Polyimidy

Obecný strukturní vzorec polyimidu

Polyimidy jsou polymery obsahující imidové funkční skupiny. Vzhledem ke své vysoké odolnosti vůči teplu nacházejí využití například ve vysokoteplotních palivových článcích a mají i řadu vojenských využití. Příkladem může být Kapton, získávaný kondenzací dianhydridu kyseliny pyromellitové s 4,4'-oxydianilinem.[1]

Historie

První polyimid byl vytvořen v roce 1908,[2] přičemž bylo jištěno, že anhydrid kyseliny 4-aminoftalové při zahřátí netaje, ale uvolňuje vodu za vzniku polyimidu s vysokou molekulovou hmotností. První částečně alifatické polyimidy byly vytvořeny reakcemi diaminů s tetrakyselinami nebo dikyselinami a/nebo jejich estery.[3]

První průmyslově významný polyimid - Kapton - vznikl v 50. letech 20. století s využitím rozpustného polymerního prekurzoru; podobným způsobem se dosud vyrábí většina polyimidů. Ve velkých množstvích se polyimidy vyrábí od roku 1955.

Rozdělení

Podle složení hlavního řetězce lze polyimidy rozdělit na:

  • Alifatické,
  • Poloaromatické
  • Aromatické: díky tepelné stálosti jde o nejvíce využívaný druh polyimidů.

Podle interakcí mezi hlavními řetězci mohou být polyimidy:

Výroba

Polyimidy je možné vyrobit několika způsoby, jako jsou reakce dianhydridů a diaminů (nejčastěji používaný postup) a reakce dianhydridů s diisokyanáty.

Polymerizace diaminů s dianhydridy se provádějí dvoukrokově, přičemž se nejprve vytvoří poly(amidokarboxylová kyselina), nebo přímo. Častější je dvoukroková syntéza, při níž se nejprve připraví rozpustná poly(amidokarboxylová kyselina) (2), jež je v druhém kroku cyklizována na polyimid (3). Dvoukrokové provedení je nutné z toho důvodu, že polyimidy jsou většinou v důsledku aromatické struktury netavitelné a nerozpustné.

K dianhydridům nejčastěji používaným na výrobu polyimidů patří dianhydrid kyseliny pyromellitové, dianhydrid kyseliny benzochinontetrakarboxylové a dianhydrid kyseliny naftalentetrakarboxylové; diamin bývá obvykle 4,4'-diaminodifenyl ether, m-fenylendiamin, nebo 3,3'-diaminodifenylmethan.[1], k získání produktů o požadovaných vlastnostech však lze použít stovky různých diaminů i dianhydridů. Polyimidy se zpravidla vyznačují nerozpustností a vysokou teplotou měknutí.[4]

Analýza

Imidizační reakci lze zkoumat prostřednictvím infračervené spektroskopie. Infračervené spektrum v průběhu reakce vykazuje zanikání absorpčních pásů poly(amikyselin), nacházejících se na 3400 a 2700 (valenční vibrace vazeb O-H), 1720 a 1660 (C=O amidových vazeb) a 1535 cm−1 (vazby C-N). Současně s tím se objevují pásy imidů na ~1780 (asymetrické vazby C=O), ~1720 (symetrické vazby C=O), ~1360 (prodlužování C-N) a ~1160 a 745 cm−1 (deformační vibrace imidových kruhů).[5]⁠ Jsou popsány podrobné analýzy polyimidů, a to i karbonizovaných[6] a grafitizovaných.[7]

Vlastnosti

Termosetové polyimidy jsou tepelně stálé, chemicky odolné a mají velmi dobré mechanické vlastnosti; zbarvení bývá oranžové až žluté. Polyimidy vyztužené grafitovými vlákny nebo sklolaminátem se vyznačují pevností v ohybu až 340 MPa a moduly pružnosti v ohybu 21 GPa. Termosetové polymerní matrice z polyimidů mají velmi nízké míry tečení materiálu a vysoké pevnosti v tahu. Tyto vlastnosti se zachovávají do teplot kolem 232 °C a krátkodobě i při 704 °C.[8] Vstřikované díly z polyimidů se vyznačují značnou odolností proti vysokým teplotám. Jejich provozní teploty se pohybují od hluboce záporných hodnot až po více než 260 °C. Polyimidy jsou též nehořlavé a nevyžadují tak přidávání zpomalovačů hoření. Pevnost v tahu zůstává u polyimidů při 249 °C z poloviny zachována po dobu 400 hodin.

Polyimidy nejsou narušovány běžnými rozpouštědly, jako jsou uhlovodíky, estery, ethery, alkoholy a freony. Odolávají i slabým kyselinám, ale nejsou vhodné do prostředí, kde se vyskytují silné zásady a kyseliny. Některé polyimidy, například CP1 a CORIN XLS, jsou rozpustné, díky čemuž mohou mít využití ve sprejích a za nízkých teplot.

Použití

Tepelně vodivá vrstva Kaptonu o tloušťce přibližně 0,05 mm
Kaptonová lepicí páska

Izolační a pasivační vrstvy

Polyimidy se vyznačují tvárností, nízkou hmotností a dobrou chemickou a tepelnou odolností. Tyto jejich vlastnosti se využívají v izolantech v elektronických zařízeních; například v laptopech jsou kapely spojující hlavní desku s obrazovkou (které se ohýbají při každém otevření či zavření) často tvořeny měděnými vodiči obalnými polyimidy.

Struktura poly-oxydifenylen-pyromellitimidu („Kaptonu“)

Polyimidy jsou také obalovými materiály optických vláken pro lékařská využití a prostředí s vysokými teplotami.[9]

Polyimidy jsou využívány také jako izolační a pasivační vrstvy[10] u integrovaných obvodů mikroelektromechanických systémů. Vysoká pevnost v tahu usnadňuje přilnutí vrstev polyimidů ke kovům nebo k sobě navzájem. Minimální interakce mezi polyimidem a vrstvou zlata, společně s jeho vysokou tepelnou stabilitou, vytváří systém poskytující velmi dobrou izolaci za řady různých podmínek.[11][12] Polyimidy jsou také vhodné u antén mobilních telefonů.[13]

Vícevrstvé izolace vesmírných plavidel často obsahují polyimidy pokryté tenkými vrstvami hliníku, stříbra, zlata nebo germania. Zlatě zbarvené materiály na jejich vnějších stranách jsou mnohdy tvořeny polyimidy pokrytými jednou vrstvou hliníku.[14]

Mechanické součásti

Polyimidové prášky lze použít na výrobu různých součástek slinováním (vstřikováním za vysokého tlaku, tvarováním a izostatickým stlačením). Vzhledem k vysoké mechanické stabilitě i za vysokých teplot se polyimidy rovněž používají na vymezovací vložky, ložiska zásuvky a konstrukční součásti. Ke snižování tření se používají pevná maziva, například grafit, polytetrafluorethylen nebo sulfid molybdeničitý.

Filtry

Polyimidy také mohou filtrovat horké plyny v uhelných elektrárnách, spalovnách odpadu a cementárnách, kde oddělují prach a pevné částice.

Polyimidy jsou nejpoužívanějšími matriály pro reverzní osmotické filmy určené k čištění vody nebo k zakoncentrovávání zředěných látek, například při výrobě javorového sirupu.[15][16]

Ostatní

Polyimidy mají využití v medicíně, vyrábějí se z nich katetry.

V polovodičovém průmyslu slouží polyimidy jako vysokoteplotní lepidla a ke zmírňování mechanického napětí.

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Polyimide na anglické Wikipedii.

  1. ↑ a b Wright, Walter W. and Hallden-Abberton, Michael (2002) "Polyimides" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. DOI:10.1002/14356007.a21_253
  2. ↑ Marston Taylor Bogert; Roemer Rex Renshaw. 4-Amino-0-Phthalic Acid and Some of ITS Derivatives. Journal of the American Chemical Society. 1908, s. 1135–1144. Dostupné online. ISSN 0002-7863. DOI 10.1021/ja01949a012. 
  3. ↑ Šablona:Cite patent
  4. ↑ Der-Jang Liaw; Kung-Li Wang; Ying-Chi Huang; Kueir-Rarn Lee; Juin-Yih Lai; Chang-Sik Ha. Advanced polyimide materials: Syntheses, physical properties and applications. Progress in Polymer Science. 2012, s. 907–974. DOI 10.1016/j.progpolymsci.2012.02.005. 
  5. ↑ K. Faghihi, Journal of Applied Polymer Science, 2006, 102, 5062–5071; Y. Kung and S. Hsiao, Journal of Materials Chemistry, 2011, 1746–1754; L. Burakowski, M. Leali and M. Angelo, Journal of Materials Research, 2010, 13, 245–252.
  6. ↑ Tomofumi Kato; Yasuhiro Yamada; Yasushi Nishikawa; Hiroki Ishikawa; Satoshi Sato. Carbonization mechanisms of polyimide: Methodology to analyze carbon materials with nitrogen, oxygen, pentagons, and heptagons. Carbon. 2021-06-30, s. 58–80. Dostupné online. ISSN 0008-6223. DOI 10.1016/j.carbon.2021.02.090. 
  7. ↑ Tomofumi Kato; Yasuhiro Yamada; Yasushi Nishikawa; Toshiya Otomo; Hayato Sato; Satoshi Sato. Origins of peaks of graphitic and pyrrolic nitrogen in N1s X-ray photoelectron spectra of carbon materials: quaternary nitrogen, tertiary amine, or secondary amine?. Journal of Materials Science. 2021, s. 15798–15811. Dostupné online. ISSN 1573-4803. DOI 10.1007/s10853-021-06283-5. Bibcode 2021JMatS..5615798K. 
  8. ↑ P2SI 900HT Tech Sheet Archivováno 20. 3. 2020 na Wayback Machine.. proofresearchacd.com
  9. ↑ Lei Huang; Robert S. Dyer; Ralph J. Lago; Andrei A. Stolov; Jie Li. Optical Fibers and Sensors for Medical Diagnostics and Treatment Applications XVI. [s.l.]: [s.n.], 2016. DOI 10.1117/12.2210957. Kapitola Mechanical properties of polyimide coated optical fibers at elevated temperatures, s. 97020Y. 
  10. ↑ Jian-Shan Jiang; Bi-Shiou Chiou. The effect of polyimide passivation on the electromigration of Cu multilayer interconnections. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2001, s. 655–659. DOI 10.1023/A:1012802117916. 
  11. ↑ Krakauer, David (December 2006) Digital Isolation Offers Compact, Low-Cost Solutions to Challenging Design Problems analog.com
  12. ↑ Chen, Baoxing. iCoupler Products with isoPower Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers. analog.com
  13. ↑ Apple to adopt speedy LCP circuit board tech across major product lines in 2018 [online]. Dostupné online. 
  14. ↑ Thermal Control Overview [online]. [cit. 2015-12-28]. Dostupné v archivu pořízeném dne 2016-08-18. 
  15. ↑ What is a reverse osmosis water softener? wisegeek.net
  16. ↑ Shuey, Harry F. and Wan, Wankei (22 December 1983) Šablona:US Patent Asymmetric polyimide reverse osmosis membrane, method for preparation of same and use thereof for organic liquid separations

Související články

Externí odkazy

Zdroj