塑料材料学课件第十三章聚酰亚胺

1、第十三章 聚酰亚胺类树脂及塑料2021/8/171第十三章 聚酰亚胺类树脂及塑料2021/8/171聚酰亚胺概述 聚酰亚胺是分子结构含有酰亚胺基的芳杂环高分子化合物，英文名Polyimide(简称PI) ，是目前工程塑料中耐热性最好的品种之一。PI作为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域。近来，各国都在将PI的研究、开发及利用列入 21世纪最有希望的工程塑料之一。聚酰亚胺，因其在性能和合成方面的突出特点，不论是作为结构材料或是作为功能性材料，其巨大的应用前景已经得到充分的认识，被称为是解决问题的能手并认为没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术。 202

2、1/8/172聚酰亚胺概述 聚酰亚胺是分子结构含有酰亚胺基的聚酰亚胺的发展简史1908年，PI聚合物开始出现报道，但本质未被认识，因此不受重视。40年代中期出现一些专利。50年代末制得高分子量的芳族聚酰亚胺，标志其真正作为一种高分子材料来发展6080年代，由美杜邦公司、Amoco公司、通用电气公司及法罗纳-普朗克公司为代表先后开发出一系列的模制材料和聚合体，如聚醚酰亚胺(PEI) 1997年日本三井东压化学公司报道了全新的热塑性聚酰亚胺(Aurum)注塑和挤出成型用的粒料。2021/8/173聚酰亚胺的发展简史2021/8/173 近30 年来 ,聚酰亚胺的发展较快 ,尤其近 10年来更是有了

3、飞速的发展。1977 年1979 年在美国化学文摘中登载了1000 多条有关聚酰亚胺的文摘 ,100 多篇聚酰亚胺文献向美国国家技术服务局登记。1982年1985 年有聚均苯四甲酰亚胺申请专利54 件 ,聚酰胺亚胺申请专利 30 件 ,聚醚酰亚胺申请专利 23 件 ,由此可见聚酰亚胺聚合物的发展速度。2021/8/174 2021/8/174 到目前为止 ,聚酰亚胺已有 20 多个大品种 ,随着其应用范围的扩大 ,有关聚酰亚胺的品种将会越来越多。国外生产厂家主要集中在美国和日本 ,如美国的通用电气公司、杜邦公司 ,日本的宇部兴产公司、三井东压化学公司;国内生产厂家主要是上海合成树脂研究所和长春

4、应用化学研究所。2021/8/175 2021/8/175聚酰亚胺的分子结构 在主链重复结构单元中含酰亚胺基团，芳环中的碳和氧以双键相连，芳杂环产生共轭效应，这些都增强了主键键能和分子间作用力。2021/8/176聚酰亚胺的分子结构2021/8/176聚酰亚胺的制备一、缩聚反应：原料：均苯四甲酸二酐、4 ,4-二氨基二苯醚(ODA)，最佳配比1.0151.0201），在氮气保护下，反应开始后控制在20左右，开环缩聚：2021/8/177聚酰亚胺的制备一、缩聚反应：2021/8/177二、酰亚胺化反应聚酰胺酸环化脱水形成聚酰亚胺2021/8/178二、酰亚胺化反应聚酰胺酸环化脱水形成聚酰亚胺20

5、21/8/12021/8/1792021/8/179PI的结构与性能1大量含氮五元杂环及芳环分子链刚性大分子间作用力强2.芳杂环的共轭效应高热稳定性和热氧稳定性高力学性能（高温下保持率很高）2021/8/1710PI的结构与性能1分子链刚性大分子间作用力强2.高热稳定性高不同结构组成对聚酰亚胺热性能影响热稳定性热氧稳定性2021/8/1711不同结构组成对聚酰亚胺热性能影响热稳定性2021/8/171A组： 密度高、弹性模量高、脆性、不熔融B组：与A组相似，不熔不软化C组：高温下先软化后交联，不熔不软化D组：密度低、呈弹性，具有高弹态特征不同结构对聚酰亚胺力学性能影响2021/8/1712A组

6、： 密度高、弹性模量高、脆性、不熔融不同结构对聚酰亚胺力聚酰亚胺的性能 1、耐热性 全芳香聚酰亚胺按热重分析，其开始分解温度一般都在500左右。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。Tg为399 ，Td为500 ，空气中最高连续使用温度250-270 ；聚酰亚胺可耐极低温，如在269的液态氦中不会脆裂。2021/8/1713聚酰亚胺的性能 1、耐热性 Tg为399 ，Td为500高热稳定性热膨胀系数2021/8/1714高热稳定性热膨胀系数2021/8/1714物理、力学性能 聚酰亚胺具有优良的机械性能，未填充的塑料的抗张强度都在100

7、Mpa以上，均苯型聚酰亚胺的薄膜（Kapton）为170Mpa以上，而联苯型聚酰亚胺（Upilex S）达到400Mpa。作为工程塑料，弹性模量通常为34Gpa，纤维可达到200Gpa，据理论计算，均苯二酐和对苯二胺合成的纤维可达 500Gpa，仅次于碳纤维。 未增强树脂具有较高的拉伸、弯曲、压缩强度，模量高：A组B组C组 D 组 突出的抗蠕变性2021/8/1715物理、力学性能 聚酰亚胺具有优良的机械性能，未填充的塑料的电性能聚酰亚胺具有良好的介电性能，介电常数为3.4左右，引入氟，或将空气纳米尺寸分散在聚酰亚胺中，介电常数可以降到2.5左右。介电损耗为10-3，介电强度为 100300K

8、V/mm，这些性能在宽广的温度范围和频率范围内仍能保持在较高的水平。2021/8/1716电性能聚酰亚胺具有良好的介电性能，介电常数为3.4左右，引入辐射性聚酰亚胺具有很高的耐辐照性能，其薄膜在 5109rad快电子辐照后强度保持率为90。2021/8/1717辐射性聚酰亚胺具有很高的耐辐照性能，其薄膜在 5109ra化学性能一些聚酰亚胺品种不溶于有机溶剂，对稀酸稳定，一般的品种不大耐水解，这个看似缺点的性能却使聚酰亚胺有别于其他高性能聚合物的一个很大的特点，即可以利用碱性水解回收原料二酐和二胺，例如对于Kapton薄膜，其回收率可达8090。改变结构也可以得到相当耐水解的品种，如经得起120

9、，500 小时水煮。聚酰亚胺是自熄性聚合物，发烟率低。 2021/8/1718化学性能一些聚酰亚胺品种不溶于有机溶剂，对稀酸稳定，一般的品其他聚酰亚胺无毒，可用来制造餐具和医用器具，并经得起数千次消毒。有一些聚酰亚胺还具有很好的生物相容性，例如，在血液相容性实验为非溶血性，体外细胞毒性实验为无毒。聚酰亚胺在极高的真空下放气量很少。2021/8/1719其他聚酰亚胺无毒，可用来制造餐具和医用器具，并经得起数千次消缺点：熔点太高，不溶于大多数有机溶剂，加工流动性不佳，易水解、吸水性较高及膨胀系数大等。性能（综述）a.力学性能：拉伸、弯曲、压缩强度较高；突出的抗蠕变性，尺寸稳定性。b.热性能：主链键

10、能大，不易断裂分解。耐低温性好，c.电性能：优良的电绝缘性能。偶极损耗小，耐电弧晕性突出，介电强度高，随频率变化小d.耐化学药品性：耐油、有机溶剂、稀酸；强氧化剂作用下，发生氧化降解，不耐碱。碱和过热水蒸气作用下，发生水解e.耐辐射性：经射线照射后，强度下降很小。自熄性聚合物，发烟率低2021/8/1720缺点：熔点太高，不溶于大多数有机溶剂，加工流动性不佳，易水解聚酰亚胺的主要品种（四大类）不熔性聚酰亚胺 均苯型（PMMI）聚均苯四甲酰二苯醚亚胺2021/8/1721聚酰亚胺的主要品种（四大类）不熔性聚酰亚胺聚均苯四甲酰二苯醚薄膜2021/8/1722薄膜2021/8/1722模塑制品202

11、1/8/1723模塑制品2021/8/1723二、可熔性聚酰亚胺单醚酐型聚酰亚胺与均苯型PI相比，耐热性略低，加工性能好2021/8/1724二、可熔性聚酰亚胺单醚酐型聚酰亚胺与均苯型PI相比，耐热性略2021/8/17252021/8/1725双醚酐型聚酰亚胺具有良好综合性能，与均苯型PI相比，加工性能大大改善2021/8/1726双醚酐型聚酰亚胺具有良好综合性能，与均苯型PI相比，加工性能2021/8/17272021/8/1727酮醚酐型聚酰亚胺PI-20802021/8/1728酮醚酐型聚酰亚胺PI-20802021/8/17282021/8/17292021/8/1729三、热固性聚

12、酰亚胺热固性聚酰亚胺：分子两端带有可反应活性基团的低分子量聚酰亚胺，在加热或固化剂存在下依靠活性端基交联反应形成大分子结构的聚酰亚胺。NA基封端乙炔基封端双马来酰亚胺2021/8/1730三、热固性聚酰亚胺热固性聚酰亚胺：分子两端带有可反应活性基团 优点：高活性的双键。可进行均聚也可进行共聚。固化反应属于加成反应，无低分子物析出。固化产物具有耐高温，耐湿热，耐辐照等特性。还具有高模量，高强度，有意的电绝缘性。 缺点：有些比如双马来酸酐脆性大，在一些领域不适用。2021/8/1731 优点：高活性的双键。可进行均聚也可进行共聚。固化反应属于四、改性聚酰亚胺聚醚酰亚胺聚酯酰亚胺聚酰胺酰亚胺2021

13、/8/1732四、改性聚酰亚胺聚醚酰亚胺2021/8/1732聚 酰 亚 胺 的 应 用大电机聚酰亚胺制品2021/8/1733聚 酰 亚 胺 的 应 用大电机聚酰亚胺制品2021/8/1聚酰亚胺的应用 (1) 薄膜：是聚酰亚胺最早的商品之一，用于电机的槽绝缘及电缆绕包材料。主要产品有杜邦的 Kapton 、宇部兴产的Upilex系列和钟渊的Apical。透明的聚酰亚胺薄膜可作为柔软的太阳能电池底板。(2) 涂料：作为绝缘漆用于电磁线，或作为耐高温涂料使用。2021/8/1734聚酰亚胺的应用 (1) 薄膜：是聚酰亚胺最早的商品之一，用于 (3) 先进复合材料：用于航天、航空器及火箭零部件。是

14、最耐高温的结构材料之一。例如美国的超音速客机计划所设计的速度为2.4M，飞行时表面温度为177，要求使用寿命为60 000h，据报道已确定50的结构材料为以热塑性聚酰亚胺为基体树脂的碳纤维增强复合材料，每架飞机的用量约为30t。2021/8/1735 (3) 先进复合材料：用于航天、航空器及火箭零部件。美国HSCT计划2021/8/1736美国HSCT计划2021/8/1736 (4) 纤维：强度可达5-6GPa, 弹性模量可达250300GPa，可与T700碳纤维相比，作为先进复合材料的增强剂、高温介质及放射性物质的过滤材料和防弹、防火织物。 2021/8/1737 (4) 纤维：强度可达5

15、-6GPa, 弹性模量可达2耐热纤维的性能 纤维密度, g/cm模量, MPa强度, MPa芳纶-491.441242.92PBT1.583003.0PBO1.53403.4聚酰亚胺1.3-1.42503005.2碳纤维1.77-1.968225.32021/8/1738耐热纤维的性能 纤维密度, g/cm模量, MPa强度, M性能PI纤维Kevlar模量1400g/d 1000g/d 热氧化稳定性 300空气中强度保持90% 300空气中强度保持60% 吸水性 0.65% 4.56%在200的水蒸汽中 12小时强度保持60%8小时强度保持35% 聚酰亚胺纤维与Kevlar纤维的比较2021

16、/8/1739性能PI纤维Kevlar模量1400g/d 1000g/d在8540%硫酸中的耐水解性 250小时强度保持93% 40小时强度保持60%8510%NaOH中的耐水解性 1小时强度下降40% 50小时强度下降50% 80-100紫外光辐照24小时强度保持90%8小时强度保持20%纺丝液的处理 聚合溶液可以直接纺丝 聚合后要经过充分洗涤，再制成纺丝液 性能PI纤维Kevlar2021/8/1740在8540%硫酸中的耐水解性 250小时强度保持93% 4(5) 泡沫塑料：用作耐高温隔热材料。(6) 工程塑料：有热固性也有热塑性，可以模压成型也可用注射成型或传递模塑。主要用于自润滑、密

17、封、绝缘及结构材料。2021/8/1741(5) 泡沫塑料：用作耐高温隔热材料。2021/8/17412021/8/17422021/8/17422021/8/17432021/8/1743超高温工程塑料和复合材料 2021/8/1744超高温工程塑料和复合材料 2021/8/17442021/8/17452021/8/1745 (7) 胶粘剂：用作高温结构胶。 (8) 分离膜：用于各种气体对，如氢/氮、氮/氧、二氧化碳/氮或甲烷等的分离，从空气、烃类原料气及醇类中脱除水分。也可作为渗透蒸发膜及超滤膜。由于聚酰亚胺耐热和耐有机溶剂性能，在对有机液体和气体的分离上具有特别重要的意义。2021/8

18、/1746 (7) 胶粘剂：用作高温结构胶。2021/8/174分离膜和膜分离微滤膜、超滤膜、纳滤膜。反渗透膜渗透蒸发膜膜蒸馏气体分离膜2021/8/1747分离膜和膜分离微滤膜、超滤膜、纳滤膜。2021/8/1747 (9) 光刻胶：有负性胶和正性胶，分辨率可达亚微米级。与颜料或染料配合可用于彩色滤光膜，可大大简化加工工序。 (10) 在微电子器件中的应用：用作介电层进行层间绝缘，作为缓冲层可以减少应力，提高成品率。作为保护层可以减少环境对器件的影响，还可以对-粒子起屏蔽作用，减少或消除器件的软误差(soft error)。2021/8/1748 (9) 光刻胶：有负性胶和正性胶，分辨率可达亚微米级聚酰亚胺在微电子技术中的应用光刻胶：介电层，缓冲层，-粒子屏敝层，平坦化。型胶，负型胶。挠性印刷电路用覆铜板：有粘结剂，无粘结剂。液晶取向剂：TNLCD，STNLCD，TFTLCD。封装材料。2021/8/1749聚酰亚胺在微电子技术中的应用光刻胶：介电层，缓冲层，-粒子柔性印刷电路板2021/8/1750柔性印刷电路板2021/8/17502021/8/17512021/8/17512021/8/17522021