La poliimida (a veces abreviada PI ) es un polímero de monómeros de imida que pertenece a la clase de plásticos de alto rendimiento . Con su alta resistencia al calor, las poliimidas disfrutan de diversas aplicaciones en roles que exigen materiales orgánicos resistentes, por ejemplo , celdas de combustible de alta temperatura , pantallas y varios roles militares. Una poliimida clásica es Kapton , que se produce por condensación de dianhídrido piromelítico y 4,4'-oxidianilina . [1]
Historia
La primera poliimida fue descubierta en 1908 por Bogart y Renshaw. [2] Descubrieron que el anhídrido 4-aminoftálico no se funde cuando se calienta, pero libera agua cuando se forma una poliimida de alto peso molecular. Edward y Robinson prepararon la primera poliimida semialifática mediante fusión por fusión de diaminas y tetraácidos o diaminas y diácidos / diéster. [3]
Sin embargo, la primera poliimida de importancia comercial significativa, Kapton, fue pionera en la década de 1950 por trabajadores de Dupont que desarrollaron una ruta exitosa para la síntesis de poliimida de alto peso molecular que involucra un precursor de polímero soluble. Hasta el día de hoy, esta ruta sigue siendo la ruta principal para la producción de la mayoría de poliimidas. Las poliimidas se han producido en masa desde 1955. El campo de las poliimidas está cubierto por varios libros extensos [4] [5] [6] y artículos de revisión. [7] [8]
Clasificación
Según la composición de su cadena principal, las poliimidas pueden ser:
- Alifático ,
- Semiaromático (también denominado alifaromático ),
- Aromáticas : son las poliimidas más utilizadas por su termoestabilidad .
Según el tipo de interacciones entre las cadenas principales, las poliimidas pueden ser:
- Termoplástico : muy a menudo llamado pseudotermoplástico .
- Termoendurecible : disponible comercialmente como resinas sin curar, soluciones de poliimida, formas en stock, láminas delgadas, laminados y piezas mecanizadas.
Síntesis
Son posibles varios métodos para preparar poliimidas, entre ellos:
- La reacción entre un di anhídrido y una diamina (el método más utilizado).
- La reacción entre un dianhídrido y un diisocianato .
La polimerización de una diamina y un dianhídrido se puede llevar a cabo mediante un método de dos pasos en el que se prepara primero un poli (ácido amido) o directamente mediante un método de un paso. El método de dos pasos es el procedimiento más utilizado para la síntesis de poliimidas. En primer lugar, se prepara un poli (ácido ámico) soluble que se cicla después de un procesamiento adicional en un segundo paso a la poliimida. Es necesario un proceso de dos pasos porque las poliimidas finales son en la mayoría de los casos infusibles e insolubles debido a su estructura aromática.
Los dianhídridos usados como precursores de estos materiales incluyen dianhídrido piromelítico , dianhídrido benzoquinona tetracarboxílico y dianhídrido naftalen tetracarboxílico . Los bloques de construcción de diamina comunes incluyen 4,4'-diaminodifenil éter ("DAPE"), meta-fenilendiamina ("MDA") y 3,3-diaminodifenilmetano. [1] Se han examinado cientos de diaminas y dianhídridos para ajustar las propiedades físicas y especialmente de procesamiento de estos materiales. Estos materiales tienden a ser insolubles y tienen altas temperaturas de ablandamiento, que surgen de las interacciones de transferencia de carga entre las subunidades planas. [9]
Análisis
La reacción de imidización se puede seguir mediante espectroscopia IR . El espectro IR se caracteriza durante la reacción por la desaparición de las bandas de absorción del poli (ácido ámico) a 3400 a 2700 cm −1 (estiramiento OH), ~ 1720 y 1660 (amida C = O) y ~ 1535 cm −1 ( Estiramiento CN). Al mismo tiempo, se puede observar la aparición de las bandas de imida características, a ~ 1780 (C = O asymm), ~ 1720 (C = O symm), ~ 1360 (CN estiramiento) y ~ 1160 y 745 cm -1 ( deformación del anillo imida). [10]
Propiedades
Las poliimidas termoendurecibles son conocidas por su estabilidad térmica, buena resistencia química, excelentes propiedades mecánicas y característico color naranja / amarillo. Las poliimidas compuestas con refuerzos de fibra de vidrio o grafito tienen resistencias a la flexión de hasta 340 MPa (49.000 psi) y módulos de flexión de 21.000 MPa (3.000.000 psi). Las poliimidas de matriz polimérica termoendurecible exhiben muy baja fluencia y alta resistencia a la tracción . Estas propiedades se mantienen durante el uso continuo a temperaturas de hasta 232 ° C (450 ° F) y para excursiones cortas, tan altas como 704 ° C (1,299 ° F). [11] Las piezas moldeadas de poliimida y los laminados tienen muy buena resistencia al calor. Las temperaturas de funcionamiento normales para tales piezas y laminados van desde las criogénicas hasta las que superan los 260 ° C (500 ° F). Las poliimidas también son inherentemente resistentes a la combustión de la llama y, por lo general, no es necesario mezclarlas con retardadores de llama . La mayoría tiene una clasificación UL de VTM-0. Los laminados de poliimida tienen una vida media de resistencia a la flexión a 249 ° C (480 ° F) de 400 horas.
Las partes típicas de poliimida no se ven afectadas por los solventes y aceites de uso común, incluidos los hidrocarburos, ésteres, éteres, alcoholes y freones . También resisten los ácidos débiles, pero no se recomiendan para su uso en entornos que contienen álcalis o ácidos inorgánicos. Algunas poliimidas, como CP1 y CORIN XLS, son solubles en solventes y exhiben una alta claridad óptica. Las propiedades de solubilidad las prestan para aplicaciones de curado por aspersión y a baja temperatura.
Aplicaciones
Películas de aislamiento y pasivación
Los materiales de poliimida son ligeros, flexibles y resistentes al calor y a los productos químicos. Por lo tanto, se utilizan en la industria electrónica para cables flexibles y como película aislante en alambre magnético . Por ejemplo, en una computadora portátil, el cable que conecta la placa lógica principal a la pantalla (que debe flexionarse cada vez que se abre o se cierra la computadora portátil) suele ser una base de poliimida con conductores de cobre. Los ejemplos de películas de poliimida incluyen Apical, Kapton , UPILEX , VTEC PI, Norton TH y Kaptrex.
La poliimida se utiliza para revestir fibras ópticas para aplicaciones médicas o de alta temperatura. [12]
Un uso adicional de la resina de poliimida es como capa aislante y de pasivación [13] en la fabricación de circuitos integrados y chips MEMS . Las capas de poliimida tienen un buen alargamiento mecánico y resistencia a la tracción, lo que también ayuda a la adhesión entre las capas de poliimida o entre la capa de poliimida y la capa de metal depositada. La interacción mínima entre la película de oro y la película de poliimida, junto con la estabilidad a alta temperatura de la película de poliimida, da como resultado un sistema que proporciona un aislamiento confiable cuando se somete a varios tipos de tensiones ambientales. [14] [15] La poliimida también se utiliza como sustrato para antenas de teléfonos móviles. [dieciséis]
El aislamiento multicapa utilizado en las naves espaciales generalmente está hecho de poliimida recubierta con capas delgadas de aluminio , plata, oro o germanio. El material de color dorado que se ve a menudo en el exterior de la nave espacial es típicamente una sola poliimida aluminizada, con la única capa de aluminio hacia adentro. [17] La poliimida marrón amarillenta le da a la superficie su color dorado.
Partes mecánicas
El polvo de poliimida se puede utilizar para producir piezas y formas mediante tecnologías de sinterización (moldeo por compresión en caliente, conformado directo y prensado isostático). Debido a su alta estabilidad mecánica incluso a temperaturas elevadas, se utilizan como casquillos, cojinetes, casquillos o piezas de construcción en aplicaciones exigentes. Para mejorar las propiedades tribológicas , son comunes los compuestos con lubricantes sólidos como grafito , PTFE o sulfuro de molibdeno . Partes de poliimida y formas incluyen P84 NT, VTEC PI, Meldin, Vespel y Plavis.
Filtros
En las centrales eléctricas de carbón, las incineradoras de residuos o las plantas de cemento, se utilizan fibras de poliimida para filtrar gases calientes. En esta aplicación, un fieltro de aguja de poliimida separa el polvo y las partículas de los gases de escape .
La poliimida también es el material más común utilizado para la película osmótica inversa en la purificación de agua, o la concentración de materiales diluidos del agua, como la producción de jarabe de arce. [18] [19]
Otro
La poliimida se utiliza para tubos médicos, por ejemplo, catéteres vasculares , por su resistencia a la presión de ruptura combinada con flexibilidad y resistencia química.
La industria de los semiconductores utiliza poliimida como adhesivo de alta temperatura ; también se utiliza como amortiguador de tensión mecánica.
Se puede usar algo de poliimida como fotorresistente ; existen en el mercado tipos "positivos" y "negativos" de poliimida de tipo fotorresistente.
La nave espacial de vela solar IKAROS utiliza velas de resina de poliimida para operar sin motores de cohetes. [20]
Ver también
- Poliamida
- Poliamida-imida
- Polimerización
Referencias
- ^ a b Wright, Walter W. y Hallden-Abberton, Michael (2002) "Poliimidas" en la Enciclopedia de Química Industrial de Ullmann , Wiley-VCH, Weinheim. doi : 10.1002 / 14356007.a21_253
- ^ Bogert, Marston Taylor; Renshaw, Roemer Rex (1 de julio de 1908). "Ácido 4-amino-0-ftálico y algunos de sus derivados.1" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 30 (7): 1135-1144. doi : 10.1021 / ja01949a012 . hdl : 2027 / mdp.39015067267875 . ISSN 0002-7863 .
- ^ US 2710853 , Edwards, WM; Robinson, IM, "Poliimidas de ácido piromelítico"
- ^ Palmer, Robert J .; Actualizado por el personal (27 de enero de 2005), "Polyamides, Plastics" , en John Wiley & Sons, Inc. (ed.), Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology , Hoboken, Nueva Jersey, EE.UU .: John Wiley & Sons, Inc., págs. 1612011916011213.a01.pub2, doi : 10.1002 / 0471238961.1612011916011213.a01.pub2 , ISBN 978-0-471-23896-6, consultado el 2 de diciembre de 2020
- ^ Poliimidas: fundamentos y aplicaciones . Ghosh, Malayo K., Mittal, KL, 1945-. Nueva York: Marcel Dekker. 1996. ISBN 0-8247-9466-4. OCLC 34745932 .CS1 maint: otros ( enlace )
- ^ Poliimidas . Wilson, D. (Doug), Stenzenberger, HD (Horst D.), Hergenrother, PM (Paul M.). Glasgow: Blackie. 1990. ISBN 0-412-02181-1. OCLC 19886566 .CS1 maint: otros ( enlace )
- ^ Sroog, CE (agosto de 1991). "Poliamidas" . Progreso en ciencia de polímeros . 16 (4): 561–694. doi : 10.1016 / 0079-6700 (91) 90010-I .
- ^ Hergenrother, Paul M. (27 de julio de 2016). "El uso, diseño, síntesis y propiedades de polímeros de alto rendimiento / alta temperatura: una descripción general" . Polímeros de alto rendimiento . 15 : 3–45. doi : 10.1177 / 095400830301500101 . S2CID 93989040 .
- ^ Liaw, Der-Jang; Wang, Kung-Li; Huang, Ying-Chi; Lee, Kueir-Rarn; Lai, Juin-Yih; Ha, Chang-Sik (2012). "Materiales avanzados de poliimida: Síntesis, propiedades físicas y aplicaciones". Progreso en ciencia de polímeros . 37 (7): 907–974. doi : 10.1016 / j.progpolymsci.2012.02.005 .
- ^ K. Faghihi, J. Appl. Polym. Sci., 2006, 102, 5062–5071. Y. Kung y S. Hsiao, J. Mater. Chem., 2011, 1746-1754. L. Burakowski, M. Leali y M. Angelo, Mater. Res., 2010, 13, 245–252.
- ^ Ficha técnica de P2SI 900HT . proofresearchacd.com
- ^ Huang, Lei; Dyer, Robert S .; Lago, Ralph J .; Stolov, Andrei A .; Li, Jie (2016). "Propiedades mecánicas de fibras ópticas recubiertas de poliimida a temperaturas elevadas". En Gannot, Israel (ed.). Fibras ópticas y sensores para aplicaciones de diagnóstico y tratamiento médico XVI . Fibras ópticas y sensores para aplicaciones de diagnóstico y tratamiento médico XVI. 9702 . págs. 97020Y. doi : 10.1117 / 12.2210957 . S2CID 123400822 .
- ^ Jiang, Jiann-Shan; Chiou, Bi-Shiou (2001). "El efecto de la pasivación de poliimidas sobre la electromigración de interconexiones multicapa de Cu". Revista de ciencia de materiales: Materiales en electrónica . 12 (11): 655–659. doi : 10.1023 / A: 1012802117916 . S2CID 136747058 .
- ^ Krakauer, David (diciembre de 2006) El aislamiento digital ofrece soluciones compactas y de bajo costo para desafiantes problemas de diseño . analog.com
- ^ Chen, Baoxing. Productos iCoupler con tecnología isoPower: transferencia de señal y potencia a través de la barrera de aislamiento mediante microtransformadores . analog.com
- ^ https://appleinsider.com/articles/17/12/02/apple-to-adopt-speedy-lcp-circuit-board-tech-across-major-product-lines-in-2018
- ^ "Descripción general del control térmico" (PDF) . Aislamiento multicapa Sheldahl . Consultado el 28 de diciembre de 2015 .
- ^ ¿Qué es un ablandador de agua por ósmosis inversa? wisegeek.net
- ^ Shuey, Harry F. y Wan, Wankei (22 de diciembre de 1983) Patente de EE.UU. 4.532.041 Membrana de ósmosis inversa de poliimida asimétrica, método para la preparación de la misma y uso de la misma para separaciones de líquidos orgánicos.
- ^ Courtland, Rachel (10 de mayo de 2010). "Viaje inaugural para la primera vela espacial verdadera" . El nuevo científico . Consultado el 11 de junio de 2010 .
Otras lecturas
- Edición de la Enciclopedia Modern Plastic de mediados de octubre, Polyimide, thermoset, p. 146.
- Varun Ratta: POLIIMIDAS: Química y relaciones estructura-propiedad - revisión de la literatura (Capítulo 1).
enlaces externos
- Base de datos de propiedades de materiales , MIT