Poly(eter)imider (PEI)

Egenskaper

Poly(eter)imider (PI, PEI) är högpresterande tekniska termoplaster av bärnstensfärgad till transparent färg. De har enastående termiska, mekaniska och kemiska egenskaper och är ofta det bästa valet för de mest krävande tillämpningar där mycket hög mekanisk styrka i kombination med hög temperatur-, korrosions- och slitstyrka krävs. Vissa kvaliteter har till exempel en kontinuerlig servicetemperatur på upp till 371 °C (700 °F) och är lämpliga för kortvarig exponering upp till 538 °C (1000 °F) med minimal termisk nedbrytning och minimal förlust av mekaniska egenskaper. PEI och PIs är motståndskraftiga mot de flesta kemikalier, inklusive kolväten, alkoholer och halogenerade lösningsmedel, och har en utmärkt långtidsbeständighet mot krypning. I många fall kan de ersätta metaller och andra högpresterande material i strukturella tillämpningar. De elektriska egenskaperna är mycket stabila under varierande temperatur-, fukt- och frekvensförhållanden.

Andra viktiga prestandaegenskaper är bland annat:

• Hög draghållfasthet över ett brett temperaturområde på ca.270°C till + 300°C
• Hög tryckhållfasthet och hög tryck- och krypbeständighet
• Utmärkt motståndskraft mot slitage under högt tryck och höga glidhastigheter
• Utmärkt motståndskraft mot spänningsbrott
• Goda kalltemperaturegenskaper
• Hög glasomvandlingstemperatur upp till 400°C (amorfa hartsarmeringar)
• Hög smälttemperatur (semi-kristallina hartser)
• Utmärkt långsiktig termisk-oxidativ stabilitet
• Inherent flamskydd
• Minimal termisk expansion
• Hög strålningsbeständighet
• Hög renhet och låg avgasning i vakuum
• God kemisk beständighet mot syror, alkoholer, bränslen, oljor och halogenerade lösningsmedel
• Utmärkta elektriska isoleringsegenskaper
• Låg värmeledningsförmåga
• Goda bearbetningsmöjligheter (kan extruderas, varmformas, formsprutas osv.).)

Poly(eter)imider har dock också vissa begränsningar och brister. De är till exempel dyra och kräver höga bearbetningstemperaturer och kan inte användas över sin glasövergångstemperatur om de inte efterglöds.

SYNTHESIS

Poly(eter)imider är typiskt sett osmältbara och olösliga på grund av sin plana hetero-aromatiska struktur och måste därför bearbetas via en lösningsmedelsväg. De framställs i allmänhet genom en tvåstegsprocess från aromatiska diaminer och aromatiska tetrakarboxyldianhydrider. I kondensationsreaktionens första steg adderas en dianhydrid (pyromellitisk dianhydrid PMDA) till en diamin (4,4′-oxydianilin ODA), vanligen vid omgivande eller låg temperatur i ett högkokande dipolärt aprotiskt lösningsmedel, t.ex. dimetylsulfoxid (DMSO), N-metyl-2-pyrrolidon (NMP) eller N,N-dimetylacetamid (DMAc). I vissa fall krävs dock högre temperaturer. Det andra steget är en polycyklodehydreringsreaktion av poly(aminsyran) som leder till den slutliga polyimiden med olika molmassa beroende på sammansättningen.

Denna process utnyttjades för att framställa den första polyimiden av betydande kommersiell betydelse – Kapton – som syntetiserades från pyromellitdianhydrid (PMDA) och 4,4′-oxydianilin (ODA). I detta fall är R en etergrupp. R kan dock vara vilken grupp som helst.

Polyimider med hög molekylvikt har också framställts genom reaktion av en diisocyanat med en dianhydrid. Denna process är ytterligare en reaktion i två steg. Det första steget är additionen av en dianhydrid till en diisocyanat och det andra steget är en dekarboniseringsreaktion som leder till den slutliga polyimiden. Denna reaktion utförs i aprotiska lösningsmedel.

En stor mängd polyimider kan framställas från ett stort antal monomerer. Även subtila variationer i strukturen hos dianhydrid och diamin kommer att ha en betydande effekt på egenskaperna hos den slutliga polyimiden, såsom kristallinitetsgrad, glasövergångstemperatur och smältpunkt. Kedjans styvhet och interaktion mellan kedja och kedja är utan tvekan de viktigaste faktorerna, som beror på förhållandet och arrangemanget av flexibla och styva grupper och förekomsten av skrymmande sidogrupper.

De vanligaste poly(eter)imiderna syntetiseras från pyromellitisk dianhydrid eller bensofenontetrakarboxyldianhydrid och 4,4-diaminodifenyleter (oxydianilin) eller metylendianilin.

En stor nackdel med metoderna ovan är den oundvikliga närvaron av lösningsmedel och bildandet av vatten eller koldioxid under kondensationsreaktionen. Både kondensationsprodukterna och lösningsmedlet måste avlägsnas fullständigt före efterbehandling av hartset för att uppnå högpresterande egenskaper.

KOMMERSIELLT Polyeterimider

Poly(eter)imid (PEI)-hartser tillverkas av SABIC under handelsnamnet ULTEM, som ett resultat av förvärvet av General Electric Plastics Division 2007. PEI-hartser tillverkas också av Dupont och säljs under varumärket Kapton. Hartsarna finns i genomskinliga och ogenomskinliga anpassade färger samt glasfyllda. De vanligaste polyimiderna syntetiseras från pyromellitisk dianhydrid och 4,4-diaminodifenyleter eller liknande eterdiaminer (Kapton-typ). Vissa företag tillverkar dock andra poly(eter)imider för ännu högre krav på värme, kemikalier och/eller elasticitet.

Användningar

Poly(eter)imider är ofta ett utmärkt val för krävande tillämpningar inom flyg- och transportindustrin. De finner också många tillämpningar inom elektronik- och integrerade kretsar eftersom de uppfyller de mest krävande och strikta materialspecifikationerna. Några andra viktiga tillämpningar är sondhus, ramar för digitala kortskrivare, spiralfjädrar och kabelskydd.

På grund av deras höga pris används polyimider och polyeterimider vanligtvis endast när enastående egenskaper krävs.

Det typiska servicetemperaturintervallet för polyeterimider är ca -270°C till + 300°C.