Poliimide: la cima della piramide polimerica!

1. Introduzione della poliimide

La poliimide (PI) è un composto aromatico eterociclico polimerico la cui struttura molecolare contiene unità della catena dell'imide. È una delle migliori varietà resistenti al calore nelle materie plastiche ingegneristiche. È ampiamente usato in aviazione, aerospaziale, microelettronica, Nano, cristallo liquido, laser e altri campi.

Recentemente, tutti i paesi hanno elencato la ricerca, lo sviluppo e l'utilizzo di PI come una delle priorità di sviluppo di nuovi materiali chimici nel 21 ° secolo. La poliimide, per le sue eccezionali caratteristiche di performance e sintesi, ha grandi prospettive applicative, sia come materiale strutturale che come materiale funzionale.

La poliimide è conosciuta come il materiale superiore della piramide dei materiali polimerici ed è anche conosciuta come un "esperto di risoluzione dei problemi", e anche alcune persone del settore credono che "senza poliimide, non ci sarebbe tecnologia microelettronica oggi.

2. Classificazione e applicazione della poliimide

Grazie alle sue eccellenti proprietà, la poliimide può essere utilizzata in vari campi e può anche essere divisa in vari tipi, tra cui plastica ingegneristica, fibre, poliimidi fotosensibili, schiume, rivestimenti, adesivi, film, aerogel, materiali compositi, ecc.

Tra i molti polimeri, la poliimide è l'unico polimero che ha una vasta gamma di applicazioni e mostra prestazioni eccezionali in ogni applicazione. Di seguito, l'editor ti porterà a capire gli usi principali di vari tipi di poliimide.

1. Plastica ingegneristica

La plastica ingegneristica della poliimide può essere divisa sia in termoindurente che in termoplastica, che può essere divisa in tetracarbossimide politiromellitica (PMMI), polieterimide (PEI), poliammide-imide (PAI), ecc. Ha i suoi propri usi in diversi campi.

PMMI ha una temperatura di deformazione termica di 360 ° C sotto un carico di 1.8MPa e ha eccellenti proprietà elettriche. Può essere utilizzato per le parti di precisione in condizioni speciali, cuscinetti autolubrificanti ad alta temperatura, anelli di tenuta, giranti del ventilatore, ecc. Può anche essere utilizzato per le parti della valvola a contatto con ammoniaca liquida. parti del sistema di alimentazione del carburante per motori a getto.

PEI ha eccellenti proprietà meccaniche, proprietà di isolamento elettrico, resistenza alle radiazioni, resistenza alle alte temperature e resistenza all'usura, buona fluidità della colata e un tasso di restringimento dello stampaggio dello 0,5% a 0,7%. Può anche essere combinato con altri materiali mediante saldatura ed è ampiamente usato in elettrodomestici elettronici, aviazione, automobili, attrezzature mediche e altre industrie.

La resistenza del PAI è la più alta tra le plastiche non rinforzate attuali, con una resistenza alla trazione di 190 MPa, una resistenza alla flessione di 250 MPa e una temperatura di deformazione termica fino a 274 °C con un carico di 1,8 MPa. PAI ha una buona resistenza di ablazione e proprietà elettromagnetiche ad alta temperatura e ad alta frequenza ed ha una buona adesione ai metalli e ad altri materiali. Pricipalmente è usato per ingranaggi, cuscinetti e artigli di separazione della fotocopiatrice, ecc. Può anche essere utilizzato per ablazione di materiali aerei, materiali magneticamente permeabili e materiali strutturali.

2. Fibra di poliimide

La fibra di poliimide è una fibra importante ad alte prestazioni e la sua fibra di poliimide resistente alle alte temperature è una delle fibre sintetiche organiche con la temperatura più alta attualmente. Rispetto alla fibra aramidica e alla fibra del solfuro di polifenilene, le proprietà termiche e altri aspetti sono superiori. La resistenza della fibra poliimidica ad alte prestazioni è circa 1 volte superiore a quella della fibra aramidica ed è una delle fibre sintetiche organiche con le migliori proprietà meccaniche attualmente.

Con il continuo sviluppo del campo high-tech, i requisiti per le proprietà fisiche e chimiche dei prodotti PI sono sempre più alti. Le proprietà meccaniche, termiche, ottiche, elettriche, magnetiche e altre dei materiali PI tradizionali non possono più soddisfare i requisiti speciali dei materiali nel campo scientifico e tecnologico moderno. È necessario che le fibre ad alte prestazioni PI diventino un tipico rappresentante della prossima generazione di fibre ad alte prestazioni grazie alle loro proprietà meccaniche superiori, stabilità termica e resistenza alle radiazioni.

Attualmente, le principali aziende nazionali impegnate nell'industria della fibra PI sono Jiangsu Aoshen, Changchun Gaoqi, Keju Nuovi Materiali, Jiangsu Xiannuo, ecc Tra loro, Changchun Gaoqi è diventato una base importante per la ricerca, lo sviluppo e la produzione di poliimidi nel mio paese. Jiangsu Xiannuo, una fibra organica ad alte prestazioni con diritti di proprietà intellettuale completamente indipendenti, ha superato la valutazione dei risultati scientifici e tecnologici nel 2016 e ha preso la guida nel 2020. Completata la formulazione dello standard nazionale "Filamento Poliimide ad Alta Resistenza e Alto Modulo".

3. Poliimide fotosensibile (PSPI)

La poliimide fotosensibile (PSPI) è un genere di materiale organico con anello di imina e gene fotosensibile nella catena del polimero, che combina eccellente stabilità termica, buone proprietà meccaniche, proprietà chimiche e fotosensibili.

La poliimide fotosensibile ha due funzioni principali nel campo dell'elettronica: fotoresist e imballaggio elettronico. "Polyimide photoresist" può essere ottenuto aggiungendo sensibilizzanti e stabilizzatori alla poliimide fotosensibile. Rispetto al fotoresist tradizionale, poiché la poliimide stessa ha buone proprietà dielettriche, non c'è bisogno di applicare un fotoresist che agisce come mezzo di lavoro durante l'uso, che può notevolmente accorciare il processo e migliorare l'efficienza produttiva.

La tecnologia di produzione della poliimide fotosensibile (PSPI) è controllata principalmente da società americane e giapponesi. Tra queste, Toray è una delle aziende di maggior successo nella commercializzazione di prodotti PSPI neutri al mondo. I suoi prodotti positivi sono utilizzati in imballaggi microelettronici. , imballaggi optoelettronici e altri settori.

Limitata dalla tecnologia di produzione arretrata, l'industria della poliimide del mio paese è ancora stabile con prodotti di fascia bassa come i film, la produzione di poliimide fotosensibile è relativamente piccola e la domanda del mercato dipende dalle importazioni. Con il sostegno della politica "Made in China 2025", l'industria, i macchinari, l'elettronica e altri campi del mio paese sono entrati nella fase della sostituzione domestica. Le imprese nazionali continuano ad approfondire la loro comprensione del PSPI e alcune imprese hanno padroneggiato la tecnologia di produzione.

Attualmente, le aziende locali che distribuiscono PSPI R e S e produzione includono Ruihuatai, Mingshi New Materials, Guofeng Plastic Industry, Dinglong Technology, ecc C'è un grande spazio per alternative domestiche in questo campo in futuro.

4. Poliimide foam

La schiuma poliimidica è un tipo di materiale poliimidico. È stato sviluppato per la prima volta dal NASA Langley Research Center in collaborazione con Unitika America negli anni '70. È usato nelle navette spaziali ed è ora ampiamente usato in aerei e navi. treni, automobili e altri campi, ha le caratteristiche di ritardante di fiamma intrinseco, forte resistenza al calore, peso leggero, protezione ambientale e atossicità e può essere utilizzato in condizioni estreme come temperatura ultra alta, temperatura ultra bassa, spruzzo di sale elevato, forte rumore, forte corrosione e forte radiazione servono sotto.

La schiuma poliimidica può essere divisa in tre categorie:

(1) Lo stesso della poliimide generale, l'uso dell'imide come catena principale del materiale espanso, la temperatura di uso è superiore a 300 °C (schiuma PI)

(2) Materiale espanso (schiuma PMI) in cui esistono anelli di imide sotto forma di gruppi laterali

(3) Materiali di nanoschiuma ottenuti introducendo segmenti alifatici termicamente instabili in poliimide e cracking ad alta temperatura.

I materiali della schiuma di poliimide sono materiali funzionali avanzati e sono stati sempre più utilizzati in materiali chiave come l'isolamento termico, l'assorbimento degli urti e la riduzione del rumore e l'isolamento in campi ad alta tecnologia come aerospaziale, trasporto marittimo, difesa nazionale e microelettronica.

Attualmente, l'applicazione più importante della schiuma PI è l'isolamento termico e i materiali di riduzione del rumore per le navi. Attualmente, la nostra marina è al terzo culmine della costruzione navale. Come materiale preferito per l'isolamento termico e la riduzione del rumore nelle nuove navi da guerra, la domanda di schiuma PI sta rapidamente aumentando.

La schiuma polimetacrilimide (PMI in breve) è un nuovo tipo di materiale espanso strutturale polimerico con le migliori prestazioni complete. È un'alta resistenza specifica, un alto modulo specifico, un alto tasso di celle chiuse e un'alta resistenza al calore. Materiale composito del nucleo della schiuma di prestazione, caratterizzato da peso leggero, alta resistenza e resistenza ad alta / bassa temperatura. Inoltre, come il materiale strutturale più eccellente del nucleo della schiuma, la schiuma PMI è ampiamente utilizzata nelle pale delle turbine eoliche, nelle pale dell'elicottero, nell'aerospaziale e in altri campi. La sua tendenza di sostituzione della schiuma PET è chiara e lo spazio di mercato è ampio.

La schiuma PI ha una forte resistenza al calore, buona ritardanza di fiamma, non produce gas nocivi ed è facile da installare. È un materiale ampiamente usato dell'isolamento termico e della riduzione del rumore. Attualmente, la Marina degli Stati Uniti ha utilizzato la schiuma PI come materiale isolante termico e acustico per tutte le navi di superficie e sottomarini. La schiuma SOLIMIDE prodotta da INSPEC è stata sviluppata da più di 15 paesi per sistemi di isolamento termico e acustico per navi navali. Inoltre, la schiuma PI è anche ampiamente usata nelle navi civili, come le navi da crociera di lusso, i motoscafi e le navi LNG.

Simile alla schiuma PI, anche la schiuma PMI è ampiamente usata. Le applicazioni tipiche per la schiuma PMI includono:

(1) materiale strutturale del nucleo della schiuma: eccellente resistenza alla compressione ad alta temperatura, che lo rende ampiamente usato come materiale centrale nelle pale della ventola, nell'aviazione, nell'aerospaziale, nelle navi, nelle attrezzature sportive, nelle attrezzature mediche e in altri campi;

(2) materiale di trasmissione delle onde a banda larga: costante dielettrica bassa e perdita lo rendono ampiamente usato in radar, antenna e altri campi;

(3) Materiali di isolamento termico e acustico: locomotive ad alta velocità, pneumatici, altoparlanti, ecc.

Dal ventunesimo secolo, il numero di unità che partecipano alla ricerca sulla schiuma poliimidica nel mio paese è aumentato significativamente e sono state fatte grandi scoperte nella tecnologia industriale. Attualmente, i principali produttori nazionali di schiuma poliimidica sono Qingdao Ocean, Kangda New Materials, Tiansheng New Materials, Zigong Zhongtiansheng, Qingdao Ocean New Materials, ecc Tra loro, l'Istituto dei Materiali di Ningbo, l'Accademia Cinese delle Scienze ha costruito un impianto pilota per le particelle microespanse di poliimide, e i prodotti poliimidici di Qingdao Ocean e Kangda Nuovi Materiali hanno superato il test militare.

5. Rivestimento in poliimide

L'uso della poliimide nella preparazione dei rivestimenti è una delle sue prime applicazioni, e queste sostanze sono utilizzate principalmente come rivestimenti isolanti per fili smaltati nei rivestimenti. Il rivestimento isolante del filo smaltato immerge e ricopre principalmente lo strato esterno di vari tipi di filo di rame nudo, filo di lega e filo di vetro coperto come filo rotondo e filo piatto, in modo da migliorare e stabilizzare lo strato esterno del filo smaltato.

Uno degli indicatori importanti dei rivestimenti isolanti è il livello di resistenza al calore. Secondo lo standard di classificazione della stabilità termica ICE-85 per i materiali isolanti elettrici in uso formulato dall'Associazione Elettrotecnica Internazionale nel 1954, i materiali isolanti sono suddivisi in 7 livelli di resistenza al calore.

Le caratteristiche dei materiali isolanti che soddisfano i requisiti dello sviluppo della tecnologia industriale sono che il sistema di isolamento dovrebbe essere in grado di funzionare a lungo a 180-200 °C o superiore, senza perdita di peso significativa e riduzione della resistenza elettrica, e mantenere una buona elasticità, resistenza all'umidità, resistenza all'ozono, resistenza all'arco e altre proprietà. I materiali poliimidici possono ben soddisfare questo requisito per preparare rivestimenti isolanti con gradi di resistenza al calore di F e superiori. La poliimide può essere utilizzata come vernice isolante per fili magnetici, o come rivestimenti resistenti alle alte temperature.

6. Poliimide adesivo

L'adesivo PI (poliimide) è un genere di adesivo eterociclico organico contenente la struttura ciclica dell'imide nella catena principale. Ha eccellenti proprietà meccaniche ad alta temperatura, proprietà dielettriche e proprietà di resistenza alle radiazioni. L'idrolisi è stata ampiamente utilizzata nei campi ad alta tecnologia come aerospaziale, macchinari elettronici di precisione, ecc. e ha risolto i problemi della temperatura di resistenza al calore limite superiore inferiore di altri adesivi organici.

Dal 1970, NASA Langley Research Center, DuPont e Hughes Aircraft Company hanno successivamente sviluppato una serie di prodotti ad alte prestazioni denominati in codice LARC-TPI, NR-150R2PI-S02 e LARC-13. L'adesivo PI resistente alle alte temperature che è guidato ed è stato ampiamente utilizzato in una varietà di aerei. Negli anni '90, le aziende Amoco e Cytec negli Stati Uniti e Mitsui Toyo Chemical Co., Ltd. in Giappone sono diventate le aziende più famose al mondo per la produzione di adesivi Pl.

7. Polyimide film

Nella mattina presto dell'8 dicembre 2018, la sonda Chang'e-4 è stata lanciata dal Centro di Lancio Satellitare di Xichang, segnando il primo atterraggio morbido del mio paese sul lato lontano della luna, una grande svolta nel rilevamento delle pattuglie lunari e nella sopravvivenza notturna lunare. Questa volta, Chang'e-4 ha portato con successo la bandiera nazionale sul retro della luna, segnando il "logo Cina" per lo spazio.

È stato riferito che la bandiera nazionale della sonda non è fatta di tessuti in fibra chimica comuni, seta, cotone e altri tessuti.

Come tutti sappiamo, l'ambiente spaziale è molto speciale. Non c'è atmosfera sulla superficie della luna. Quando è in stato di vuoto ed esposto alla luce solare, la temperatura massima della superficie lunare durante il giorno può raggiungere 123 °C. Di notte, fuori dal modulo lunare, la temperatura sulla luna scende a -233 gradi Celsius.

Tale differenza di temperatura è insopportabile per i materiali ordinari e i raggi ultravioletti generati dal sole sono molto forti e ci sono anche effetti di radiazione dei raggi cosmici e delle particelle ad alta energia, che hanno un forte effetto distruttivo sui materiali.

Il materiale della bandiera nazionale cui è affidato l'importante compito è la pellicola polimerica organica poliimidica, che è completamente diversa dalla bandiera comune a terra. Può resistere all'ambiente duro della superficie lunare e non sbiadirà o deformerà.

Oltre ad essere utilizzato come "cappotto" del veicolo spaziale e la sua applicazione nell'esercito, il film poliimide può essere visto nei campi della microelettronica, nanometri, cristalli liquidi, membrane di separazione, laser e nuova energia. Ad esempio, i film trasparenti di poliimide possono essere utilizzati come backplanes flessibili delle celle solari; PI può essere utilizzato come materiali separatori della batteria agli ioni di litio di prossima generazione e così via.

Negli ultimi anni, con lo sviluppo dell'industria elettronica, il film di poliimide ad alte prestazioni è diventato un materiale chiave per la produzione e l'imballaggio di microelettronica ed è ampiamente utilizzato nella produzione di circuiti integrati su larga scala, l'incollaggio automatico di nastri portanti, substrati di imballaggio flessibili e nastri di collegamento flessibili. linee, ecc.

Inoltre, la poliimide è un materiale ideale per membrane di separazione del gas resistenti alle alte temperature grazie alla sua elevata resistenza al calore e alle buone prestazioni complessive. Attualmente, una quantità molto piccola di varietà di poliimide sono utilizzate in materiali resistenti alla separazione dei gas ad alta temperatura per la separazione di varie coppie di gas (come idrogeno/azoto, azoto/ossigeno, anidride carbonica/azoto, anidride carbonica/metano, ecc.), dall'aria, Può anche essere usato come membrana di pervaporazione e membrana di ultrafiltrazione per rimuovere l'umidità dal gas di alimentazione degli idrocarburi e dagli alcoli. Tuttavia, le resine poliimidiche convenzionali sono difficili da sciogliere e fondere, limitando così la possibilità di una loro ampia applicazione industriale.

8. Polyimide Aerogel

Poliimide aerogel (PIA) è un materiale poroso tridimensionale reticolato composto da catene molecolari polimeriche. Combina le eccellenti proprietà della poliimide e dell'aerogel. Non solo ha le eccellenti caratteristiche della poliimide, ma anche Inoltre, ha le caratteristiche eccezionali di peso leggero e densità ultra-bassa, alta area superficiale specifica, bassa conducibilità termica, bassa impedenza acustica, durata ambientale e bassa costante dielettrica di aerogel. Queste proprietà speciali rendono poliimide aerogel materiali in Ha eccellenti prospettive di applicazione nei campi del calore, dell'elettricità, della meccanica e dell'acustica.

Foto 6 (Polyimide Aerogel)

Al fine di realizzare il piano di atterraggio su Marte con equipaggio, il centro di ricerca della NASA ha applicato materiali aerogel poliimidici alla ricerca del riduttore aerodinamico gonfiabile supersonico (HIAD) durante lo sviluppo della tecnologia di trasporto pesante. I vantaggi di carico utile e volume della frenata forniscono una soluzione, e grazie alla durevolezza dei materiali aerogel poliimidici, ha anche una vasta gamma di applicazioni in serbatoi di propellente, materiali multifunzionali ultraleggeri per rover e habitat spaziali. prospettive applicative.

Oltre al campo aerospaziale, i materiali aerogel poliimidici hanno buone prospettive di applicazione nei settori della comunicazione elettronica, dell'isolamento termico e dei materiali ignifughi, dell'adsorbimento e della pulizia, dell'isolamento acustico e dell'assorbimento acustico, dei vettori catalitici e degli strati isolanti filo/cavo.

9. Polyimide Matrix Composites

I materiali compositi rinforzati con fibre sono una nuova generazione di materiali leggeri dopo le leghe di magnesio-alluminio. I materiali compositi a base di poliimide hanno eccellenti proprietà di resistenza alle alte temperature e alla trazione e sono ampiamente utilizzati. I materiali compositi a base di resina poliimidica hanno le caratteristiche di elevata resistenza al calore della poliimide, eccellenti proprietà meccaniche, proprietà dielettriche, resistenza ai solventi, ecc., e sono attualmente i materiali compositi a base di resina con la temperatura più alta. motore), aerospaziale e altri campi sono stati ampiamente utilizzati.

Dopo quasi 40 anni di sviluppo, i materiali compositi a base di resina ad alta temperatura di poliimide hanno sviluppato quattro generazioni di materiali compositi e la temperatura di funzionamento è stata continuamente migliorata. Attualmente, i materiali compositi a base di resina poliimidica più avanzati di quarta generazione possono essere utilizzati a 450 °C per un uso prolungato.

Attualmente, l'applicazione e la ricerca e lo sviluppo di materiali compositi poliimidici nel mio paese stanno ancora recuperando, e imprese come AVIC Composite Materials Co., Ltd. sono state in grado di produrre i prodotti in resina di terza generazione.

Inoltre, con la graduale maturità dell'industria della fibra di carbonio, la domanda di materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio è aumentata in modo significativo. Come una delle combinazioni di materiali compositi più eccellenti, la combinazione di poliimide e fibra di carbonio ha evidenti vantaggi nel conquistare il mercato di fascia alta.

La poliimide copre quasi tutti i tipi di materiali polimerici, compresi film ad alte prestazioni, plastica ingegneristica, plastica espansa, fibre chimiche, adesivi, matrice resina, materiali isolanti, materiali funzionali, materiali compositi, ecc.

La prestazione della poliimide dipende fortemente dalla sua struttura chimica. I poliimidi con strutture diverse possono essere selezionati o sintetizzati in base all'applicazione e possono anche essere modificati mediante copolimerizzazione, miscelazione, riempimento e rinforzo. Lo sviluppo di nuova poliimide è inseparabile dallo sviluppo di nuovi monomeri. I monomeri diamina e dianidrura con strutture speciali sono la garanzia necessaria per lo sviluppo di nuovi tipi di poliimide. Ridurre il costo dei monomeri è la chiave per ridurre la poliimide. .

Poiché i materiali legati alla poliimide hanno un ruolo insostituibile in settori sensibili come l'aerospaziale, militare e l'elettronica di fascia alta, la maggior parte delle materie prime, delle tecnologie e dei prodotti esteri in poliimide sono rigorosamente bloccati nel mio paese. Anche se le imprese nazionali stanno già lavorando duramente per recuperare il ritardo, c'è ancora un grande divario tra i nostri prodotti di fascia alta localizzati e prodotti in serie e il livello avanzato dei paesi stranieri. Pertanto, è molto urgente sviluppare vigorosamente prodotti correlati alla poliimide e c'è molta strada da fare!