Полиимиды

Сокращения: ПИ, PI

Полиимиды (ПИ) – полимерные соединения, содержащие имидные циклы. Из таких циклов состоят органические соединения – имиды. Примеры их структурной формулы приведены ниже:

Цепь молекулы полиимидов содержит ароматические кольца, связанные атомами серы, кислорода или углерода (кроме имидных циклов). Пример:

Значительную роль оказывают соотношение между количеством имидных и ароматических циклов в звене, а также характер и количество атомов, которые разделяют ароматические циклы – все это оказывает влияние на свойства рассматриваемых соединений.

Физико-химические свойства полиимидов

Далее приведен ряд ценных качеств, которые выделяют ПИ в сравнении с другими пластмассами. К их достоинствам относят:

- стойкость к повышенным температурам (до 300°C). При условии кратковременного нагревания, ПИ выдерживает и до 320°C;

- изделия из полиимида могут эксплуатироваться при криогенных температурах;

- высокий уровень скольжения (максимум 350 м/мин);

- материалы из рассматриваемого полимера устойчивы к воздействию ультрафиолета;

- у ПИ низкий показатель водопоглощения (0,7% в интервале температур от 0°C до 120°C);

- низкий коэффициент «рабочей усталости» - всего 35мПа при осуществлении 1000000 циклических измерений, проходящих при температуре до 20°C;

- предел прочности на разрыв 125 МПа;

- материал устойчив к механическим нагрузкам, химическим растворителям, слабокислым средам и топливным материалам;

- сохраняет свои свойства при понижении давления до вакуума;

- устойчив к сжатию и ползучести;

- устойчив к воздействию радиационного излучения;

- устойчив к воздействию окружающей среды и коррозии;

- износостоек;

- обладает свойствами изоляционного материала;

- прост в обработке;

- является негорючим;

- термореактивные соединения имеют желтый или оранжевый цвет

- Также следует упомянуть и о недостатках рассматриваемого соединения:

- вступает в реакцию гидролиза, вследствие чего свойства ПИ ухудшаются при контакте с водяным паром;

- не является плавким материалом.

Свойства полиимида и полиэтилентерефталата

Свойство	Полиимид	Полиэтилентерефталат
Плотность, кг/м³	1430	1400
Температура стеклования, °C	520	80
Температура нулевой прочности, °	815	248
Относительное напряжение при разрыве, % при 20°C при 200°C	70 90	100 125
Модуль упругости при растяжении, МПа	3000	3850
Термическое старение при 250°C при 300°C при 350°C при 400°C	10 лет 1 год 1 мес 1 сут	Плавится - - -
Удельное объемное электрическое сопротивление, Том*м	1*10⁴	1*10⁴
Тангенс угла диэлектрических потерь при 10³Гц	0,003	0,005
Диэлектрическая проницаемость при 10³ Гц	3,5	3,0
Электрическая прочность, кВ/25 мкм	7	7

Получение полиимидов

Получение же полиимидов основывается на проведении реакции ПК (поликонденсации) диангидридов тетракарбоновых кислот и ароматических диаминов. Полиимиды, в получении которых задействован диангидрид пиромеллитовой кислоты, именуются полимиромеллитимидами.

Как правило, процесс получения ПИ проводят в две стадии: для начала в среде растворителя, например, диметилформамида или диметилацетамида, получают полиамидокислоту по нижеприведенной реакции:

Данная реакция протекает при эквимолярном соотношении исходных мономеров с охлаждением. Полиамидкислота получается с концентрацией 12- 17%.;

Последующая стадия образования ПИ протекает уже в твердой фазе при температуре 300 - 500°C. Реакция с образованием полиимида из полиамидокислоты протекает с выделением воды, так как в реакции образуются циклы:

Также полиимиды могут быть получены и из других диаминов. Например, из диаминодифенила или из диаминодифенилметана. Их структурные формулы представлены ниже:

Отметим, что помимо рассмотренных способов получения ПИ существует множество других.;

Обратимся к вопросу получения полиимидов. Технология получения ПИ отличается от технологии получения наибольшего количества поликонденсационных соединений линейного строения. Отличие состоит в том, что данный процесс протекает в две стадии, и стадия циклодегидратации полиамидоксилот протекает в самих полимерных изделиях.;

Схема получения полиимидной пленки

Первая стадия аналогична стадии получения ПИ в растворе. Отметим, что для проведения реакции между ангидридами тетракарбоновых кислот и диаминов требуется отвод тепла, так как взаимодействие протекает с выделением тепла. С этой целью к раствору диамина в сухом виде добавляют диангидрид. Раствор полиамидкислоты фильтруется, отделяется от воздуха, а далее подается на тонкую полиимидную подложку, нанесенную на металлическую ленту. Растворитель отделяется путем прохождения ленты через сушильную камеру с циркуляцией инертного газа (например, азота). Далее пленка проходит термокамеру, в которой перепад температур составляет 150 - 300°C. Окончательная обработка пленки проводится кратковременным нагреванием при температуре около 400°C. Для двухосной ориентации пленку полиамидокислоты подвергают термообработке в спецзажимах, которые предотвращают ее усадку. С целью более эффективного удаления растворителя пленку полиамидокислоты нагревают до 250°C под давлением, пропуская ее через один или несколько пар валов.

В зависимости от способа получения полиимидной пленки выделяют широкий спектр марок, применимых в разных областях.

Марка ПМ-1 – полиимидные пленки

Полиимидная пленка (ПМ-1) изготавливается методом полива из полиимидного лака АД-9103, полученного в растворе диметилформамида.

Полиимидная пленка прозрачна, ее цвет меняется в зависимости от толщины:от темно-желтого до светло-коричневого.

Основной особенностью этого материала является способность сохранять механические и электроизоляционные свойства в широком интервале температур (от -200 до + 400°С).

Основные области применения: герметизация вакуумных сосудов, защитные пожарные маски, погружные насосы, мембраны ультразвуковых датчиков, изоляция обмотки любых двигателей, тяговые ремни на скоростных принтерах, липкие термостойкие ленты, производство фольгированных материалов и инертных систем.

Основные физико-механические и электрические характеристики полиимидной пленки ПМ-1

Наименование характеристик	Показатели
1. Прочность при разрыве, МПа	150 - 180
2. Относительное удлинение при разрыве, %	70 - 90
3. 3. Модуль упругости при растяжении, МПа	3000...3500
4. Электрическая прочность, кВ/мм	210...270
5. Диэлектрическая проницаемость (частота 10³ Гц)	3,0...3,5
6. Тангенс угла диэлектрических потерь при 10³ Гц	0,0025 - 0,003
7. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·м	10¹⁴ — 10¹⁵
8. 8. Коэффициент теплопроводности Вт/м·К	0,14 — 0,20
9. Удельная теплоемкость от 20 до 300^oС, Дж/кг·К	10¹⁴ — 10¹⁵
10. Коэффициент линейного теплового расширения (20-250) ^oС	(20 — 30)·10¹⁵

Марка ПМФ – полиимидо-фторопластовые пленки

Полиимидо-фторопластовая пленка (ПМФ) представляет собой комбинированный пленочный материал на основе пленки полиимидной ПМ-1 толщиной 30, 40, 50, 60, 100 мкм с покрытием из фторопласта марки 4МД толщиной 5 и 10 мкм с одной или двух сторон.

Важным преимуществом ПМФ-пленок является свариваемость (спекаемость), что увеличивает герметичность упаковки, повышает химстойкость и гидростабильность.

Полиимидо-фторопластовая пленка предназначена для электрической изоляции проводов и кабелей, а также различных устройств, работающих длительно в интервале температур от -60°C до + 200°С и пониженном атмосферном давлении до 7 ГПа (5 мм рт ст).

Основные свойства ПМФ-пленки

Показатель	A	B	C
351	352	351	352	351	352
1. Разрушающее напряжение при растяжении в продольном и поперечном направлениях при 20°С, МПа	80	80	80	70	100	90
2. Относительное удлинение при разрыве в продольном и попер. направлениях при 20°С, %	50	50	40	40	70	75
3. Электрическая прочность при переменном напряжении частотой 50 Гц при 20°С, кг/мм	150	150	130	130	160	160
4. Адгезионная прочность, г/см	150	150	150	150	250	250

Марка ПМ-К – электропроводящие полиимидные пленки

Электропроводящая полиимидная пленка (ПМ-К) изготавливается методом многослойного нанесения лака АД-9103, содержащего диспергированные частицы сажи марки ПМ-30, на полиимидную пленку ПМ-1.

Основной особенностью этого материала является способность сохранять механические и электрические свойства в широком интервале температур от -200°С до + 250°С и кратковременно до + 400°С.

Применяется ПМ-К в электро- и радиотехнике и вдругих отраслях промышленности в качестве радиопоглощающих и антистатических материалов.

Основные свойства полиимидной пленки ПМ-К

Показатель	Величина показателя
1. Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	90 - 100
2. Относительное удлинение при разрыве, %	не менее 20
3. Температура хрупкости, °С	ниже -60
4. Температура теплостойкости, °С	390 - 400
5. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·см	10·10⁴
6. Поверхностное электрическое сопротивление, Ом	100·10⁵

Марка ПМ-РД – полиимидные пленки с термосвариваемым полиимидным покрытием

Полиимидная пленка с термосвариваемым полиимидным покрытием (ПМ-РД) изготавливается путем многократного нанесения лака РД (адгезив) на полиимидную пленку ПМ с одной или двух сторон с последующей термообработкой.

Область применения: в качестве изоляционного материала для кабельных изделий, устойчивых к воздействию спецфакторов и работающих в интервале от -60°С до +220°С

Основные характеристики полиимидной пленки ПМ-РД

Показатели	Величина показателей
1. Прочность при разрыве, МПа, не менее, в направлении - продольном - поперечном	70 65
2. Относительное удлинение при разрыве, %, не менее, в направлении - продольном - поперечном	55 50
3. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·м, не менее	1·10¹⁴
4. Электрическая прочность при переменном напряжении частотой 50 Гц, мВ/м	160
5. Адгезионная прочность, м/м, не менее	200

Лаки на основе полиамидокислот используют как связующие стекловолокнистых материалов, а также пропиточных составов для цементации обмоток, выполненных из проводов с полиимидной изоляцией. Пленки, полученные на основе полиимидов, используют для пазовой и обмоточной электроизоляции в конденсаторах, электодвигателях, гибких печатных схемах. Что касается пластиков, которые получают на основе рассматриваемого полимера, - их применяют в поршневых кольцах, уплотнениях, подшипниках, турбинах, электросоединениях, арматуре атомных реакторов. Для лопаток турбин в перспективе возможно использование армированных стеклопластиков, а также обтекателей самолетов. Пенопласты на основе полиимидов применимы в качестве высокотермостойкой звукоизоляции, к примеру, в реактивных двигателях.