Poly(éther)imides (PEI)

Propriétés

Les poly(éther)imides (PI, PEI) sont des thermoplastiques d’ingénierie à haute performance de couleur ambrée à transparente. Ils ont des propriétés thermiques, mécaniques et chimiques exceptionnelles et sont souvent le meilleur choix pour les applications les plus exigeantes où une très haute résistance mécanique combinée à une résistance à haute température, à la corrosion et à l’usure est requise. Par exemple, certains grades ont des températures de service continu allant jusqu’à 371°C (700°F) et conviennent à une exposition de courte durée jusqu’à 538°C (1000°F) avec une dégradation thermique minimale et une perte minimale des propriétés mécaniques. Les PEI et les PI résistent à la plupart des produits chimiques, y compris les hydrocarbures, les alcools et les solvants halogénés, et présentent une excellente résistance au fluage à long terme. Dans de nombreux cas, ils peuvent remplacer les métaux et d’autres matériaux à haute performance dans les applications structurelles. Les propriétés électriques sont d’une excellente stabilité dans des conditions variables de température, d’humidité et de fréquence.

Les autres propriétés de performance importantes comprennent :

• Résistance élevée à la traction sur une large gamme de température d’environ -.270°C à + 300°C
• Résistance élevée à la compression et résistance élevée à la pression et au fluage
• Excellente résistance à l’usure sous haute pression et à des vitesses de glissement
• Excellente résistance à la fissuration sous contrainte
• Bonnes propriétés à froid
• Température de transition vitreuse élevée jusqu’à 400°C (résines amorphes)
• Température de fusion élevée (résines semicristallines)
• Excellente stabilité thermo-oxydative à long terme
• Résistance intrinsèque aux flammes
• Dilatation thermique minimale
• Haute résistance aux radiations
• Haute pureté et faible dégazage sous vide
• Bonne résistance chimique aux acides, alcools, carburants, huiles et solvants halogénés
• Excellentes propriétés d’isolation électrique
• Faible conductivité thermique
• Bonne transformabilité (peut être extrudé, thermoformé, moulé par injection, etc.)

Cependant, les poly(éther)imides présentent également certaines limites et lacunes. Par exemple, ils sont coûteux et nécessitent des températures de traitement élevées et ils ne peuvent pas être utilisés au-dessus de leur température de transition vitreuse, à moins d’être post recuits.

SYNTHÈSE

Les poly(éther)imides sont typiquement infusibles et insolubles en raison de leur structure hétéroaromatique plane, et doivent donc être traités par la voie des solvants. Ils sont généralement préparés par un procédé en deux étapes à partir de diamines aromatiques et de dianhydrides tétracarboxyliques aromatiques. La première étape de la réaction de condensation est l’addition d’un dianhydride (dianhydride pyromellitique PMDA) à une diamine (4,4′-oxydianiline ODA) généralement à température ambiante ou basse dans un solvant aprotique dipolaire à haut point d’ébullition, tel que le diméthylsulfoxyde (DMSO), la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) ou le N,N-diméthylacétamide (DMAc). Dans certains cas, cependant, des températures plus élevées sont nécessaires. La deuxième étape est une réaction de polycyclodéshydratation du poly(acide amique) qui conduit au polyimide final avec une masse molaire différente selon la composition.

Ce procédé a été utilisé pour produire le premier polyimide d’importance commerciale significative – Kapton – qui a été synthétisé à partir de dianhydride pyromellitique (PMDA) et de 4,4′-oxydianiline (ODA). Dans ce cas, R est un groupe éther. Toutefois, R peut être un groupe quelconque.

Des polyimides de haut poids moléculaire ont également été préparés par la réaction d’un diisocyanate avec un dianhydride. Ce procédé est une autre réaction en deux étapes. La première étape est l’addition d’un dianhydride à un diisocyanate et la seconde étape est une réaction de décarbonatation qui conduit au polyimide final. Cette réaction est réalisée dans des solvants aprotiques.

Une grande variété de polyimides peut être préparée à partir d’un grand nombre de monomères. Même des variations subtiles dans la structure du dianhydride et de la diamine auront un effet significatif sur les propriétés du polyimide final telles que le degré de cristallinité, la température de transition vitreuse et le point de fusion. La rigidité de la chaîne et l’interaction chaîne-chaîne sont sans doute les facteurs les plus importants, qui dépendent du rapport et de la disposition des groupes flexibles et rigides et de la présence de groupes latéraux volumineux.

Les poly(éther)imides les plus courants sont synthétisés à partir de dianhydride pyromellitique ou de dianhydride benzophénone tétracarboxylique et de 4,4-diamino diphényléther (oxy-dianiline) ou de méthylènedianiline.

Un inconvénient majeur des méthodes ci-dessus est la présence inévitable de solvant et la formation d’eau ou de dioxyde de carbone pendant la réaction de condensation. Les produits de condensation et le solvant doivent être entièrement éliminés avant le post-traitement de la résine pour obtenir des propriétés de haute performance.

Polyétherimides commerciaux

Les résines de poly(éther)imide (PEI) sont fabriquées par SABIC sous le nom commercial ULTEM, suite à l’acquisition de la division Plastiques de General Electric en 2007. Les résines PEI sont également produites par Dupont et sont vendues sous le nom commercial Kapton. Ces résines sont disponibles dans des couleurs personnalisées transparentes et opaques, ainsi que chargées de verre. Les polyimides les plus courants sont synthétisés à partir de dianhydride pyromellitique et d’éther 4,4-diamino diphénylique ou d’étherdiamines similaires (type Kapton). Cependant, certaines entreprises produisent d’autres poly(éther)imides pour des exigences encore plus élevées en matière de chaleur, de chimie et/ou d’élasticité.

Applications

Les poly(éther)imides sont souvent un excellent choix pour des applications exigeantes dans l’aérospatiale et les transports. Ils trouvent également de nombreuses applications dans l’industrie de l’électronique et des circuits intégrés car ils répondent aux spécifications de matériaux les plus exigeantes et les plus strictes. D’autres applications importantes comprennent les boîtiers de sondes, les cadres d’imprimantes à cartes numériques, les ressorts hélicoïdaux et les protections de câbles.

En raison de leur prix élevé, les polyimides et les polyétherimides ne sont généralement utilisés que lorsque des propriétés exceptionnelles sont requises.

La plage de température de service typique des polyétherimides est d’environ -270°C à + 300°C.