聚酰亚胺：一种高性能塑料的全面解析
聚酰亚胺：一种高性能塑料的全面解析
聚酰亚胺（Polyimide，简称PI）是一种含有酰亚胺基团的高性能塑料，具有优异的热稳定性、机械性能和化学稳定性。从1908年首次被发现至今，聚酰亚胺已经在航空航天、电子、汽车等多个领域得到了广泛应用。本文将从聚酰亚胺的定义、历史、分类、制备方法、分析手段以及其物理化学性质等方面进行详细介绍。
简介
聚酰亚胺（有时缩写为PI）是一种含有酰亚胺基团的聚合物，属于高性能塑料类。凭借其高耐热性，聚酰亚胺在要求坚固有机材料的角色中享有广泛的应用。一种经典的聚酰亚胺是Kapton，它是由均苯四酸二酐和4,4'-氧二苯胺缩合而成。
历史
Bogart和Renshaw于1908年发现了第一个聚酰亚胺。他们发现4-氨基邻苯二甲酸酐在加热时不会熔化，但会在形成高分子量聚酰亚胺时释放水。第一个半脂肪族聚酰亚胺是由爱德华和罗宾逊通过二胺和四酸或二胺和二酸/二酯的熔融融合制备的。
然而，第一个具有重要商业重要性的聚酰亚胺——Kapton——是在1950年代由杜邦的工人开创的，他们开发了一条成功的合成高分子量聚酰亚胺的途径，涉及可溶性聚合物前体。直到今天，这条路线仍然是大多数聚酰亚胺生产的主要路线。聚酰亚胺自1955年开始大规模生产。
分类
根据其主链的组成，聚酰亚胺可以是：
- 脂肪族，
- 半芳香族（也称为脂肪族），
- 芳香族：这些是最常用的聚酰亚胺，因为它们具有热稳定性。
根据主链之间相互作用的类型，聚酰亚胺可以是：
- 热塑性塑料：通常称为假热塑性塑料。
- 热固性：可作为未固化树脂、聚酰亚胺溶液、型材、薄板、层压板和机加工部件在市场上买到。
综合
有几种方法可以制备聚酰亚胺，其中包括：
- 二酐和二胺之间的反应（最常用的方法）。
- 二酐和二异氰酸酯之间的反应。
二胺和二酐的聚合可以通过首先制备聚(酰氨基羧酸)的两步法进行，也可以直接通过一步法进行。两步法是聚酰亚胺合成中使用最广泛的方法。首先制备可溶性聚(酰胺基羧酸)(2)，其在第二步进一步加工后环化成聚酰亚胺(3)。两步法是必要的，因为最终的聚酰亚胺由于其芳族结构在大多数情况下是不熔和不溶的。
用作这些材料前体的二酐包括苯均四酸二酐、苯醌四羧酸二酐和萘四羧酸二酐。常见的二胺结构单元包括4,4'-二氨基二苯醚(DAPE)、间苯二胺(MDA)和3,3-二氨基二苯甲烷。已经检查了数百种二胺和二酐以调整这些材料的物理特性，尤其是加工特性。由于平面亚基之间的电荷转移相互作用，这些材料往往不溶并且具有高软化温度。
分析
亚胺化反应可以通过红外光谱进行跟踪。红外光谱在反应过程中的特征是聚（酰胺酸）在3400至2700 cm−1（OH拉伸）、1720和1660（酰胺C=O）和1535 cm−1（C-N拉伸）。同时，可以在1780（C=O不对称）、1720（C=O对称）、1360（C-N拉伸）以及1160和745 cm−1（酰亚胺环变形）。
属性
热固性聚酰亚胺以热稳定性、良好的耐化学性、优异的机械性能和特有的橙色/黄色而著称。与石墨或玻璃纤维增强材料复合的聚酰胺具有高达340 MPa (49,000 psi)的弯曲强度和21,000 MPa (3,000,000 psi)的弯曲模量。
热固性聚合物基体聚酰亚胺表现出非常低的蠕变和高拉伸强度。这些特性在连续使用高达232 °C (450 °F)的温度和短时间偏移高达704 °C (1,299 °F)的温度期间保持不变。模塑聚酰亚胺部件和层压板具有非常好的耐热性。此类部件和层压板的正常工作温度范围从低温到超过260 °C (500 °F)。聚酰亚胺还具有固有的耐火焰燃烧性，通常不需要与阻燃剂混合。大多数都具有VTM-0的UL等级。聚酰胺层压板在249°C (480°F)下的弯曲强度半衰期为400小时。
典型的聚酰亚胺部件不受常用溶剂和油的影响——包括碳氢化合物、酯类、醚类、酒精和氟利昂。