výrazně zvýšil počet jednotek účastnících se výzkumu polyimidové pěny a v průmyslové technologii došlo k významným průlomům. V současné době jsou hlavními domácími výrobci polyimidové pěny Qingdao Ocean, Kangda New Materials, Tiansheng New Materials, Zigong Zhongtiansheng, Qingdao Ocean New Materials atd. Mezi nimi Ningbo Institute of Materials, Čínská akademie věd postavila pilotní závod pro polyimidové mikrorozšířené částice a polyimidové produkty Qingdao Ocean a Kangda New Materials prošly vojenským testem.

5. Polyimidový nátěr

Použití polyimidu při přípravě nátěrů je jednou z jeho nejranějších aplikací a tyto látky se používají především jako izolační nátěry smaltovaných drátů v nátěrech. Izolační povlak smaltovaného drátu hlavně ponoří a potahuje vnější vrstvu různých typů nahého měděného drátu, slitinového drátu a skleněného drátu pokrytého drátu, jako je kulatý drát a plochý drát, aby se zlepšila a stabilizovala vnější vrstva smaltovaného drátu.

Jedním z důležitých ukazatelů izolačních nátěrů je úroveň tepelné odolnosti. Podle standardu klasifikace tepelné stability ICE-85 pro používané elektrické izolační materiály formulované Mezinárodní elektrotechnickou asociací v 1954 jsou izolační materiály rozděleny do sedmi úrovní tepelné odolnosti.

Vlastnosti izolačních materiálů, které splňují požadavky vývoje průmyslových technologií, jsou, že izolační systém by měl být schopen pracovat po dlouhou dobu při 180-200 °C nebo vyšší, bez významné hmotnosti a snížení elektrické pevnosti a udržovat dobrou elasticitu, odolnost proti vlhkosti, odolnost proti ozonu, odolnost proti oblouku a další vlastnosti. Polyimidové materiály mohou dobře splnit tento požadavek na přípravu izolačních nátěrů se stupněmi tepelné odolnosti F a vyšší. Polyimid může být použit jako izolační nátěr pro magnetické dráty, nebo jako povlaky odolné proti vysokým teplotám.

6. Polyimidové lepidlo

PI (polyimidové) lepidlo je druh organického heterocyklického lepidla obsahujícího imidovou cyklickou strukturu v hlavním řetězci. Má vynikající vysokoteplotní mechanické vlastnosti, dielektrické vlastnosti a radiační odolnost. Hydrolýza byla široce používána v high-tech oblastech, jako je letectví, přesné elektronické stroje atd., a vyřešila problémy horní teploty tepelné odolnosti jiných organických lepidel.

Od sedmdesátých let NASA Langley Research Center, DuPont a Hughes Aircraft Company postupně vyvinuli řadu vysoce výkonných produktů s kódovým názvem LARC-TPI, NR-150R2PI-S02 a LARC-13. Vysokoteplotně odolné PI lepidlo, které je vedeno a bylo široce používáno v různých letadlech. V devadesátých letech se společnosti Amoco a Cytec ve Spojených státech a Mitsui Toyo Chemical Co., Ltd. v Japonsku staly nejznámějšími společnostmi na světě pro výrobu lepidel Pl.

7. Polyimidová fólie

Časným ránem prosince 8.2018 byla sonda Chang'e-4 vypuštěna ze satelitního startovacího centra Xichang, což znamenalo první měkké přistání mé země na vzdálené straně Měsíce, významný průlom v detekci měsíčních hlídek a přežití měsíční noci. Tentokrát Chang'e-4 úspěšně přinesl národní vlajku na zadní stranu Měsíce, označující "Čínské logo" pro vesmír.

Uvádí se, že národní vlajka sondy není vyrobena z běžných chemických vláken tkanin, hedvábí, bavlny a dalších textilií.

Jak všichni víme, vesmírné prostředí je velmi zvláštní. Na povrchu Měsíce není žádná atmosféra. Pokud je ve vakuu a vystaven slunečnímu světlu, maximální teplota povrchu měsíce během dne může dosáhnout 123 °C. V noci, mimo měsíční modul, teplota na Měsíci klesá na minus 233 stupňů Celsia.

Takový teplotní rozdíl je nesnesitelný pro běžné materiály a ultrafialové paprsky generované sluncem jsou velmi silné a existují také radiační účinky kosmického záření a vysoce energetických částic, které mají silný destruktivní účinek na materiály.

Materiál národní vlajky pověřený důležitým úkolem je polyimidová organická polymerní fólie, která se zcela liší od společné vlajky na zemi. Může odolat drsnému prostředí měsíčního povrchu a nebude blednout nebo deformovat.

Kromě použití jako "nátěr" kosmických lodí a jeho aplikace v armádě, polyimidový film lze vidět v oblastech mikroelektroniky, nanometrů, kapalných krystalů, separačních membrán, laserů a nové energie. Například transparentní polyimidové filmy mohou být použity jako flexibilní vrstvy solárních článků; PI lze použít jako materiály separátorů lithium-iontových baterií nové generace a tak dále.

V posledních letech se s rozvojem elektronického průmyslu stala vysoce výkonná polyimidová fólie klíčovým materiálem pro výrobu a balení mikroelektroniky a je široce používána při výrobě ultra velkých integrovaných obvodů, automatickém lepení nosných pásek, flexibilních obalových substrátů a flexibilních spojovacích pásek. linky atd.

Kromě toho je polyimid ideálním materiálem pro vysokoteplotní separační membrány plynů díky své vysoké tepelné odolnosti a dobrému celkovému výkonu. V současné době se velmi malé množství polyimidových odrůd používá ve vysokoteplotních membránových materiálech separace plynů pro separaci různých plynových párů (jako je vodík/dusík, dusík/kyslík, oxid uhličitý/dusík, oxid uhličitý/metan atd.), ze vzduchu, Může být také použit jako pervaporační membrána a ultrafiltrační membrána k odstranění vlhkosti z uhlovodíkových přívodníků a alkoholů. Konvenční polyimidové pryskyřice se však obtížně rozpustí a taví, což omezuje možnost jejich široké průmyslové aplikace.

8. Polyimidový aerogel

Polyimidový aerogel (PIA) je propojený trojrozměrný porézní materiál složený z polymerních molekulárních řetězců. Kombinuje vynikající vlastnosti polyimidu a aerogelu. Má nejen vynikající vlastnosti polyimidu, ale také vynikající vlastnosti nízké hmotnosti a ultra-nízké hustoty, vysoké specifické plochy povrchu, nízkou tepelnou vodivost, nízkou akustickou impedanci, odolnost prostředí a nízkou dielektrickou konstantu aerogelu. Tyto speciální vlastnosti dělají polyimidové aerogelové materiály v oblasti tepla, elektřiny, mechaniky a akustiky.

Foto 6 (Polyimid Aerogel)

Za účelem realizace posádkového přistání Marsu výzkumné centrum NASA aplikovalo polyimidové aerogelové materiály na výzkum nadzvukového nafukovacího aerodynamického reduktoru (HIAD) při vývoji technologie přepravy těžkého nákladu. Řešení přináší užitečné zatížení a objemové výhody brzdění. Díky trvanlivosti polyimidových aerogelových materiálů má také širokou škálu aplikací v nádržích na palivo, ultra lehkých multifunkčních materiálech pro rovery a kosmických stanovištích. vyhlídky uplatnění.

Kromě letecké oblasti mají polyimidové aerogelové materiály dobré vyhlídky uplatnění v oblastech elektronické komunikace, tepelné izolace a materiály zpomalující hoření, adsorpce a čištění, zvukové izolace a hlukové absorpce, katalytických nosičů a izolačních vrstev drátu/kabelů.

9. Polyimidové maticové kompozity

Vlákny vyztužené kompozitní materiály jsou novou generací lehkých materiálů po hořčíkovo-hliníkových slitinách. Polyimidové kompozitní materiály mají vynikající odolnost proti vysokým teplotám a tahové vlastnosti a jsou široce používány. Kompozitní materiály na bázi polyimidové pryskyřice mají vlastnosti vysoké tepelné odolnosti polyimidu, vynikající mechanické vlastnosti, dielektrické vlastnosti, odolnost proti rozpouštědlům atd., a v současné době jsou kompozitní materiály na bázi pryskyřice s nejvyšší teplotou. Motor), letecký průmysl a další oblasti byly široce používány.

Po téměř čtyřiceti letech vývoje vyvinuly polyimidové vysokoteplotní kompozitní materiály na bázi pryskyřice čtyři generace kompozitních materiálů a provozní teplota se neustále zlepšuje. V současné době mohou být nejpokročilejší kompozitní materiály čtvrté generace na bázi polyimidové pryskyřice použity v 450 °C pro dlouhodobé použití.

V současné době aplikace a výzkum a vývoj polyimidových kompozitních materiálů v mé zemi stále dohání a podniky, jako je AVIC Composite Materials Co., Ltd., byly schopny vyrábět pryskyřičné výrobky třetí generace.

Navíc s postupnou zralostí průmyslu uhlíkových vláken se poptávka po kompozitních materiálech vyztužených uhlíkovými vlákny výrazně zvýšila. Jako jedna z nejvýbornějších kombinací kompozitních materiálů má kombinace polyimidu a uhlíkových vláken zřejmé výhody při obsazení high-end trhu.

Polyimid pokrývá téměř všechny typy polymerních materiálů, včetně vysoce výkonných fólií, strojírenských plastů, pěnových plastů, chemických vláken, lepidel, pryskyřičné matrice, izolačních materiálů, funkčních materiálů, kompozitních materiálů atd.

Výkon polyimidu je silně závislý na jeho chemické struktuře. Polyimidy s různými strukturami mohou být vybrány nebo syntetizovány podle aplikace a mohou být také modifikovány kopolymerizací, mícháním, plněním a výztuží. Vývoj nového polyimidu je neoddělitelný od vývoje nových monomerů. Diamin a dianhydrid monomery se speciálními strukturami jsou nezbytnou zárukou pro vývoj nových typů polyimidů. Snížení nákladů na monomery je klíčem ke snížení polyimidu.

Vzhledem k tomu, že materiály související s polyimidem hrají nenahraditelnou roli v citlivých oblastech, jako je letectví, vojenství a špičková elektronika, většina zahraničních polyimidových surovin, technologií a výrobků je v mé zemi striktně blokována. I když domácí podniky již tvrdě pracují na dohánění, stále existuje velká propast mezi našimi lokalizovanými a hromadně vyráběnými high-end produkty a pokročilou úrovní zahraničí. Proto je velmi naléhavé důrazně vyvíjet produkty související s polyimidem a zbývá ještě dlouhá cesta!