Polüimiid: polümeeri püramiidi tipp!

1. Polüimiidi kasutuselevõtt

Polüimid (PI) on aromaatne heterotsükliline polümeeriühend, mille molekulaarstruktuur sisaldab imiidahelaühikuid. See on üks parimaid kuumuskindlaid sorte inseneriplastide. Seda kasutatakse laialdaselt lennunduses, kosmoses, mikroelektroonikas, nanos, vedelkristallis, laseris ja muudes valdkondades.

Hiljuti on kõik riigid loetlenud PI teadusuuringud, arendus ja kasutamine üheks uute keemiliste materjalide arendusprioriteediks 21. sajandil. Polüimiidil on oma silmapaistvate omaduste tõttu jõudluse ja sünteesi osas suurepärased rakendusväljavaated, kas konstruktsioonimaterjalina või funktsionaalse materjalina.

Polüimiid on tuntud kui polümeermaterjalide püramiidi peamine materjal ja seda tuntakse ka kui "probleemide lahendamise ekspert" ja isegi mõned inimesed tööstuses usuvad, et "ilma polüimiidita ei oleks täna mikroelektroonika tehnoloogiat.

2. Polüimiidi klassifitseerimine ja kohaldamine

Tänu oma suurepärastele omadustele saab polüimidi kasutada erinevates valdkondades ja seda saab jagada ka erinevateks tüüpideks, sealhulgas inseneriplastid, kiud, valgustundlikud polüimidid, vahud, katted, liimid, kiled, aerogeelid, komposiitmaterjalid jne.

Paljude polümeeride hulgas on polüimid ainus polümeer, millel on lai valik rakendusi ja mis näitab silmapaistvat jõudlust igas rakenduses. Allpool viib toimetaja teid mõistma erinevat tüüpi polüimiidi põhilisi kasutusviise.

1. Tehnilised plastid

Polüimiidtehnilised plastid võib jagada nii termostabiliseeruvaks kui termoplastiks, mida saab jagada polüpüromelliitseks tetrakarboksimiidiks (PMMI), polüeterimiidiks (PEI), polüamiidimiidiks (PAI) jne. Sellel on oma kasutusala erinevates valdkondades.

PMMI termilise deformatsiooni temperatuur on 360 ° C koormusel 1,8 MPa ja tal on suurepärased elektrilised omadused. Seda saab kasutada eritingimustes täppisosade, kõrge temperatuuriga isemäärdevate laagrite, tihendusrõngaste, puhuri töötajate jne jaoks. Seda saab kasutada ka vedela ammoniaagiga kokkupuutuvate ventiiliosade jaoks. reaktiivmootori kütusesüsteemi osad.

PEI-l on suurepärased mehaanilised omadused, elektrilised isolatsiooni omadused, kiirguskindlus, kõrge temperatuurikindlus ja kulumiskindlus, hea sulamisvoolus ja vormi kokkutõmbumise kiirus 0,5% kuni 0,7%. Seda saab kombineerida ka teiste materjalidega keevitamise teel ja seda kasutatakse laialdaselt elektroonikaseadmetes, lennunduses, autodes, meditsiiniseadmetes ja muudes tööstusharudes.

PAI tugevus on praeguste tugevdamata plastide seas kõrgeim, tõmbetugevusega 190 MPa, painutustugevusega 250 MPa ja termilise deformatsiooni temperatuuriga kuni 274 °C koormusel 1,8 MPa. PAI-l on hea ablatsioonikindlus ja elektromagnetilised omadused kõrgel temperatuuril ja kõrgel sagedusel ning tal on hea nakkus metallide ja muude materjalidega. Seda kasutatakse peamiselt hammasrataste, laagrite ja koopiamasinate eraldusküüniste jne jaoks. Seda saab kasutada ka õhusõidukite materjalide, magnetiliselt läbilaskvate materjalide ja konstruktsioonimaterjalide ablatsiooniks.

2. Polüimiidkiud

Polüimidkiud on oluline kõrge jõudlusega kiud ja selle kõrge temperatuurikindel polüimidkiud on üks orgaanilisi sünteetilisi kiude, millel on praegu kõrgeim temperatuur. Võrreldes aramiidkiu ja polüfenüleensulfiidkiuga on termilised omadused ja muud aspektid paremad. Suure jõudlusega polüimidkiu tugevus on umbes 1 korda suurem kui aramiidkiu tugevus ja see on üks orgaanilisi sünteetilisi kiude, millel on praegu parimad mehaanilised omadused. .

Kõrgtehnoloogilise valdkonna pideva arenguga muutuvad PI-toodete füüsikaliste ja keemiliste omaduste nõuded üha suuremaks. Traditsiooniliste PI materjalide mehaanilised, termilised, optilised, elektrilised, magnetilised ja muud omadused ei vasta enam materjalide erinõuetele kaasaegses teadus- ja tehnoloogiavaldkonnas. On vaja, et PI suure jõudlusega kiud muutuksid järgmise põlvkonna suure jõudlusega kiudude tüüpiliseks esindajaks tänu nende suurepärastele mehaanilistele omadustele, termilisele stabiilsusele ja kiirguskindlusele.

Praegu on PI kiutööstusega tegelevad peamised kodumaised ettevõtted Jiangsu Aoshen, Changchun Gaoqi, Keju New Materials, Jiangsu Xiannuo jne Nende hulgas on Changchun Gaoqi saanud oluliseks aluseks polüimiidi uurimis-, arendus- ja tootmiseks minu riigis. Jiangsu Xiannuo, täiesti sõltumatu intellektuaalomandi õigustega suure jõudlusega orgaaniline kiud, läbis 2016. aastal teaduslike ja tehnoloogiliste saavutuste hindamise ja võttis juhtpositsiooni 2020. aastal. Lõpetas riikliku standardi "Kõrge tugevusega ja kõrge mooduliga polüimiidfilament" sõnastamise.

3. Valgustundlik polüimiid (PSPI)

Valgustundlik polüimiid (PSPI) on polümeeriahelas imiinrõnga ja valgustundliku geeniga orgaaniline materjal, mis ühendab suurepärase termilise stabiilsuse, head mehaanilised omadused, keemilised ja valgustundlikud omadused.

Valgustundlikul polüimiidil on elektroonika valdkonnas kaks peamist funktsiooni: valguskindel ja elektrooniline pakend. "Polüimiidfotoresistents" on võimalik saada valgustundlikule polüimiidile sensibilisaatorite ja stabilisaatorite lisamisega. Võrreldes traditsioonilise fotoresistentsiga, kuna polüimidil endal on head dielektrilised omadused, ei ole vaja rakendada fotoresistentsit, mis toimib kasutamise ajal töökeskkonnana, mis võib protsessi oluliselt lühendada ja parandada tootmise tõhusust.

Valgustundliku polüimiidi (PSPI) tootmistehnoloogiat kontrollivad peamiselt Ameerika ja Jaapani äriühingud. Nende seas on Toray üks edukamaid ettevõtteid neutraalsete PSPI toodete turustamisel maailmas. Selle positiivseid tooteid kasutatakse mikroelektroonilistes pakendites. optoelektroonilised pakendid ja muud valdkonnad.

Piiratud mahajäänud tootmistehnoloogiast, on minu riigi polüimiidtööstus endiselt stabiilne madala kvaliteediga toodetega, näiteks kiledega, valgustundliku polüimiidi toodang suhteliselt väike ja turunõudlus sõltub impordist. "Made in China 2025" poliitika toetusel on minu riigi tööstus, masinad, elektroonika ja muud valdkonnad sisenenud kodumaise asendamise etappi. Kodumaised ettevõtted süvendavad jätkuvalt oma arusaamist PSPI-st ja mõned ettevõtted on omandanud tootmistehnoloogiat.

Praegu on kohalikud ettevõtted, kes kasutavad PSPI teadus- ja arendustegevust ning tootmist, Ruihuatai, Mingshi uued materjalid, Guofengi plastitööstus, Dinglong Technology jne. Selles valdkonnas on tulevikus suur ruum kodumaiste alternatiivide jaoks.

4. Polüimiidvaht

Polüimidvaht on teatud tüüpi polüimidmaterjal. Selle arendas esmakordselt NASA Langley Uurimiskeskus koostöös Unitika Ameerikaga 1970. aastatel. Seda kasutatakse kosmosesüstikutes ja nüüd kasutatakse laialdaselt lennukites ja laevades. rongid, autod ja muud valdkonnad, sellel on iseloomulikud leegiaeglustaja, tugev kuumuskindlus, kerge kaal, keskkonnakaitse ja mittetoksilisus ning seda saab kasutada äärmuslikes tingimustes, nagu ülikõrge temperatuur, ülimalt madal temperatuur, kõrge soolaprei, tugev müra, tugev korrosioon ja tugev kiirgus teenivad.

Polüimiidvaht võib jagada kolme kategooriasse:

(1) Sama nagu üldine polüimid, imiidi kasutamine vahtmaterjali põhiahelana, kasutustemperatuur on üle 300 ° C (PI vaht)

(2) Vahtmaterjal (PMI vaht), milles esinevad imiidrõngad külgrühmadena

(3) Nanovahtmaterjalid, mis saadakse termiliselt ebastabiilsete alifaatsete segmentide lisamisel polüimiidi ja krakkimisel kõrgel temperatuuril.

Polüimiidvahtmaterjalid on täiustatud funktsionaalsed materjalid ja neid on üha enam kasutatud sellistes olulistes materjalides nagu soojusisolatsioon, löökide neeldumine ja müra vähendamine ning isolatsioon kõrgtehnoloogilistes valdkondades nagu lennundus, ookeani transport, riigikaitse ja mikroelektroonika.

Praegu on PI vahu kõige olulisem rakendus laevade soojusisolatsioon ja müra vähendamise materjalid. Praegu on meie merevägi laevaehituse kolmandas tippkohas. Uute sõjalaevade eelistatud soojusisolatsiooni ja müra vähendamise materjalina kasvab nõudlus PI vahu järele kiiresti.

Polümetakrüülamiidvaht (PMI lühidalt) on uut tüüpi polümeerse struktuurivahtmaterjali parima tervikliku jõudlusega. See on kõrge eritugevus, kõrge erimoodul, kõrge suletud raku kiirus ja kõrge kuumuskindlus. Performance komposiitvahtmaterjal, millel on kerge kaal, kõrge tugevus ja kõrge / madala temperatuuri vastupidavus. Lisaks kasutatakse PMI vahtu kõige suurepärase struktuurilise vahtmaterjalina laialdaselt tuuleturbiinide labades, helikopterite labades, kosmoses- ja muudes valdkondades. Selle asendussuundumus PET vahule on selge ja turupind on lai.

PI vahul on tugev kuumuskindlus, hea leegiaeglustus, ei tooda kahjulikku gaasi ja seda on lihtne paigaldada. See on laialdaselt kasutatav soojusisolatsioon ja müra vähendamise materjal. Praegu on USA merevägi kasutanud PI vahtu soojus- ja heliisolatsioonimaterjalina kõigile pinnalaevadele ja allveelaevadele. INSPEC poolt toodetud SOLIMIDE vaht on välja töötatud enam kui 15 riigis merelaevade soojus- ja heliisolatsioonisüsteemide jaoks. Lisaks PI vaht Seda kasutatakse laialdaselt ka tsiviillaevadel, nagu luksuslikud kruiisilaevad, kiirpaadid ja veeldatud maagaasi laevad.

Sarnaselt PI vahuga kasutatakse laialdaselt ka PMI vahtu. Tüüpilised PMI vahu rakendused on järgmised:

(1) Struktuuriline vahtmaterjal: suurepärane kõrge temperatuuri survekindlus, mistõttu seda laialdaselt kasutatakse südamikumaterjalina ventilaatorite labades, lennunduses, kosmoses, laevades, spordivarustuses, meditsiiniseadmetes ja muudes valdkondades;

(2) Lairiba laine edastav materjal: madal dielektriline konstant ja kadu muudavad seda laialdaselt kasutatavaks radaris, antennis ja muudes väljades;

(3) Soojus- ja heliisolatsioonimaterjalid: kiirreduurid, rehvid, kõlarid jne.

Alates 21. sajandist on minu riigis polüimidvahtu uuringutes osalevate üksuste arv märkimisväärselt suurenenud ja tööstustehnoloogias on tehtud suuri läbimurdeid. Praegu on peamised kodumaised polüimiidvahu tootjad Qingdao Ocean, Kangda uued materjalid, Tiansheng uued materjalid, Zigong Zhongtiansheng, Qingdao ookeani uued materjalid jne Nende seas on Ningbo Materjalide Instituut, Hiina Teaduste Akadeemia ehitanud polüimiidmikrolaiendatud osakeste piloottehase ning Qingdao ookeani ja Kangda uute materjalide polüimiidtooted on läbinud sõjalise testi.

5. Polüimiidkate

Polüimiidi kasutamine kattekihtide valmistamisel on üks selle varasemaid rakendusi ja neid aineid kasutatakse peamiselt emailitud traatide isolatsioonikihtidena kattekihtides. Emaileeritud traadi isoleeriv kate kastab ja katab peamiselt mitmesugust tüüpi alasti vasktraadi, legeertraadi ja klaastraadiga kaetud traadi väliskihti, nagu ümmargune traat ja lame traat, et parandada ja stabiliseerida emailitud traadi väliskihti.

Üks olulisi isolatsioonikihtide näitajaid on soojuskindluse tase. Vastavalt Rahvusvahelise Elektrotehnilise Assotsiatsiooni poolt 1954. aastal sõnastatud ICE-85 soojusstabiilsuse klassifikatsioonistandardile on isolatsioonimaterjalid jagatud seitsmeks soojuskindluse tasemeks.

Tööstustehnoloogia arendamise nõuetele vastavate isolatsioonimaterjalide omadused on see, et isolatsioonisüsteem peaks suutma pikka aega töötada 180-200 ° C või kõrgemal, ilma märkimisväärse kaalukaotuse ja elektrilise tugevuse vähendamata ning säilitama hea elastsuse, niiskuskindluse, osoonikindluse, kaarekindluse ja muud omadused. Polüimiidmaterjalid suudavad seda nõuet hästi täita soojuskindluse klassidega F ja kõrgemate isolatsioonikihtide valmistamiseks. Polüimiidi saab kasutada magnettjuhtmete isolatsioonivärvina või kõrgtemperatuurikindlate kattekihtidena.

6. Polüimiidliim

PI (polüimiid) liim on omamoodi orgaaniline heterotsükliline liim, mis sisaldab imiidi tsüklilist struktuuri põhiahelas. Sellel on suurepärased kõrge temperatuuri mehaanilised omadused, dielektrilised omadused ja kiirguskindluse omadused. Hüdrolüüsi on laialdaselt kasutatud kõrgtehnoloogilistes valdkondades, nagu kosmosetööstus, täpsed elektroonilised masinad jne, ja see on lahendanud muude orgaaniliste liimide alumise ülempiiri soojuskindluse temperatuuri probleemid.

Alates 1970. aastatest on NASA Langley Uurimiskeskus, DuPont ja Hughes Aircraft Company järjestikuselt välja töötanud seeria kõrge jõudlusega tooteid koodinimega LARC-TPI, NR-150R2PI-S02 ja LARC-13. Kõrge temperatuurikindel PI liim, mida juhitakse ja mida on laialdaselt kasutatud erinevates õhusõidukites. 1990. aastatel on Amoco ja Cytec ettevõtted Ameerika Ühendriikides ja Mitsui Toyo Chemical Co., Ltd. Jaapanis saanud maailma kuulsamad ettevõtted Pl liimide tootmisel.

7. Polüimiidkile

8. detsembri 2018. aasta varahommikul lasti Xichangi satelliidi stardikeskusest välja Chang'e-4 sond, mis tähistab minu riigi esimest pehmet maandumist Kuu kaugemal pool, suurt läbimurret Kuupatrulli avastamisel ja kuu öösel ellujäämisel. Seekord tõi Chang'e-4 edukalt riikliku lipu kuu taha, märgistades kosmose "Hiina logo".

On teatatud, et sondi riiklik lipp ei ole valmistatud tavalistest keemilistest kiudkangastest, siidist, puuvillast ja muudest tekstiilidest.

Nagu me kõik teame, on kosmosekeskkond väga eriline. Kuu pinnal ei ole atmosfääri. Kuu pinna maksimaalne temperatuur päevasel ajal võib olla vaakumis ja päikesevalgusega kokku puutudes 123 °C. Öösel, väljaspool Kuumoodulit, langeb kuu temperatuur miinus 233 kraadini.

Selline temperatuurierinevus on tavaliste materjalide jaoks talumatu ja päikese tekitatud ultraviolettkiirgused on väga tugevad ning kosmiliste kiirte ja kõrge energiaga osakeste kiirguse mõju on ka tugev hävitav mõju materjalidele.

Olulise ülesande täitmiseks usaldatud riikliku lipu materjaliks on polüimidorgaaniline polümeerkile, mis erineb täiesti maapinnal paiknevast ühislipust. See võib vastu pidada kuu pinna karmile keskkonnale ja ei tuhmu ega deformeeru.

Lisaks kosmoseaparaadi "kihina" kasutamisele ja selle kasutamisele sõjaväes võib polüimiidkilet näha mikroelektroonika, nanomeetrite, vedelkristallide, eraldusmembraanide, laserite ja uue energia valdkonnas, näiteks läbipaistvaid polüimiidkileid saab kasutada paindlike päikeseelementide tagaplaanidena; PI-d saab kasutada järgmise põlvkonna liitiumioonaku eraldajate materjalidena ja nii edasi.

Viimastel aastatel on elektroonikatööstuse arenguga muutunud suure jõudlusega polüimiidkilest mikroelektroonika tootmise ja pakendamise võtmematerjal ning seda kasutatakse laialdaselt ülimahuliste integraallülituste tootmisel, kandurlindide automaatsel sidumisel, paindlikel pakendite substraatidel ja paindlikel ühenduslindidel. liinid jne.

Lisaks on polüimiid ideaalne materjal kõrge temperatuurikindlate gaaside eraldusmembraanide jaoks, sest see on kõrge kuumuskindlus ja hea üldine jõudlus. Praegu kasutatakse väga väikest kogust polüimiidisorte kõrgetemperatuurikindlates gaaside eraldusmembraanmaterjalides erinevate gaasipaaride (nagu vesinik / lämmastik, lämmastik / hapnik, süsinikdioksiid / lämmastik, süsinikdioksiid / metaan jne) eraldamiseks õhust. Seda saab kasutada ka pervaporatsioonimembraani ja ultrafiltreerimismembraanina süsivesinike söödagaasist ja alkoholidest niiskuse eemaldamiseks. Tavapäraseid polüimiidvaike on siiski raske lahustada ja sulatada, piirates seega nende laialdase tööstusliku kasutamise võimalust.

8. Polüimidaerogeel

Polüimidaerogeel (PIA) on kolmemõõtmeline poorne materjal, mis koosneb polümeermolekulaarsetest ahelatest. See ühendab suurepärased polüimidi ja aerogeeli omadused. Sellel pole mitte ainult polüimiidi suurepärased omadused, vaid ka lisaks sellele on sellel silmapaistvad omadused kerge kaalu ja ülimalt madala tiheduse, kõrge spetsiifilise pindala, madala soojusjuhtivuse, madala akustilise takistuse, keskkonnavastupidavuse ja aerogeeli madala dielektrilise konstanti omadused. Need eriomadused muudavad polüimidaerogeeli materjale. Sellel on suurepärased rakendusväljavaated soojuse, elektri, mehaanika ja akustika valdkonnas.

Foto 6 (polüimidaerogeel)

Mehitatud Marsi maandumisplaani elluviimiseks rakendas NASA uurimiskeskus raskekoormuste transporditehnoloogia arendamisel polüimiidaerogeeli materjale üleheliku täispuhutava aerodünaamilise reduktori (HIAD) uurimiseks. Pidurdamise kasulik koormus ja mahu eelised pakuvad lahendust ning tänu polüimidaerogeelimaterjalide vastupidavusele on sellel lai valik rakendusi ka kütusepaakides, ülikergetes multifunktsionaalsetes materjalides kulguritele ja kosmoseelupaikades. rakendusväljavaated.

Lisaks kosmosevaldkonnale on polüimidaerogeelimaterjalidel head rakendusväljavaated elektroonilise side, soojusisolatsiooni ja leegiaeglustavate materjalide, adsorptsiooni ja puhastamise, heliisolatsiooni ja helineeldumise, katalüütiliste kandjate ja traadi / kaabli isolatsioonikihtide valdkonnas.

9. Polüimidmaatriksi komposiidid

Kiuga tugevdatud komposiitmaterjalid on uue põlvkonna kerged materjalid pärast magneesiumi-alumiiniumisulamite. Polüimidipõhistel komposiitmaterjalidel on suurepärane kõrge temperatuurikindlus ja tõmbeomadused ning neid kasutatakse laialdaselt. Polüimiidvaigupõhistel komposiitmaterjalidel on polüimiidi kõrge kuumuskindluse omadused, suurepärased mehaanilised omadused, dielektrilised omadused, lahusti vastupidavus jne ja on praegu vaigupõhised komposiitmaterjalid, millel on kõrgeim temperatuur. laialdaselt kasutatud on lennundus- ja muud valdkonnad.

Pärast peaaegu 40-aastast arengut on polüimidkõrgtemperatuurilised vaigupõhised komposiitmaterjalid välja töötanud neli põlvkonda komposiitmaterjale ja töötemperatuuri on pidevalt parandatud. Praegu saab kõige arenenumaid neljanda põlvkonna polüimiidvaigu põhiseid komposiitmaterjale pikaajaliseks kasutamiseks kasutada 450 °C juures.

Praegu on polüimidkomposiitmaterjalide rakendamine ning uurimis- ja arendustegevus minu riigis ikka veel järele jõudmas ning ettevõtted nagu AVIC Composite Materials Co., Ltd. on suutnud toota kolmanda põlvkonna vaigutooteid.

Lisaks on süsinikkiudtööstuse järkjärgulise küpsusega nõudlus süsinikkiudtugevdatud komposiitmaterjalide järele märkimisväärselt suurenenud. Ühe suurepärase komposiitmaterjali kombinatsioonina on polüimidi ja süsinikkiu kombinatsioonil ilmsed eelised kõrgetasemelise turu haaramisel.

Polüimiid hõlmab peaaegu kõiki tüüpi polümeermaterjale, sealhulgas suure jõudlusega kiled, inseneriplastid, vahtplastid, keemilised kiud, liimid, vaigumaatriks, isolatsioonimaterjalid, funktsionaalsed materjalid, komposiitmaterjalid jne.

Polüimidi jõudlus sõltub tugevalt selle keemilisest struktuurist. Erinevate struktuuridega polüimiide saab vastavalt rakendusele valida või sünteesida ning neid saab muuta ka kopolümeerimise, segamise, täitmise ja tugevdamise teel. Uue polüimiidi areng on lahutamatu uute monomeeride arengust. Spetsiaalsete struktuuridega diamiini- ja dianhüdriidmonomeerid on vajalik garantii uute polüimiiditüüpide arendamiseks. Monomeeride kulude vähendamine on võti vähendada polüimidi. .

Kuna polüimiidiga seotud materjalidel on asendamatu roll tundlikes valdkondades, nagu lennundus-, sõjaväe- ja tippklassi elektroonika, on enamik välismaiseid polüimiidi tooraineid, tehnoloogiaid ja tooteid minu riigis rangelt blokeeritud. Kuigi kodumaised ettevõtted töötavad juba kõvasti järele jõudmiseks, on meie lokaliseeritud ja masstoodatud tipptasemel toodete ja välisriikide arenenud taseme vahel endiselt suur lõhe. Seetõttu on väga kiire arendada jõuliselt polüimidiga seotud tooteid ja on veel pikk tee minna!