PI聚酰亚胺材料性能与用途

发布时间:2019-05-18 浏览次数:2037次

聚酰亚胺是分子结构含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子化合物,英文名Polyimide(简称PI) ,是目前工程塑料中耐热性最好的品种之一。PI作为一种特种工程材料,已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。近来,各国都在将PI的研究、开发及利用列入 21世纪最有希望的工程塑料之一。聚酰亚胺,因其在性能和合成方面的突出特点,不论是作为结构材料或是作为功能性材料,其巨大的应用前景已经得到充分的认识,被称为是"解决问题的能手"(protion solver),并认为"没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术"。


聚酰亚胺的发展简史

1. 1908年,PI聚合物开始出现报道,但本质未被认识,因此不受重视。

2. 40年代中期出现一些专利。50年代末制得高分子量的芳族聚酰亚胺,标志其真正作为一种高分子材料来发展

3. 60—80年代,由美杜邦公司、Amoco公司、通用电气公司及法罗纳-普朗克公司为代表先后开发出一系列的模制材料和聚合体,如聚醚酰亚胺(PEI) ,并于1982 年正加成型聚酰亚胺、热塑性聚酰胺。缩合型聚酰亚胺式以Ultem商品名在国际市场上销售。

4. 1997年日本三井东压化学公司报道了全新的热塑性聚酰亚胺(Aurum)注塑和挤出成型用的粒料。

30 年来 ,聚酰亚胺的发展较快 ,尤其近 10年来更是有了飞速的发展。1977 年~1979 年在美国化学文摘中登载了1000 多条有关聚酰亚胺的文摘 ,100 多篇聚酰亚胺文献向美国国家技术服务局登记。1982年~1985 年有聚均苯四甲酰亚胺申请专利54 件,聚酰胺亚胺申请专利 30件 ,聚醚酰亚胺申请专利 23 件 ,由此可见聚酰亚胺聚合物的发展速度。

到目前为止 ,聚酰亚胺已有 20 多个大品种 ,随着其应用范围的扩大 ,有关聚酰亚胺的品种将会越来越多。国外生产厂家主要集中在美国和日本 ,如美国的通用电气公司、杜邦公司 ,日本的宇部兴产公司、三井东压化学公司;国内生产厂家主要是上海合成树脂研究所和长春应用化学研究所。

聚酰亚胺的分子结构

在主链重复结构单元中含酰亚胺基团,芳环中的碳和氧以双键相连,芳杂环产生共轭效应,这些都增强了主键键能和分子间作用力。

1、 全芳香聚酰亚胺按热重分析,其开始分解温度一般都在500℃左右。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺,热分解温度达到600℃,是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。

2、 聚酰亚胺可耐极低温,如在-269℃的液态氦中不会脆裂。

3、聚酰亚胺具有优良的机械性能,未填充的塑料的抗张强度都在100Mpa以上,均苯型聚酰亚胺的薄膜(Kapton)为170Mpa以上,而联苯型聚酰亚胺(Upilex S)达到400Mpa。作为工程塑料,弹性膜量通常为3-4Gpa,纤维可达到200Gpa,据理论计算,均苯二酐和对苯二胺合成的纤维可达 500Gpa,仅次于碳纤维。


4、 聚酰亚胺的热膨胀系数在2×10-5-3×10-5℃,广成热塑性聚酰亚胺3×10-5℃,联苯型可达10-6℃,个别品种可达10-7℃。

5、一些聚酰亚胺品种不溶于有机溶剂,对稀酸 稳定,一般的品种不大耐水解,这个看似缺点的 性能却使聚酰亚胺有别于其他高性能聚合物的一个很大的特点,即可以利用碱性水解回收原料二酐和二胺,例如对于Kapton薄膜,其回收率可达80%-90%。改变结构也可以得到相当耐水解的品种,如经得起120℃,500 小时水煮。

6、聚酰亚胺具有很高的耐辐照性能,其薄膜在 5×109rad快电子辐照后强度保持率为90%。

7、 聚酰亚胺具有良好的介电性能,介电常数为3.4左右,引入氟,或将空气纳米尺寸分散在聚酰亚胺中,介电常数可以降到2.5左右。介电损耗为10-3,介电强度为 100-300KV/mm,广成热塑性聚酰亚胺为300KV/mm,体积电阻为1017Ω/cm。这些性能在宽广的温度范围和频率范围内仍能保持在较高的水平。

8、聚酰亚胺是自熄性聚合物,发烟率低。

9、聚酰亚胺在极高的真空下放气量很少。

10、聚酰亚胺无毒,可用来制造餐具和医用器具,并经得起数千次消毒。有一些聚酰亚胺还具有很好的生物相容性,例如,在血液相容性实验为非溶血性,体外细胞毒性实验为无毒。

聚酰亚胺的合成

原料:均苯四甲酸二酐(PMDA) 、4 ,4’2二氨基二苯醚(ODA)

室温下加入反应药品(最佳配比1.015~1.020∶1),在氮气保护下,反应开始后控制在20℃左右,开环缩聚:


1、薄膜:是聚酰亚胺最早的商品之一,用于电机的槽绝缘及电缆绕包 材料。主要产品有杜邦Kapton,宇部兴产的Upilex系列和钟渊Apical。透明的聚酰亚胺薄膜可作为柔软的太阳能电池底版。

2. 涂料:作为绝缘漆用于电磁线,或作为耐高温涂料使用

3. 先进复合材料:用于航天、航空器及火箭部件。是最耐高温的结构材料之一。例如美国的超音速客机计划所设计的速度为2.4M,飞行时表面温度为177℃,要求使用寿命为60000h,据报道已确定50%的结构材料为以热塑型聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料,每架飞机的用量约为30t。

4. 纤维:弹性模量仅次于碳纤维,作为高 温介质及放射性物质的过滤材料和防弹、防火织物。

5. 泡沫塑料:用作耐高温隔热材料。

6. 工程塑料:有热固性也有热塑型,热塑型可以模压成型也可以用注射成型或传递模塑。主要用于自润滑、密封、绝缘及结构材料。广成聚酰亚胺材料已开始应用在压缩机旋片、活塞环及特种泵密封等机械部件上。

7. 胶粘剂:用作高温结构胶。广成聚酰亚胺胶粘剂作为电子元件高绝缘灌封料已生产。

8. 分离膜:用于各种气体对,如氢/氮、氮/氧、二氧化碳/氮或甲烷等的分离,从空气烃类原料气及醇类中脱除水分。也可作为渗透蒸发膜及超滤膜。由于聚酰亚胺耐热和耐有机溶剂性能,在对有机气体和液体的分离上具有特别重要的意义。

9. 光刻胶:有负性胶和正性胶,分辨率可达亚微米级。与颜料或染料配合可用于彩色滤光膜,可大大简化加工工序。

10. 在微电子器件中的应用:用作介电层进行层间绝缘,作为缓冲层可以减少应力、提高成品率。作为保护层可以减少环境对器件的影响,还可以对a-粒子起屏蔽作用,减少或消除器件的软误差(soft error)。

11. 液晶显示用的取向排列剂:聚酰亚胺在TN-LCD、SHN-LCD、TFT-CD及未来的铁电液晶显示器的取向剂材料方面都占有十分重要的地位。

12. 电-光材料:用作无源或有源波导材料光学开关材料等,含氟的聚酰亚胺在通讯波长范围内为透明,以聚酰亚胺作为发色团的基体可提高材料的稳定性。


整理:塑世界