Poly(ether)imide (PEI)

Eigenschaften

Poly(ether)imide (PI, PEI) sind hochleistungsfähige technische Thermoplaste von bernsteinfarbener bis transparenter Farbe. Sie haben hervorragende thermische, mechanische und chemische Eigenschaften und sind oft die beste Wahl für die anspruchsvollsten Anwendungen, bei denen eine sehr hohe mechanische Festigkeit in Kombination mit hoher Temperatur-, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit erforderlich ist. Einige Sorten haben beispielsweise eine Dauergebrauchstemperatur von bis zu 371 °C (700 °F) und eignen sich für eine kurzzeitige Belastung von bis zu 538 °C (1000 °F) bei minimaler thermischer Zersetzung und minimalem Verlust der mechanischen Eigenschaften. PEIs und PIs widerstehen den meisten Chemikalien, einschließlich Kohlenwasserstoffen, Alkoholen und halogenierten Lösungsmitteln, und haben eine ausgezeichnete Langzeit-Kriechbeständigkeit. In vielen Fällen können sie Metalle und andere Hochleistungswerkstoffe in strukturellen Anwendungen ersetzen. Die elektrischen Eigenschaften sind unter variablen Temperatur-, Feuchtigkeits- und Frequenzbedingungen von ausgezeichneter Stabilität.

Weitere wichtige Leistungseigenschaften sind:

• Hohe Zugfestigkeit über einen weiten Temperaturbereich von etwa -270°C bis + 300°C
• Hohe Druckfestigkeit und hohe Druck- und Kriechbeständigkeit
• Hervorragende Verschleißfestigkeit unter hohem Druck und bei hohen Gleitgeschwindigkeiten
• Hervorragende Beständigkeit gegen Spannungsrisse
• Gute Kalttemperatureigenschaften
• Hohe Glasübergangstemperatur bis 400°C (amorphe Harze)
• Hohe Schmelztemperatur (teilkristallinekristalline Harze)
• Hervorragende thermisch-oxidative Langzeitstabilität
• Inhärent flammhemmend
• Minimale thermische Ausdehnung
• Hohe Strahlungsbeständigkeit
• Hohe Reinheit und geringe Ausgasung im Vakuum
• Gute chemische Beständigkeit gegen Säuren, Alkohole, Kraftstoffe, Öle und halogenierte Lösungsmittel
• Hervorragende elektrische Isolationseigenschaften
• Niedrige Wärmeleitfähigkeit
• Gute Verarbeitbarkeit (kann extrudiert, thermogeformt, spritzgegossen werden, etc.)

Poly(ether)imide haben jedoch auch einige Einschränkungen und Mängel. So sind sie beispielsweise teuer und erfordern hohe Verarbeitungstemperaturen, und sie können nicht oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur verwendet werden, es sei denn, sie werden nachgetempert.

SYNTHESE

Poly(ether)imide sind aufgrund ihrer planaren heteroaromatischen Struktur typischerweise unschmelzbar und unlöslich und müssen daher über einen Lösungsmittelweg verarbeitet werden. Sie werden im Allgemeinen in einem zweistufigen Verfahren aus aromatischen Diaminen und aromatischen Tetracarbonsäuredianhydriden hergestellt. Der erste Schritt der Kondensationsreaktion ist die Addition eines Dianhydrids (Pyromellitsäuredianhydrid PMDA) an ein Diamin (4,4′-Oxydianilin ODA), üblicherweise bei Raumtemperatur oder niedrigen Temperaturen in einem hochsiedenden dipolaren aprotischen Lösungsmittel wie Dimethylsulfoxid (DMSO), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) oder N,N-Dimethylacetamid (DMAc). In manchen Fällen sind jedoch höhere Temperaturen erforderlich. Der zweite Schritt ist eine Polycyclodehydratisierungsreaktion der Poly(amidsäure), die zum endgültigen Polyimid mit unterschiedlicher Molmasse je nach Zusammensetzung führt.

Dieses Verfahren wurde zur Herstellung des ersten Polyimids von erheblicher kommerzieller Bedeutung – Kapton – verwendet, das aus Pyromellitsäuredianhydrid (PMDA) und 4,4′-Oxydianilin (ODA) synthetisiert wurde. In diesem Fall ist R eine Ethergruppe. R kann jedoch eine beliebige Gruppe sein.

Polyimide mit hohem Molekulargewicht wurden auch durch die Reaktion eines Diisocyanats mit einem Dianhydrid hergestellt. Dieses Verfahren ist ebenfalls eine zweistufige Reaktion. Der erste Schritt ist die Addition eines Dianhydrids an ein Diisocyanat und der zweite Schritt ist eine Dekarbonisierungsreaktion, die zum fertigen Polyimid führt. Diese Reaktion wird in aprotischen Lösungsmitteln durchgeführt.

Aus einer großen Anzahl von Monomeren kann eine große Vielfalt von Polyimiden hergestellt werden. Selbst geringfügige Variationen in der Struktur des Dianhydrids und des Diamins haben erhebliche Auswirkungen auf die Eigenschaften des fertigen Polyimids, wie z. B. Kristallinitätsgrad, Glasübergangstemperatur und Schmelzpunkt. Die Kettensteifigkeit und die Ketten-Ketten-Wechselwirkung sind zweifellos die wichtigsten Faktoren, die vom Verhältnis und der Anordnung der flexiblen und starren Gruppen und dem Vorhandensein von sperrigen Seitengruppen abhängen.

Die gebräuchlichsten Poly(ether)imide werden aus Pyromellitsäuredianhydrid oder Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid und 4,4-Diamino-Diphenylether (Oxydianilin) oder Methylendianilin synthetisiert.

Ein großer Nachteil der oben genannten Methoden ist die unvermeidliche Anwesenheit von Lösungsmittel und die Bildung von Wasser oder Kohlendioxid während der Kondensationsreaktion. Sowohl die Kondensationsprodukte als auch das Lösungsmittel müssen vor der Nachbearbeitung des Harzes vollständig entfernt werden, um hohe Leistungseigenschaften zu erzielen.

HANDELSübliche Polyetherimide

Poly(ether)imid (PEI)-Harze werden von SABIC unter dem Markennamen ULTEM hergestellt, der aus der Übernahme der General Electric Plastics Division im Jahr 2007 stammt. PEI-Harze werden auch von Dupont hergestellt und unter dem Markennamen Kapton verkauft. Die Harze sind in transparenten und undurchsichtigen kundenspezifischen Farben sowie mit Glasfüllung erhältlich. Die gängigsten Polyimide werden aus Pyromellitsäuredianhydrid und 4,4-Diamino-Diphenylether oder ähnlichen Etherdiaminen (Kapton-Typ) synthetisiert. Einige Unternehmen stellen jedoch auch andere Poly(ether)imide für noch höhere Anforderungen an Hitze, Chemikalien und/oder Elastizität her.

Anwendungen

Poly(ether)imide sind oft eine ausgezeichnete Wahl für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Transportwesen. Auch in der Elektronikindustrie und bei integrierten Schaltkreisen finden sie zahlreiche Anwendungen, da sie die anspruchsvollsten und strengsten Materialspezifikationen erfüllen. Einige andere wichtige Anwendungen sind Sondengehäuse, Rahmen für digitale Kartendrucker, Spiralfedern und Kabelschutzvorrichtungen.

Aufgrund ihres hohen Preises werden Polyimide und Polyetherimide in der Regel nur verwendet, wenn herausragende Eigenschaften erforderlich sind.

Der typische Einsatztemperaturbereich von Polyetherimiden liegt bei etwa -270°C bis + 300°C.