Poly(eetteri)imidit (PEI)

Ominaisuudet

Poly(eetteri)imidit (PI, PEI) ovat korkean suorituskyvyn teknisiä kestomuoveja, joiden väri vaihtelee meripihkasta läpinäkyvään. Niillä on erinomaiset termiset, mekaaniset ja kemialliset ominaisuudet, ja ne ovat usein paras valinta vaativimpiin sovelluksiin, joissa vaaditaan erittäin suurta mekaanista lujuutta yhdistettynä korkeaan lämpötilan, korroosion ja kulumisen kestävyyteen. Esimerkiksi joidenkin laatujen jatkuva käyttölämpötila on jopa 371 °C (700 °F), ja ne soveltuvat lyhytaikaiseen altistukseen jopa 538 °C (1000 °F) lämpötilaan, jolloin lämpöominaisuudet heikkenevät vain vähän ja mekaaniset ominaisuudet heikkenevät vain vähän. PEI:t ja PI:t kestävät useimpia kemikaaleja, kuten hiilivetyjä, alkoholeja ja halogenoituja liuottimia, ja niillä on erinomainen pitkäaikainen virumiskestävyys. Monissa tapauksissa ne voivat korvata metalleja ja muita korkean suorituskyvyn materiaaleja rakennesovelluksissa. Sähköiset ominaisuudet ovat erinomaisen vakaita vaihtelevissa lämpötila-, kosteus- ja taajuusolosuhteissa.

Muita tärkeitä suorituskykyominaisuuksia ovat mm:

• Suuri vetolujuus laajalla lämpötila-alueella, joka on noin -270 °C:sta + 300 °C:een
• Suuri puristuslujuus ja suuri paine- ja virumiskestävyys
• Erinomainen kulumiskestävyys suuressa paineessa ja suurilla liukunopeuksilla
• Erinomainen kestävyys jännityshalkeilua vastaan
• Hyvät kylmälämpötilaominaisuudet
• korkea lasittumislämpötila 400 °C:n lämpötilaan asti (amorfiset hartsit)
• Korkea sulamislämpötila (puoliksi…kiteiset hartsit)
• Erinomainen pitkäaikainen lämpö-oksidatiivinen stabiilisuus
• Luonnostaan palonestävä
• minimaalinen lämpölaajeneminen
• korkea säteilynkestävyys
• korkea puhtaus ja vähäinen kaasunpoisto tyhjiössä
• hyvä kemiallinen kestävyys happoja vastaan, alkoholeille, polttoaineille, öljyille ja halogenoiduille liuottimille
• Erinomaiset sähköiset eristysominaisuudet
• Alhainen lämmönjohtavuus
• Hyvä prosessoitavuus (voidaan suulakepuristaa, lämpömuovata, ruiskuvalaa jne.)

Poly(eetteri)imideillä on kuitenkin myös joitakin rajoituksia ja puutteita. Ne ovat esimerkiksi kalliita ja vaativat korkeita käsittelylämpötiloja, eikä niitä voida käyttää lasittumislämpötilan yläpuolella, ellei niitä ole jälkihehmitetty.

SYNTEESI

Poly(eetteri)imidit ovat tyypillisesti sulamattomia ja liukenemattomia planaarisen heteroaromaattisen rakenteensa vuoksi, ja sen vuoksi ne on prosessoitava liuotinreittiä pitkin. Ne valmistetaan yleensä kaksivaiheisella prosessilla aromaattisista diamiineista ja aromaattisista tetrakarboksyylidianhydrideistä. Kondensaatioreaktion ensimmäisessä vaiheessa dianhydridi (pyromellitiittidianhydridi PMDA) lisätään diamiiniin (4,4′-oksydianiliini ODA) yleensä huoneenlämmössä tai alhaisissa lämpötiloissa korkeakiehuvassa dipolaarisessa aprotisessa liuottimessa, kuten dimetyylisulfoksidissa (DMSO), N-metyyli-2-pyrrolidonissa (NMP) tai N,N-dimetyyliasetamidissa (N,N-dimetyyliasetamidi). Joissakin tapauksissa tarvitaan kuitenkin korkeampia lämpötiloja. Toinen vaihe on poly(amiinihapon) polysyklodehydraatioreaktio, joka johtaa lopulliseen polyimidiin, jonka molaarinen massa vaihtelee koostumuksesta riippuen.

Tätä prosessia hyödynnettiin ensimmäisen merkittävän kaupallisen merkityksen omaavan polyimidin – Kaptonin – valmistuksessa, joka syntetisoitiin pyromellitiittidianhydridistä (PMDA) ja 4,4′-oksydianiliinista (ODA). Tässä tapauksessa R on eetteriryhmä. R voi kuitenkin olla mikä tahansa ryhmä.

Korkeamolekyylipainoisia polyimidejä on myös valmistettu reagoimalla diisosyanaatin ja dianhydridin kanssa. Tämäkin prosessi on kaksivaiheinen reaktio. Ensimmäinen vaihe on dianhydridin lisääminen diisosyanaattiin ja toinen vaihe on dekarbonointireaktio, joka johtaa lopulliseen polyimidiin. Tämä reaktio suoritetaan aprotisissa liuottimissa.

Lukuisia erilaisia polyimidejä voidaan valmistaa monista monomeereistä. Pienetkin vaihtelut dianhydridin ja diamiinin rakenteessa vaikuttavat merkittävästi lopullisen polyimidin ominaisuuksiin, kuten kiteisyysasteeseen, lasittumislämpötilaan ja sulamispisteeseen. Ketjun jäykkyys ja ketjun ja ketjun välinen vuorovaikutus ovat epäilemättä tärkeimmät tekijät, jotka riippuvat joustavien ja jäykkien ryhmien suhteesta ja sijoittelusta sekä tilaa vievien sivuryhmien läsnäolosta.

Yleisimmät poly(eetteri)imidit syntetisoidaan pyromelliittidianhydridistä tai bentsofenonitetrakarboksyylidianhydridistä ja 4,4-diaminodifenyylieetteristä (oksidianiliini) tai metyleenidianiliinistä.

Yllämainittujen menetelmien suurimpana haittapuolena on liuottimen väistämätön läsnäolo ja veden tai hiilidioksidin muodostuminen kondensaatioreaktion aikana. Sekä kondensaatiotuotteet että liuotin on poistettava kokonaan ennen hartsin jälkikäsittelyä, jotta saavutetaan korkeat suorituskykyominaisuudet.

KAUPALLISET polyeetterimidit

Poly(eetteri)imidihartseja (PEI) valmistetaan SABICin toimesta kauppanimellä ULTEM, joka on seurausta General Electric Plastics -divisioonan ostamisesta vuonna 2007. Myös Dupont valmistaa PEI-hartseja, joita myydään kauppanimellä Kapton. Hartseja on saatavana läpinäkyvinä ja läpinäkymättöminä erikoisväreinä sekä lasitäytteisinä. Yleisimmät polyimidit syntetisoidaan pyromelliittidianhydridistä ja 4,4-diaminodifenyylieetteristä tai vastaavista eetteridiamiineista (Kapton-tyyppi). Jotkut yritykset valmistavat kuitenkin muitakin poly(eetteri)imidejä vielä korkeampiin lämpö-, kemikaali- ja/tai elastisuusvaatimuksiin.

Sovellukset

Poly(eetteri)imidit ovat usein erinomainen valinta vaativiin sovelluksiin ilmailu- ja avaruusalalla sekä kuljetusalalla. Niille on myös monia sovelluksia elektroniikka- ja integroidun piirin teollisuudessa, koska ne täyttävät vaativimmat ja tiukimmat materiaalierittelyt. Joitakin muita tärkeitä käyttökohteita ovat esimerkiksi anturien kotelot, digitaalisten korttitulostimien kehykset, kierrejouset ja kaapelin suojukset.

Korkean hintansa vuoksi polyimidejä ja polyeetterimidejä käytetään yleensä vain silloin, kun vaaditaan erinomaisia ominaisuuksia.

Polyeetterimidien tyypillinen käyttölämpötila-alue on noin -270 °C:n lämpötilasta noin 300 °C:n lämpötilaan asti.