Poli(eter)imidy (PEI)

Właściwości

Poli(eter)imidy (PI, PEI) są wysokowydajnymi termoplastami inżynieryjnymi o barwie od bursztynowej do przezroczystej. Mają doskonałe właściwości termiczne, mechaniczne i chemiczne i często są najlepszym wyborem dla najbardziej wymagających zastosowań, gdzie wymagana jest bardzo wysoka wytrzymałość mechaniczna w połączeniu z wysoką temperaturą, odpornością na korozję i zużycie. Na przykład, niektóre gatunki mogą pracować w temperaturach do 371°C (700°F) i są odpowiednie do krótkotrwałej ekspozycji w temperaturach do 538°C (1000°F) przy minimalnej degradacji termicznej i minimalnej utracie właściwości mechanicznych. PEI i PI są odporne na działanie większości chemikaliów, w tym węglowodorów, alkoholi i rozpuszczalników chlorowcowanych oraz posiadają doskonałą odporność na długotrwałe pełzanie. W wielu przypadkach mogą one zastąpić metale i inne materiały o wysokiej wydajności w zastosowaniach strukturalnych. Właściwości elektryczne są doskonale stabilne w warunkach zmiennej temperatury, wilgotności i częstotliwości.

Inne ważne właściwości użytkowe obejmują:

• Wysoką wytrzymałość na rozciąganie w szerokim zakresie temperatur od ok.270°C do + 300°C
• Wysoką wytrzymałość na ściskanie oraz odporność na wysokie ciśnienie i pełzanie
• Doskonałą odporność na zużycie przy wysokim ciśnieniu i prędkościach ślizgowych
• Doskonałą odporność na pękanie naprężeniowe
• Dobre właściwości w niskich temperaturach
• Wysoką temperaturę zeszklenia do 400°C (żywice amorficzne)
• Wysoką temperaturę topnienia (żywice półŻywice półkrystaliczne)
• Doskonała długoterminowa stabilność termiczno-oksydacyjna
• Niezwykła trudnopalność
• Minimalna rozszerzalność cieplna
• Wysoka odporność na promieniowanie
• Wysoka czystość i niskie odgazowanie w próżni
• Dobra odporność chemiczna na kwasy, alkohole, paliwa, oleje i rozpuszczalniki chlorowcowane
• Doskonałe właściwości izolacji elektrycznej
• Niska przewodność cieplna
• Dobra przetwarzalność (może być wytłaczany, termoformowany, formowany wtryskowo itp.)

Jednakże, poli(etero)imidy mają również pewne ograniczenia i niedociągnięcia. Na przykład, są drogie i wymagają wysokich temperatur przetwarzania i nie mogą być stosowane powyżej ich temperatury zeszklenia, chyba że po wyżarzaniu.

SYNTEZA

Poli(etero)imidy są zwykle nieciekłe i nierozpuszczalne z powodu ich planarnej struktury heteroaromatycznej i dlatego muszą być przetwarzane na drodze rozpuszczalnikowej. Zazwyczaj są one otrzymywane w dwuetapowym procesie z aromatycznych diamin i aromatycznych dibezwodników tetrakarboksylowych. Pierwszy etap reakcji kondensacji polega na dodaniu dibezwodnika (dibezwodnika piromelitowego PMDA) do diaminy (4,4′-oksydianiliny ODA) zwykle w temperaturze otoczenia lub niskiej temperaturze w wysokowrzącym dipolarnym rozpuszczalniku aprotycznym, takim jak dimetylosulfotlenek (DMSO), N-metylo-2-pirolidon (NMP) lub N,N-dimetyloacetamid (DMAc). W niektórych przypadkach wymagane są jednak wyższe temperatury. Drugim etapem jest reakcja policyklicznej dehydratacji poli(kwasu amonowego), która prowadzi do otrzymania końcowego poliimidu o różnej masie molowej w zależności od składu.

Proces ten został wykorzystany do produkcji pierwszego poliimidu o istotnym znaczeniu handlowym – Kaptonu – który został zsyntetyzowany z dibezwodnika piromelitowego (PMDA) i 4,4′-oksydianiliny (ODA). W tym przypadku R jest grupą eterową. Jednakże, R może być dowolną grupą.

Poliimidy o dużym ciężarze cząsteczkowym otrzymywano również w wyniku reakcji diizocyjanianu z dibezwodnikiem. Proces ten jest kolejną reakcją dwuetapową. Pierwszy etap polega na dodaniu dibezwodnika do diizocyjanianu, a drugi etap to reakcja dekarbonizacji, która prowadzi do otrzymania końcowego poliimidu. Reakcję tę prowadzi się w rozpuszczalnikach aprotycznych.

Duża różnorodność poliimidów może być przygotowana z dużej liczby monomerów. Nawet subtelne różnice w strukturze dibezwodnika i diaminy będą miały znaczący wpływ na właściwości końcowego poliimidu, takie jak stopień krystaliczności, temperatura zeszklenia i temperatura topnienia. Sztywność łańcucha i interakcja łańcuch-łańcuch są niewątpliwie najważniejszymi czynnikami, które zależą od stosunku i rozmieszczenia grup giętkich i sztywnych oraz obecności nieporęcznych grup bocznych.

Najczęstsze poli(etero)imidy są syntetyzowane z dibezwodnika piromelitowego lub dibezwodnika tetrakarboksylowego benzofenonu i eteru 4,4-diamino difenylowego (oksy-dianiliny) lub metylenodianiliny.

Poważną wadą powyższych metod jest nieunikniona obecność rozpuszczalnika i tworzenie się wody lub ditlenku węgla podczas reakcji kondensacji. Zarówno produkty kondensacji, jak i rozpuszczalnik muszą być całkowicie usunięte przed przetworzeniem żywicy, aby uzyskać wysokie właściwości użytkowe.

POLIETEROIMIDY KOMERCYJNE

Żywice polieteroimidowe (PEI) są produkowane przez firmę SABIC pod nazwą handlową ULTEM, w wyniku przejęcia działu tworzyw sztucznych firmy General Electric w 2007 roku. Żywice PEI są również produkowane przez firmę Dupont i sprzedawane pod nazwą handlową Kapton. Żywice te są dostępne w kolorach przezroczystych i nieprzezroczystych, a także z wypełnieniem szklanym. Najpopularniejsze poliimidy są syntetyzowane z dibezwodnika piromelitowego i eteru 4,4-diamino difenylowego lub podobnych eterodiamin (typ Kapton). Jednakże niektóre firmy produkują inne poli(etero)imidy dla jeszcze wyższych wymagań cieplnych, chemicznych i/lub elastyczności.

Zastosowania

Poli(etero)imidy są często doskonałym wyborem dla wymagających zastosowań w przemyśle lotniczym i transportowym. Znajdują one również wiele zastosowań w przemyśle elektronicznym i układów scalonych, ponieważ spełniają najbardziej wymagające i surowe specyfikacje materiałowe. Niektóre inne ważne zastosowania obejmują obudowy sond, ramy drukarek kart cyfrowych, sprężyny śrubowe i osłony kabli.

Z powodu ich wysokiej ceny, poliimidy i polieteroimidy są zwykle używane tylko wtedy, gdy wymagane są wyjątkowe właściwości.

Typowy zakres temperatur użytkowania polieteroimidów wynosi około -270°C do + 300°C.