Polyimides (PI) là loại polyme hiệu suất cao monome imide gồm hai nhóm C kết hợp với N. Polyimides có khả năng chịu nhiệt độ cao lên đến 400-500 độ C, khả năng chống hoá chất, độ bền cơ học. Vật liệu có khả năng giãn nhiệt thấp, độ cách điện tuyệt vời.
Chất liệu được dùng thay thế cho kính, kim loại trong ứng dụng công nghiệp. Polyimides có tính cơ học cực tốt nên được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ mài mòn cao.
Ứng dụng
Pin nhiên liệu nhiệt độ cao
Màn hình phẳng
Hàng không vũ trụ
Công nghiệp hóa chất và môi trường
Quân sự
Phân loại
Polyimide có hai định dạng chính là nhựa nhiệt rắn ( thermosetting) và nhựa nhiệt dẻo (thermoplastic).
Nếu theo cấu trúc chuỗi cấu tạo thì Polyimide phân loại thành: aliphatic, nhựa thơm (aromatics), nhiệt dẻo bán thơm (semi-aromatics thermoplastics) và thermosets.
Polyimide thơm chiết xuất từ dianhydride thơm và diamine.
Polyimide bán thơm là chất gồm một monome thơm: dianhydride hoặc diamine thơm, còn lại aliphatic.
Polyimide aliphatic là polyme được hình thành là từ tổng hợp giữa dianhydride aliphatic và diamine.
Tổng hợp Polyimide
Polyimide được tổng hợp bằng cách kết hợp vòng mạch ổn định và vứng chắc heterocyclic vào chuối polyme. Ở đây, sự xuất hiên vòng imide và tương tác cao với chuỗi polyme, tạo nên sự gắn kết cao chuối polyme tạo nên độ chịu nhiệt cao.
Phương pháp cổ điện tổng hợp Polyimide là phản ứng giữa dianhydride và diamine. Tổng hợp polyimides thơm lần đầu tiên được thực hiện năm 1908. Tuy nhiên do thiếu tiến bộ về xử lý thông qua trùng hợp tan chảy, việc tổng hợp và xử lý polyimide đã không thực hiện được. Vào những năm 1960, Dupont là công ty đầu tiên đưa ra sản phẩm polyimide thương mại với tên Kapton. Nó dựa trên pyromellitic dianhydride và 4,4’diaminodiphenyl.
Quá trình tổng hợp qua hai giai đoạn.
- Phàn ứng trùng hợp diamine thơm và dianhydride thành dạng poly (amic acid) ở nhiệt độ thấp.
- Poly(amic acid) xử lý định hình, khử nước amide-acid để tạo thành polyimide ở nhiệt độ cao.
Polyimide không hoà tan do cấu trúc thơm và hetero-aromatic do đó phải xử lý bằng dung môi.
Độ ổn định nhiệt của polyme được tăng cường bằng kết hợp vòng thơm trên mạch chính hoặc mạch nhánh. Ngoài độ ổn định nhiệt, tính chất tự nhiên cấu trúc hoá học của rigid imide và vòng thơm luôn cho:
Độ bền cơ học tuyệt vời.
Độ cách điện tuyệt vời.
Độ chịu hoá chất cao
| Ổn định kích thước | |
| Hệ số giãn nở nhiệt tuyến tính | 5.5 x 10-5 /°C |
| Co ngót | 0.2 - 1.2 % |
| Hấp thụ nước 24h | 1.34 - 1.43 % |
| Khả năng chống cháy | |
| Khả năng chịu cháy (LOI) | 47 - 53 % |
| Tính dễ cháy UL94 | V0 |
| Tính chất vật lý | |
| Mật độ | 1.31 - 1.43 g/cm3 |
| Nhiệt độ nhựa biến dạng Glass Transition Temperature | 250 - 340 °C |
| Nhiệt độ làm việc | |
| HDT @1.8 Mpa (264 psi) | 240 - 360 °C |
| Nhiệt độ làm việc liên tục tối đa | 260 - 360 °C |
Thông số điện
Polyimide thể hiện độ ổn định nhiệt cao (>500 °C), độ bền cơ học và khả năng chịu hoá chất. Ngoài ra chất này còn có khả năng cách điện tuyệt vời.
| Đặc tính điện | |
| Hằng số điện môi | 3.1 - 3.55 |
| Độ bền điện môi | 22 - 27.6 kV/mm |
| Hệ số phân tán | 18 - 50 x 10-4 |
| Điện trở suất | 14 - 18 x 1015 Ohm.cm |
Cấu trúc chuỗi dài và tuyến tính giúp Polyimide thơm bền vứng với dung môi.
Cấu trúc lưới tương đối bền vững của Polyimide cũng làm nhiệt độ chuyển hoá thuỷ tinh cao (>300 độ C) và độ bền cơ học tốt và suất đàn hồi lớn (high modulus).
| Tính chất cơ học | |
| Độ dãn dài khi đứt (Elongation at Break) | 90 % |
| Độ giãn dài tại giới hạn chảy dẻo (elongation at yield) | 4 - 10 % |
| Modun uốn (Flexural Modulus) | 2.48 - 4.1 GPa |
| Độ cứng (Hardness Rockwell M) | 110 |
| Độ bền kéo (Strength at Break) | 72 - 120 MPa |
| Độ bền chảy (Strength at Yield) | 120 MPa |
| Toughness | 60 - 112 J/m |
| Modun ứng suất (Young Modulus) | 1.3 - 4 GPa |
Ưu điểm và nhược điểm Polyimide
Ưu điểm
Độ bền cơ học cao
Chịu nhiệt độ rất cao
Độ bền kéo và bền nén rất tốt.
Khả năng chịu hoá chất vượt trội
Không cản trở tín hiệu sóng microwave
Kháng bức xạ
Chịu lực và chịu mài mòn cao
Nhược điểm của vật liệu
Chi phí sản xuất cao
Yêu cầu nhiệt độ cao khi chế biến
Quy trình chế biến đặc biệt như ủ ( annealing operations) tại nhiệt độ quy đinh.
Dễ bị phá huỷ bởi kiềm và axít.
| Khả năng kháng hoá chất | |
| Acetone @ 100%, 20°C | Đáp ứng |
| Ammonium hydroxide @ 10%, 20°C | Không đáp ứng |
| Aromatic hydrocarbons @ 20°C | |
| Benzene @ 100%, 20°C | Đáp ứng |
| Butylacetate @ 100%, 20°C | |
| Chloroform @ 20°C | Hạn chế |
| axít đậm đặc tại 20°C | Không đáp ứng |
| axít đậm đặc nóng | |
| Ethanol @ 96%, 20°C | Đáp ứng |
| Glycerol @ 100%, 20°C | Không đáp ứng |
| Hydrogen peroxide @ 30%, 60°C | |
| Kerosene @ 20°C | Đáp ứng |
| Methanol @ 100%, 20°C | Không đáp ứng |
| Methylethyl ketone @ 100%, 20°C | Đáp ứng |
| Mineral oil @ 20°C | |
| Silicone oil @ 20°C | |
| Sodium hydroxide @ 10%, 20°C | Không đáp ứng |
| Sodium hydroxide @ 10%, 40°C | |
| Sodium hydroxide @ 10%, 60°C | |
| Sodium hypochlorite @ 20%, 20°C | Hạn chế |
| Axít mạnh | |
| Toluene @ 20°C | Đáp ứng |
| Xylene @ 20°C | |
Vật liệu nền đóng vai trò quan trọng trong quá trình chế tạo nhựa composite PI. Composite Pi ngoài việc tăng cường khả năng chịu nhiệt và tính cơ học, nó còn được tăng cường khả năng xử lý và chất lượng.
Tuy nhiên rất khó để thiết kế và tổng hợp vật liệu nền Polyimide cho các composite chịu nhiệt độ cao vì resin nền yêu cầu tính chất nhiệt và cơ học, đi kèm nhiệt độ nóng chảy xử lý thích hợp phù hợp với nhiệt độ nóng chảy của chất liệu nhựa chịu nhiệt tổng hợp.
Một vài composite dựa trên PI tăng cường sợi các bon thích hợp cho các quá trình xử lý khác nhau như hấp (autoclave) hoặc RTM tạo ra chất liệu tuyệt vời với độ chịu nhiệt 370 độ C.
Ứng dụng Polyimide
Polyimide (hay còn gọi là PI hoặc Kapton) sử dụng rộng rãi cho ứng dụng điện tử cho ngành hàng không vũ trụ, công nghệ ô tô do có độ bền cơ khí tuyệt vời, tính chất cách điện và độ bền nhiệt.
Ứng dụng của Polyimide trong điện tử bao gồm wafer carriers, giá đỡ test holders, khay chip, thành phần đĩa cứng, đầu nối, cuộn cảm coil bobbins, cách điện dây dẫn, phụ kiện máy in máy copier.
Trong những năm gần đây cảm biến PI nhận được nhiều sự quan tâm do:
Chuẩn bị đơn giản
Tính trơ hoá học
Độ bền cơ khí và nhiệt độ cao
Vật liệu tương thích sinh học
Phim PI có độ bền vật lý, độ bền điện và tính chất cơ khí cho dải nhiệt độ rộng (từ -269 độ đến 400 độ) tạo ra các lĩnh vực thiết kế và ứng dụng mới sử dụng nhựa.
Phim PI lí tưởng cho cách điện bảng mạch, sơn bột chịu nhiệt cao, sản xuất máy biến áp do độ chịu nhiệt cao và ít biến dạng dưới ảnh hưởng nhiệt độ.
Trong lĩnh vực điện PI được sử dụng rộng rãi làm lớp cách điện nền trong tấm pin năng lượng mặt trời dẻo do khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền và mềm dẻo. Phim PI dùng sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời với hiệu suất và năng suất tối đa, làm chất nền cho tế bào quang điện a-Si và CIGS do khả năng chịu nhiệt.
Phân loại phim quang học Polymer theo giá thành và độ chịu nhiệt
Ống giữ nhiệt polyimide (Thermoset polyimide tubing) và dây phủ rất dẻo và dùng nhiều trong các thiết bị y tế hiệu suất cao. Bao gồm: ống thông tim mạch (cardiovascular catheters), kìm lấy dị vật (retrieval devices), đánh dấu (marker), nong mạch vành (angioplasty), ống stent, thiết bị thần kinh, cách điện, hệ thống phân phối thuốc (drug delivery systems).
Polyimide rất thích hợp cho các ứng dụng y tế do các lý do: mềm dẻo, độ chịu kéo cao, tính tương thích sinh học, độ ma sát thấp, trong suốt, thành mỏng, bề mặt nhẵn, rửa sạch (pushability). Polyimide đáp ứng USP Class VI và ISO 10993 tương thích sinh học cho thiết bị Class III. Polyimide khử trùng được bằng gamma, EtO, e-beam.
| Khả năng chịu tia phóng xạ | |
| Khả năng chịu tia gama | Tuyệt vời |
| Khả năng chịu tia UV | |
| Tính năng khác | |
| Khả năng khử trùng (Lặp lại) | Tuyệt vời |
| Khả năng cách nhiệt | 0.1 - 0.35 W/m.K |
Cách gia công PI
Nhiệt độ xử lý: 380 đến 430 ° C
Khuyến nghị sấy khô trước khi chế biến: 10 h ở 180 ° C hoặc 5 h ở 200 ° C.
Mặc dù PI là thuỷ tinh thể, các sản phẩm sau khi đùn khuôn thường là vô định hình. Để tăng nhiệt độ làm việc của sản phẩm (ừ 240 ° C ở trạng thái vô định hình lên 340 ° C ở trạng thái tinh thể), sau khi gia công phải ủ sản phẩm.
Để đùn khuôn PI, nhiệt độ khuôn phải từ 170-210°C.
Điều kiện đùn:
Nhiệt độ đùn: ~ 400°C
Tỷ lệ L/D khuyến nghị: 20-25.