Panduan Komprehensif untuk Polimida (PI): "Bahan Bottleneck."

1. Polimida—Pengenalan

Polimida ialah bahan polimer berprestasi tinggi yang dicirikan oleh cincin imida.Struktur rantai molekulnya yang tegar memberikan sifat mekanikal yang unggul.Ia juga merupakan polimer tahan suhu tinggi, biasanya mengekalkan sifat fizikal utamanya untuk jangka masa pendek pada 550 ℃ dan mampu digunakan untuk jangka panjang pada suhu hampir 330 ℃.Resin polimida telah diindustrikan selama setengah abad, memainkan peranan penting dalam bidang berteknologi tinggi sebagai matriks untuk plastik kejuruteraan dan bahan komposit.
Polimida mempunyai rintangan sinaran yang sangat baik, rintangan kakisan, rintangan suhu tinggi dan rendah, kestabilan kimia, sifat mekanikal, dan sifat dielektrik.Bersama dengan gentian karbon dan gentian aramid, ia dianggap sebagai salah satu daripada tiga bahan polimer "bottleneck" utama yang menyekat pembangunan industri berteknologi tinggi di negara saya.Prestasi komprehensif PI berada di kedudukan teratas dalam piramid bahan polimer berprestasi tinggi, dan ia telah digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang berteknologi tinggi seperti aeroangkasa, elektronik, pengangkutan, tenaga dan pertahanan.

2. Polimida - Sifat Unik

PI ialah polimer heterosiklik yang mengandungi kumpulan imida (—R—CO—NH—CO—R'—) dalam molekulnya, dan merupakan salah satu polimer dengan prestasi keseluruhan tertinggi setakat ini.PI mempamerkan rintangan suhu tinggi (suhu penguraian terma ≥ 500℃) dan rintangan suhu rendah (turun hingga -269℃), dengan julat suhu operasi jangka panjang -200~300℃;pekali pengembangan termanya hanya 10⁻⁵~10⁻⁷ ℃⁻¹;pemalar dielektriknya pada 1000Hz ialah 4.0, kehilangan dielektrik hanya 0.004~0.007, dan kerintangan isipadunya ialah 10⁵ Ω·m, mengklasifikasikannya sebagai penebat F~H;kekuatan tegangannya ialah 100~400 MPa, dan modulus elastik gentiannya secara teori boleh mencapai 500 GPa, kedua selepas gentian karbon (700 GPa);di samping itu, ia mempunyai kelebihan seperti rintangan sinaran, kalis api dan sifat pemadaman sendiri, dan biokompatibiliti.Prestasi keseluruhan PI berada di bahagian atas piramid bahan polimer berprestasi tinggi (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2).

Rajah 2. Piramid Bahan Polimer Berprestasi Tinggi

Sifat unik polimida boleh diringkaskan seperti berikut:

(1) Suhu Penguraian Terma

Menurut analisis termogravimetrik, suhu penguraian awal polimida aromatik sepenuhnya biasanya sekitar 500 °C.Polimida yang disintesis daripada bifenil dianhidrida dan p-phenylenediamine mempunyai suhu penguraian terma 600 ℃, menjadikannya salah satu polimer yang paling stabil dari segi haba setakat ini.

(2) Rintangan Suhu Tinggi

Ia boleh menahan suhu melebihi 400 ℃, dengan julat suhu operasi jangka panjang -200 hingga 300 ℃ dan tiada takat lebur yang jelas.

(3) Rintangan Suhu Rendah yang melampau

Ia boleh menahan suhu yang sangat rendah, seperti kekal rapuh dalam hidrogen cecair pada suhu mutlak 4K (-269 ℃).

(4) Sifat Mekanikal

Kekuatan tegangan polimida tidak terisi adalah melebihi 100 MPa.Filem Kapton polyimide mempunyai kekuatan 250 MPa, manakala filem polimida Upilex-S mencapai 530 MPa.Sebagai plastik kejuruteraan, modulus keanjalannya biasanya 3-4 GPa.Penyelidik Rusia telah melaporkan bahawa gentian yang dipintal daripada polimida kopolimer boleh mencapai kekuatan 5.1-6.4 GPa dan moduli 220-340 GPa.Pengiraan teori menunjukkan bahawa gentian polimida yang disintesis daripada pyromellitic dianhydride dan p-phenylenediamine boleh mencapai modulus sehingga 500 GPa, kedua selepas gentian karbon.

(5) Rintangan Hidrolisis

Polimida agak stabil untuk mencairkan asid, tetapi kebanyakan varieti tidak begitu tahan terhadap hidrolisis, terutamanya hidrolisis alkali.Sifat yang nampaknya merugikan ini memberikan polimida kelebihan yang ketara berbanding polimer berprestasi tinggi yang lain: keupayaan untuk memulihkan dianhidrida dan diamina daripada bahan mentahnya melalui hidrolisis alkali.Sebagai contoh, kadar pemulihan bagi filem Kapto boleh mencapai 90%.Mengubah suai struktur juga boleh menghasilkan varieti dengan rintangan hidrolisis yang besar, walaupun selepas mendidih dalam air pada suhu 120°C selama 500 jam.Walau bagaimanapun, seperti polimer aromatik lain, polimida tidak tahan kepada asid sulfurik pekat, asid nitrik dan halogen.

(6) Rintangan Asid dan Pelarut

Polimida mempunyai spektrum keterlarutan yang luas.Bergantung pada strukturnya, sesetengah jenis hampir tidak larut dalam semua pelarut organik, manakala yang lain larut dalam pelarut biasa seperti tetrahidrogen, aseton, kloroform, dan juga toluena dan metanol.Seperti polimer aromatik lain, polimida tidak tahan terhadap asid sulfurik pekat, asid nitrik dan halogen.

(7) Pekali Pengembangan Terma

Pekali pengembangan terma polimida adalah antara 2x10⁻⁵ dan 3x10⁻⁵ °C⁻¹, manakala polimida jenis bifenil boleh mencapai 10⁻⁶ °C⁻¹, setanding dengan logam.Sesetengah jenis malah boleh mencapai 10⁻⁷ °C⁻¹.

(8) Rintangan Sinaran

Polimida mempamerkan rintangan sinaran yang tinggi.Filemnya mengekalkan 86% kekuatannya walaupun selepas menyerap dos 5 × 10⁷ Gy.Serat polimida mengekalkan 90% kekuatannya selepas penyinaran dengan elektron 1 × 10⁸ Gy.

(9) Sifat Dielektrik

Polimida mempunyai sifat dielektrik yang sangat baik.Pemalar dielektrik polimida aromatik biasa adalah sekitar 3.4.Memperkenalkan fluorin, kumpulan sampingan yang besar, atau menyebarkan udara pada skala nano dalam polimida boleh mengurangkan pemalar dielektrik kepada sekitar 2.5.Kehilangan dielektrik ialah 10⁻³, kekuatan dielektrik ialah 100~300 kV/mm, dan kerintangan isipadu ialah 10¹⁷ Ω·cm.Sifat ini kekal tinggi dalam julat suhu dan frekuensi yang luas.

(10) Sifat Kalis Api

Pemadaman sendiri: Polimida secara amnya tidak membakar atau menyokong pembakaran secara spontan, menjadikannya sangat selamat untuk digunakan dalam persekitaran suhu tinggi;Pelepasan asap rendah: Polimida mempamerkan pelepasan asap yang sangat rendah semasa pembakaran suhu tinggi, yang membantu mengurangkan pembebasan asap dan gas toksik semasa kebakaran;Sisa arang tinggi: Selepas pembakaran suhu tinggi, sisa arang polimida lazimnya melebihi 50%, yang membantu mencegah penyebaran api selanjutnya.

(11) Biokeserasian

Polimida bukan toksik dan boleh digunakan untuk mengeluarkan peralatan makan dan peralatan perubatan, dan boleh menahan beribu-ribu kitaran pensterilan.Sesetengah polimida juga mempunyai biokompatibiliti yang sangat baik;contohnya, ia bukan hemolitik dalam ujian keserasian darah dan bukan toksik dalam ujian sitotoksisiti in vitro.

3. Polimida - Aplikasi

Model pemprosesan biasa untuk plastik tujuan umum dan plastik kejuruteraan melibatkan pembekal yang menyediakan resin asas, yang kemudiannya diproses menjadi pelbagai produk oleh pengeluar untuk membekalkan pasaran.Walau bagaimanapun, syarikat berkaitan PI kebanyakannya mengintegrasikan sintesis bahan dan pengacuan produk, membekalkan produk secara langsung ke pasaran.Produk PI didatangkan dalam pelbagai bentuk, termasuk filem, buburan, resin, gentian, buih dan komposit (Jadual 1), yang mempunyai kepelbagaian jenis produk yang tinggi, berada di kedudukan antara bahan polimer teratas.

Saiz pasaran polimida diunjurkan mencecah AS$5.46 bilion pada 2024 dan dijangka mencecah AS$7.6 bilion menjelang 2029, dengan CAGR sebanyak 6.84% dalam tempoh ramalan (2024-2029).
(1) Filem

Filem polimida ialah bentuk produk PI yang paling awal dikomersialkan dan terbesar, biasanya dihasilkan dengan meniru buburan PAA selepas dituang.Filem PI konvensional berwarna kuning ambar dan mempunyai sifat mekanikal yang sangat baik, sifat dielektrik, rintangan suhu tinggi dan rendah, dan rintangan sinaran, menjadikan mereka terkenal sebagai "filem emas."

Filem PI termasuk dua jenis: filem polimida pyromellitic dan filem polimida bifenil.Yang pertama, dihasilkan oleh DuPont di bawah nama dagang Kapton, diperbuat daripada anhidrida tetrakarboksilik pyromellitic dan diaminodiphenyl ether.Yang terakhir, dikeluarkan oleh Ube Industries, Ltd. di bawah nama dagang Upilex, diperbuat daripada bifenil tetrakarboksilik dianhidrida dan difenil eter diamina (jenis-R) atau m-phenylenediamine (jenis-S).

Dari perspektif teknikal, terdapat banyak jenis filem PI, termasuk filem PI hitam, filem PI kuning coklat, filem PI lutsinar dan filem PI tahan korona.Tiga yang terakhir ini terutamanya disediakan menggunakan kaedah imida kimia dan merupakan jenis aplikasi utama dalam pasaran mewah.

Mengikut kategori aplikasi yang berbeza, filem PI boleh dibahagikan kepada filem PI elektrik, filem PI elektronik, filem PI kawalan haba, filem PI aeroangkasa dan filem CPI untuk paparan fleksibel.

(2) Serat

Gentian polimida ialah gentian berprestasi tinggi yang penting.Gentian polimida tahan suhu tingginya ialah salah satu gentian sintetik organik dengan suhu operasi tertinggi, boleh digunakan pada 250~350 ℃.Ia lebih unggul daripada gentian aramid dan polifenilena sulfida dari segi rintangan cahaya, penyerapan air, dan rintangan haba.Kekuatan gentian polimida berprestasi tinggi adalah kira-kira dua kali ganda daripada aramid, menjadikannya salah satu gentian sintetik organik dengan sifat mekanikal terbaik.

Modulus keanjalan gentian polimida adalah yang kedua selepas gentian karbon, menjadikannya agen penguat untuk bahan komposit termaju.Ia juga boleh ditenun menjadi tali, fabrik atau fabrik bukan tenunan untuk digunakan dalam menapis gas dan cecair bersuhu tinggi, radioaktif atau organik, kain flas kalis api, kertas gentian, kalis peluru dan fabrik kalis api.Contoh yang paling terkenal ialah gentian polimida P84 Lenzing.

(3) Matriks Bahan Komposit Termaju

Digunakan dalam komponen struktur dan bahagian enjin untuk aeroangkasa, pesawat dan roket.Ia boleh digunakan selama beratus-ratus jam pada 380 ℃ atau lebih tinggi, dan boleh menahan tempoh singkat 400 ~ 500 ℃, menjadikannya bahan komposit berasaskan resin yang paling tahan haba.Komposit gentian karbon/polimida digunakan secara meluas dalam industri pembuatan pesawat.Komposit bertetulang gentian karbon dengan bahan matriks polimida seperti BMI dan PMR-15 boleh digunakan untuk menghasilkan penutup enjin pesawat, saluran pengudaraan dan bilah kipas enjin.

(4) Plastik Kejuruteraan

Ini termasuk kedua-dua bahan termoset dan termoplastik, dan boleh diacu, disuntik, atau diacuan dipindahkan.Ia digunakan terutamanya untuk pelinciran diri, pengedap, penebat, dan bahan struktur.Plastik kejuruteraan super, yang diwakili oleh Vespel DuPont, boleh digunakan untuk kegunaan jangka panjang dalam julat suhu yang sangat luas dari suhu rendah hingga tinggi dan mempunyai rintangan haus yang sangat baik.Oleh itu, ia boleh digunakan sebagai komponen untuk enjin pesawat, dan juga digunakan dalam industri automotif, satelit dan jentera.

(5) Salutan

Ia digunakan sebagai varnis penebat untuk wayar elektromagnet atau sebagai salutan tahan suhu tinggi.

(6) Plastik Berbuih

Ia digunakan sebagai penebat haba dan bahan penebat bunyi untuk suhu tinggi dan ultrarendah.

(7) Membran Pemisahan

Membran pemisah PI digunakan untuk pengasingan pelbagai pasangan gas (seperti hidrogen/nitrogen, nitrogen/oksigen, karbon dioksida/nitrogen, atau metana), mengeluarkan lembapan daripada udara, gas suapan hidrokarbon dan alkohol.Ia juga boleh digunakan dalam membran resapan dan membran ultraturasan.Oleh kerana rintangan haba dan rintangan pelarut organik polimida, ia amat penting untuk pengasingan cecair dan gas organik.

(8) Photoresists

Seperti fotoresis biasa, poliimida fotosensitif boleh dikelaskan sebagai fotoresis negatif atau positif bergantung kepada mekanisme tindak balas fotokimia.Photoresists PI kini boleh dibangunkan dengan penyelesaian berasaskan air, mencapai resolusi sub-mikron.Digabungkan dengan pigmen atau pewarna, ia boleh digunakan dalam membran penapis warna, sangat memudahkan langkah pemprosesan.Pada masa ini, Siemens, DuPont, Ciba-Geigy dan Merck semuanya menawarkan produk sedemikian.

(9) Membran Pengangkutan Proton

Digunakan sebagai membran dalam sel bahan api, terutamanya sel bahan api metanol, kebolehtelapan metanolnya jauh lebih rendah daripada membran asid perfluorosulfonik tradisional (Nafion).

(10)Bahan optoelektronik

Digunakan sebagai bahan pandu gelombang pasif atau aktif, bahan suis optik, dsb., polimida berfluorinasi adalah telus dalam julat panjang gelombang komunikasi;menggunakan polimida sebagai matriks kromofor boleh meningkatkan kestabilan bahan.

(11) Penjajaran untuk Paparan Kristal Cecair

Polimida memainkan peranan yang sangat penting sebagai agen penjajaran dalam TN-LCD, STN-LCD, TFT-LCD,dan paparan kristal cecair feroelektrik masa hadapan.

(12) Aplikasi dalam Peranti Mikroelektronik

Digunakan sebagai lapisan dielektrik untuk penebat interlayer, sebagai lapisan penampan untuk mengurangkan tekanan dan meningkatkan hasil.Sebagai lapisan pelindung, ia boleh mengurangkan kesan persekitaran pada peranti, dan juga boleh melindungi zarah-α, mengurangkan atau menghapuskan ralat lembut dalam peranti.

(13) Bahan Biokompatibel

Keserasian polimida berfluorinasi dengan darah dan tisu telah menarik minat dalam aplikasi dalam bahan biokompatibel.PI digunakan secara meluas dalam elektrod, biosensor, sistem penghantaran ubat, pengganti tisu tulang, topeng atau respirator, dan bahan antibakteria.

(14) Pelekat

Digunakan sebagai pelekat tahan suhu tinggi.Mereka mempunyai sifat mekanikal suhu tinggi yang sangat baik, sifat dielektrik, dan rintangan sinaran, dan telah digunakan secara meluas dalam bidang berteknologi tinggi seperti aeroangkasa dan jentera elektronik ketepatan.Mereka juga telah menyelesaikan masalah suhu rintangan haba had atas bawah yang terdapat dalam pelekat organik lain.

(15) Salutan

Oleh kerana strukturnya yang unik, salutan polimer polimida sering digunakan sebagai lapisan pelindung haba, lapisan kalis air dan kalis lembapan, lapisan tahan sinaran dan lapisan penebat lain.Mereka mempunyai aplikasi yang luas dalam industri seperti aeroangkasa, elektronik, pembuatan jentera, an pembinaan.