Poliimida: o topo da pirâmide polimérica!

1. Introdução da poliimida

Poliimida (PI) é um composto polimérico heterocíclico aromático cuja estrutura molecular contém unidades de cadeia imida. É uma das melhores variedades resistentes ao calor em plásticos de engenharia. É amplamente utilizado na aviação, aeroespacial, microeletrônica, nano, cristal líquido, laser e outros campos.

Recentemente, todos os países listaram a pesquisa, desenvolvimento e utilização de PI como uma das prioridades de desenvolvimento de novos materiais químicos no século 21. A poliimida, devido às suas características marcantes em desempenho e síntese, tem grandes perspectivas de aplicação, seja como material estrutural ou como material funcional.

Poliimida é conhecido como o material superior da pirâmide de materiais poliméricos, e também é conhecido como um "especialista em resolução de problemas", e até mesmo algumas pessoas na indústria acreditam que "sem poliimida, não haveria tecnologia microeletrônica hoje.

2. Classificação e aplicação da poliimida

Devido às suas excelentes propriedades, a poliimida pode ser usada em vários campos e também pode ser dividida em vários tipos, incluindo plásticos de engenharia, fibras, poliimidas fotossensíveis, espumas, revestimentos, adesivos, filmes, aerogéis, materiais compósitos, etc.

Entre os muitos polímeros, a poliimida é o único polímero que tem uma ampla gama de aplicações e mostra excelente desempenho em cada aplicação. Abaixo, o editor irá levá-lo a entender os principais usos de vários tipos de poliimida.

1. Plásticos de engenharia

Plásticos de engenharia de poliimida podem ser divididos em termoendurecimento e termoplástico, que podem ser divididos em tetracarboximida polipiromelítica (PMMI), polieterimida (PEI), poliamida-imida (PAI), etc. Tem seus próprios usos em diferentes campos.

PMMI tem uma temperatura de deformação térmica de 360 ° C sob uma carga de 1.8MPa, e tem excelentes propriedades elétricas. Pode ser usado para peças de precisão sob condições especiais, rolamentos autolubrificantes de alta temperatura, anéis de vedação, impulsores do ventilador, etc. Também pode ser usado para peças de válvula em contato com amônia líquida. Peças do sistema de abastecimento de combustível para motores a jacto.

PEI tem excelentes propriedades mecânicas, propriedades de isolamento elétrico, resistência à radiação, resistência a altas temperaturas e resistência ao desgaste, boa fluidez do derretimento, e uma taxa de encolhimento da moldagem de 0,5% a 0,7%. igualmente pode ser combinado com outros materiais por soldadura, e é amplamente utilizado em aparelhos eletrônicos, aviação, automóveis, equipamentos médicos e outras indústrias.

A resistência do PAI é a mais alta entre os plásticos não reforçados atuais, com uma resistência à tração de 190 MPa, uma resistência à flexão de 250 MPa e uma temperatura de deformação térmica de até 274 °C sob uma carga de 1,8 MPa. PAI tem boa resistência à ablação e propriedades eletromagnéticas em alta temperatura e alta frequência, e tem boa adesão a metais e outros materiais. É usado principalmente para engrenagens, rolamentos e garras de separação da copiadora, etc. Ele também pode ser usado para ablação de materiais da aeronave, materiais magneticamente permeáveis e materiais estruturais.

2. Fibra de poliimida

A fibra de poliimida é uma fibra importante de alto desempenho, e sua fibra de poliimida resistente a altas temperaturas é uma das fibras sintéticas orgânicas com a temperatura mais alta atualmente. Comparado com fibra de aramida e fibra de sulfeto de polifenileno, as propriedades térmicas e outros aspectos são superiores. A força da fibra de poliimida de alto desempenho é cerca de 1 vezes maior do que a da fibra de aramida, e é uma das fibras sintéticas orgânicas com as melhores propriedades mecânicas atualmente.

Com o desenvolvimento contínuo do campo de alta tecnologia, os requisitos para as propriedades físicas e químicas dos produtos PI estão ficando cada vez maiores. As propriedades mecânicas, térmicas, ópticas, elétricas, magnéticas e outras dos materiais PI tradicionais não podem mais atender às exigências especiais dos materiais no campo científico e tecnológico moderno. É necessário que as fibras de alto desempenho PI se tornem um representante típico da próxima geração de fibras de alto desempenho devido às suas propriedades mecânicas superiores, estabilidade térmica e resistência à radiação.

Atualmente, as principais empresas domésticas envolvidas na indústria de fibra PI são Jiangsu Aoshen, Changchun Gaoqi, Keju Novos Materiais, Jiangsu Xiannuo, etc Entre eles, Changchun Gaoqi tornou-se uma base importante para pesquisa, desenvolvimento e produção de poliimida em meu país. Jiangsu Xiannuo, uma fibra orgânica de alto desempenho com direitos de propriedade intelectual completamente independentes, passou a avaliação de conquistas científicas e tecnológicas em 2016 e assumiu a liderança em 2020. Concluída a formulação da norma nacional "Filamento de poliimida de alta resistência e alto módulo".

3. Poliimida fotossensível (PSPI)

Poliimida fotossensível (PSPI) é um tipo de material orgânico com anel de imina e gene fotossensível na cadeia de polímeros, que combina excelente estabilidade térmica, boas propriedades mecânicas, propriedades químicas e fotossensíveis.

A poliimida fotossensível tem duas funções principais no campo da eletrônica: fotorresistência e embalagem eletrônica. "Poliimida photorresist" pode ser obtido adicionando sensibilizadores e estabilizadores à poliimida fotossensível. Comparado com a fotorresistência tradicional, porque a própria poliimida tem boas propriedades dielétricas, não há necessidade de aplicar um fotorresist que atue como um meio de trabalho durante o uso, o que pode encurtar muito o processo e melhorar a eficiência da produção.

A tecnologia de produção de poliimida fotossensível (PSPI) é controlada principalmente por empresas americanas e japonesas. Entre elas, a Toray é uma das empresas de maior sucesso na comercialização de produtos PSPI neutros do mundo. Seus produtos positivos são usados em embalagens microeletrônicas. , embalagens optoelectrónicas e outros campos.

Limitada pela tecnologia de produção atrasada, a indústria de poliimida do meu país ainda é estável com produtos low-end, como filmes, a produção de poliimida fotossensível é relativamente pequena e a demanda do mercado depende das importações. Com o apoio da política "Made in China 2025", a indústria, máquinas, eletrônicos e outros campos do meu país entraram na fase de substituição doméstica. As empresas domésticas continuam a aprofundar sua compreensão do PSPI, e algumas empresas dominaram a tecnologia de produção.

Atualmente, as empresas locais que implantam PSPI R e D e produção incluem Ruihuatai, Mingshi Novos Materiais, Guofeng Indústria Plástica, Dinglong Tecnologia, etc Há um grande espaço para alternativas domésticas neste campo no futuro.

4. Espuma de poliimida

A espuma de poliimida é um tipo de material de poliimida. Foi desenvolvido pela primeira vez pelo Centro de Pesquisa Langley da NASA em cooperação com a Unitika America na década de 1970. É usado em ônibus espaciais e agora é amplamente utilizado em aeronaves e navios. trens, automóveis e outros campos, tem as características de retardador de chama intrínseco, forte resistência ao calor, peso leve, proteção ambiental e não-toxicidade, e pode ser usado em condições extremas, tais como temperatura ultra-alta, temperatura ultra-baixa, pulverização de sal alto, ruído forte, corrosão forte e radiação forte servem sob.

A espuma de poliimida pode ser dividida em três categorias:

(1) O mesmo que poliimida geral, o uso de imida como a cadeia principal do material de espuma, a temperatura de uso é acima de 300 ° C (espuma PI)

(2) Material de espuma (espuma PMI) no qual existem anéis imide na forma de grupos laterais

(3) Nano-espuma materiais obtidos introduzindo segmentos alifáticos termicamente instáveis na poliimida e rachando em alta temperatura.

Materiais de espuma de poliimida são materiais funcionais avançados e têm sido cada vez mais usados em materiais-chave, como isolamento térmico, absorção de choque e redução de ruído, e isolamento em campos de alta tecnologia, como aeroespacial, transporte marítimo, defesa nacional e microeletrônica.

Atualmente, a aplicação mais importante da espuma PI é isolamento térmico e materiais de redução de ruído para navios. Actualmente, a nossa marinha encontra-se no terceiro clímax da construção naval. Como o material preferido de isolamento térmico e redução de ruído em navios de guerra novos, a demanda por espuma PI está aumentando rapidamente.

A espuma de polimetacrilimida (PMI para abreviar) é um novo tipo de material de espuma estrutural de polímero com o melhor desempenho abrangente. É uma alta resistência específica, alto módulo específico, alta taxa de célula fechada e alta resistência ao calor. Material composto de núcleo de espuma de desempenho, com peso leve, alta resistência e resistência a altas/baixas temperaturas. Além disso, como o material de núcleo de espuma estrutural mais excelente, a espuma PMI é amplamente utilizada em pás de turbinas eólicas, pás de helicóptero, aeroespacial e outros campos. Sua tendência de substituição pela espuma PET é clara e o espaço de mercado é amplo.

A espuma PI tem forte resistência ao calor, boa retardação de chama, não produz gás prejudicial e é fácil de instalar. É um material amplamente utilizado de isolamento térmico e redução de ruído. Atualmente, a Marinha dos EUA usou espuma PI como material de isolamento térmico e acústico para todos os navios de superfície e submarinos. A espuma SOLIMIDE produzida pela INSPEC foi desenvolvida por mais de 15 países para sistemas de isolamento térmico e acústico para navios navais. Além disso, espuma PI Também é amplamente utilizado em navios civis, como navios de cruzeiro de luxo, lanchas rápidas e navios de GNL.

Semelhante à espuma PI, a espuma PMI também é amplamente utilizada. Aplicações típicas para espuma PMI incluem:

(1) Material estrutural do núcleo da espuma: excelente resistência de compressão de alta temperatura, tornando-o amplamente utilizado como um material do núcleo em lâminas do ventilador, aviação, aeroespacial, navios, equipamentos esportivos, equipamentos médicos e outros campos;

(2) Material de transmissão de onda de banda larga: baixa constante dielétrica e perda tornam-no amplamente utilizado no radar, antena e outros campos;

(3) Materiais de isolamento térmico e acústico: locomotivas de alta velocidade, pneus, alto-falantes, etc.

Desde o século XXI, o número de unidades que participam na pesquisa de espuma de poliimida em meu país aumentou significativamente, e grandes avanços foram feitos na tecnologia da indústria. Atualmente, os principais fabricantes domésticos de espuma de poliimida são Qingdao Ocean, Kangda Novos Materiais, Tiansheng Novos Materiais, Zigong Zhongtiansheng, Qingdao Ocean Novos Materiais, etc Entre eles, o Instituto Ningbo de Materiais, Academia Chinesa de Ciências construiu uma planta piloto para partículas microexpandidas de poliimida, e os produtos de poliimida de Qingdao Ocean e Kangda Novos Materiais passaram o teste militar.

5. Revestimento de poliimida

O uso de poliimida na preparação de revestimentos é uma de suas primeiras aplicações, e essas substâncias são usadas principalmente como revestimentos isolantes para fios esmaltados em revestimentos. O revestimento isolante do fio esmaltado mergulha e reveste principalmente a camada externa de vários tipos de fio de cobre nu, fio de liga e fio de vidro coberto, como fio redondo e fio plano, de modo a melhorar e estabilizar a camada externa do fio esmaltado.

Um dos indicadores importantes de revestimentos isolantes é o nível de resistência ao calor. De acordo com o padrão de classificação de estabilidade térmica ICE-85 para materiais de isolamento elétrico em uso formulado pela Associação Eletrotécnica Internacional em 1954, os materiais isolantes são divididos em 7 níveis de resistência térmica.

As características dos materiais isolantes que atendem aos requisitos do desenvolvimento de tecnologia industrial são que o sistema de isolamento deve ser capaz de trabalhar por muito tempo a 180-200 ° C ou mais, sem perda de peso significativa e redução de força elétrica, e manter boa elasticidade, resistência à umidade, resistência ao ozônio, resistência ao arco e outras propriedades. Os materiais da poliimida podem cumprir bem esta exigência para preparar revestimentos isolantes com graus da resistência térmica de F e acima. A poliimida pode ser usada como tinta isolante para fios magnéticos, ou como revestimentos resistentes a altas temperaturas.

6. Adesivo poliimida

PI (poliimida) adesivo é um tipo de adesivo heterocíclico orgânico contendo estrutura cíclica imida na cadeia principal. Possui excelentes propriedades mecânicas de alta temperatura, propriedades dielétricas e propriedades de resistência à radiação. A hidrólise tem sido amplamente utilizada em campos de alta tecnologia, como aeroespacial, máquinas eletrônicas de precisão, etc., e resolveu os problemas da temperatura de resistência térmica do limite superior inferior de outros adesivos orgânicos.

Desde a década de 1970, NASA Langley Research Center, DuPont e Hughes Aircraft Company desenvolveram sucessivamente uma série de produtos de alto desempenho codinome LARC-TPI, NR-150R2PI-S02 e LARC-13. O adesivo PI resistente a alta temperatura que é guiado e tem sido amplamente utilizado em uma variedade de aeronaves. Na década de 1990, as empresas Amoco e Cytec nos Estados Unidos, e Mitsui Toyo Chemical Co., Ltd. no Japão tornaram-se as empresas mais famosas do mundo para a produção de adesivos Pl.

7. Película de poliimida

Na madrugada de 8 de dezembro de 2018, a sonda Chang'e-4 foi lançada do Centro de Lançamento de Satélites Xichang, marcando a primeira aterragem suave do meu país no outro lado da lua, um grande avanço na detecção de patrulhas lunares e sobrevivência noturna da lua. Desta vez, Chang'e-4 trouxe com sucesso a bandeira nacional para a parte de trás da lua, marcando o "logotipo da China" para o espaço.

Relata-se que a bandeira nacional da sonda não é feita de tecidos de fibra química comuns, seda, algodão e outros têxteis.

Como todos sabemos, o ambiente espacial é muito especial. Não há atmosfera na superfície da lua. Quando está em um estado de vácuo e exposto à luz solar, a temperatura máxima da superfície da lua durante o dia pode chegar a 123 °C. À noite, fora do módulo lunar, a temperatura na lua cai para -233 graus Celsius.

Tal diferença de temperatura é insuportável para materiais comuns, e os raios ultravioleta gerados pelo sol são muito fortes, e há também efeitos de radiação de raios cósmicos e partículas de alta energia, que têm um forte efeito destrutivo sobre os materiais.

O material da bandeira nacional confiado com a importante tarefa é o filme de polímero orgânico de poliimida, que é completamente diferente da bandeira comum no solo. Pode suportar o ambiente áspero da superfície lunar e não se desvanecerá ou deformará.

Além de ser usado como o "revestimento" da nave espacial e sua aplicação nas forças armadas, filme de poliimida pode ser visto nos campos da microeletrônica, nanômetros, cristais líquidos, membranas de separação, lasers e nova energia. Por exemplo, filmes transparentes de poliimida podem ser usados como backplanes flexíveis da célula solar; PI pode ser usado como materiais separadores de bateria de lítio-íon de próxima geração, e assim por diante.

Nos últimos anos, com o desenvolvimento da indústria eletrônica, filme de poliimida de alto desempenho tornou-se um material chave para fabricação e embalagem de microeletrônica, e é amplamente utilizado na fabricação de circuitos integrados de ultra-grande escala, colagem automática de fitas transportadoras, substratos de embalagem flexíveis e fitas de conexão flexíveis. linhas, etc.

Além disso, a poliimida é um material ideal para membranas de separação de gás resistentes a altas temperaturas devido à sua alta resistência ao calor e bom desempenho geral. Atualmente, uma quantidade muito pequena de variedades de poliimida é usada em materiais resistentes à alta temperatura da membrana da separação do gás para a separação de vários pares de gás (tais como o hidrogênio/nitrogênio, o nitrogênio/oxigênio, o dióxido de carbono/nitrogênio, o dióxido de carbono/metano, etc.), do ar, Também pode ser usado como membrana de pervaporation e membrana de ultrafiltração para remover a umidade do gás de alimentação de hidrocarbonetos e álcoois. No entanto, resinas poliimidas convencionais são difíceis de dissolver e derreter, limitando assim a possibilidade de sua ampla aplicação industrial.

8. Poliimida Aerogel

Poliimida aerogel (PIA) é um material poroso tridimensional inter-reticulado composto por cadeias moleculares poliméricas. Combina as excelentes propriedades da poliimida e do aerogel. Não só tem as excelentes características da poliimida, mas também Além disso, tem as características proeminentes de peso leve e ultra-baixa densidade, alta área de superfície específica, baixa condutividade térmica, baixa impedância acústica, durabilidade ambiental e baixa constante dielétrica de aerogel. Estas propriedades especiais fazem materiais de aerogel de poliimida em Tem excelentes perspectivas de aplicação nas áreas de calor, eletricidade, mecânica e acústica.

Foto 6 (Poliimida Aerogel)

A fim de realizar o plano de pouso tripulado de Marte, o centro de pesquisa da NASA aplicou materiais de aerogel de poliimida à pesquisa de redutor aerodinâmico inflável supersônico (HIAD) ao desenvolver tecnologia de transporte de carga pesada. Os benefícios de carga útil e volume da frenagem fornecem uma solução e, devido à durabilidade dos materiais aerogel de poliimida, também tem uma ampla gama de aplicações em tanques de propulsão, materiais multifuncionais ultraleves para rovers e habitats espaciais. perspectivas de aplicação.

Além do campo aeroespacial, os materiais aerogel de poliimida têm boas perspectivas de aplicação nas áreas de comunicação eletrônica, isolamento térmico e materiais retardadores de chama, adsorção e limpeza, isolamento acústico e absorção de som, transportadores catalíticos e camadas de isolamento de fio / cabo.

9. Compostos de matriz poliimida

Materiais compósitos reforçados com fibra são uma nova geração de materiais leves após ligas de magnésio-alumínio. Os materiais compósitos à base de poliimida têm excelente resistência a altas temperaturas e propriedades elásticas, e são amplamente utilizados. Os materiais compósitos à base de resina poliimida têm as características de alta resistência ao calor da poliimida, excelentes propriedades mecânicas, propriedades dielétricas, resistência ao solvente, etc., e são atualmente os materiais compósitos à base de resina com a mais alta temperatura. motor), aeroespacial e outros campos têm sido amplamente utilizados.

Após quase 40 anos de desenvolvimento, materiais compósitos à base de resina de alta temperatura poliimida desenvolveram quatro gerações de materiais compósitos, e a temperatura operacional foi continuamente melhorada. Atualmente, os materiais compósitos à base de resina poliimida de quarta geração mais avançados podem ser usados em 450 ° C para uso prolongado.

Atualmente, a aplicação e pesquisa e desenvolvimento de materiais compósitos de poliimida em meu país ainda estão alcançando, e empresas como AVIC Composite Materials Co., Ltd. têm sido capazes de produzir os produtos de resina de terceira geração.

Além disso, com a maturidade gradual da indústria de fibra de carbono, a demanda por materiais compósitos reforçados com fibra de carbono aumentou significativamente. Como uma das combinações de materiais compósitos mais excelentes, a combinação de poliimida e fibra de carbono tem vantagens óbvias em aproveitar o mercado high-end.

A poliimida cobre quase todos os tipos de materiais poliméricos, incluindo filmes de alto desempenho, plásticos de engenharia, plásticos espumados, fibras químicas, adesivos, matriz de resina, materiais isolantes, materiais funcionais, materiais compósitos, etc.

O desempenho da poliimida é fortemente dependente de sua estrutura química. Poliimidas com diferentes estruturas podem ser selecionadas ou sintetizadas de acordo com a aplicação, e também podem ser modificadas por copolimerização, mistura, enchimento e reforço. O desenvolvimento de poliimida nova é inseparável do desenvolvimento de monômeros novos. Os monômeros de diamina e dianhidreto com estruturas especiais são a garantia necessária para o desenvolvimento de novos tipos de poliimida. Reduzir o custo dos monômeros é a chave para reduzir a poliimida. .

Uma vez que os materiais relacionados à poliimida têm um papel insubstituível em áreas sensíveis, como a aeroespacial, militar e eletrônica de ponta, a maioria das matérias-primas, tecnologias e produtos de poliimida estrangeiras estão estritamente bloqueados no meu país. Embora as empresas nacionais já estejam trabalhando duro para recuperar o atraso, ainda há uma grande lacuna entre nossos produtos de ponta localizados e produzidos em massa e o nível avançado de países estrangeiros. Portanto, é muito urgente desenvolver vigorosamente produtos relacionados à poliimida, e há um longo caminho a percorrer!