聚酰亚胺 (PI) 综合指南

一、聚酰亚胺 (PI) - 概述

聚酰亚胺（Polyimide，简称PI）是一种特殊的聚合物，其单体结构中包含两个与氮元素形成键合的酰基。这种聚合物既可以是热固性的，也可以是热塑性的，这为其应用提供了极大的灵活性。在众多领域中，聚酰亚胺已经取代了传统的玻璃、金属甚至钢材等材料。其较显著的特点是具有极高的热稳定性，能够在超过500°C的高温下保持稳定的性能。此外，聚酰亚胺还展现出优异的介电性能以及低热膨胀系数。

作为一种有吸引力的介电材料，聚酰亚胺已广泛应用于电子、航空航天和汽车领域，满足了对在高温等恶劣条件下表现良好的材料的日益增长的需求。聚酰亚胺由于其高温稳定性、机械性能和优异的耐化学性而成为一类重要的逐步增长聚合物。

详细探索聚酰亚胺 (PI) 及其关键特性，如机械、热、电等，并了解是什么使它成为高端工程应用的理想选择。

01.聚酰亚胺——是什么让它们受欢迎？

聚酰亚胺 (PI) 是酰亚胺单体的高性能聚合物，其中包含两个与氮 (N) 键合的酰基 (C=O)。这些聚合物以其在 400-500°C 范围内的高温性能以及耐化学性而闻名。

在许多工业应用中，它们被用来取代玻璃、金属甚至钢的传统用途。

聚酰亚胺具有出色的机械性能，因此可用于需要坚固有机材料的应用中，例如：

耐高温燃料电池

平板显示器

航空航天应用

化工和环保行业

以及各种军事应用

它们可用作塑料、薄膜、层压树脂、绝缘涂料和高温结构粘合剂。

聚酰亚胺有两种形式：热固性和热塑性。

根据其主链的构成，聚酰亚胺可分为脂肪族、芳香族、半芳香族热塑性塑料和热固性塑料。

芳香族聚酰亚胺由芳香族二酐和二胺衍生而来。

半芳族化合物包含任何一种单体芳烃：即，二酐或二胺中的任何一个是芳族的，而另一部分是脂族的。

脂肪族聚酰亚胺由脂肪族二酐和二胺结合形成的聚合物组成。

芳香族聚酰亚胺的分子结构

芳族杂环聚酰亚胺（L）；线性聚酰亚胺 (R)

聚酰亚胺自 1955 年开始大量生产。

02.聚酰亚胺的合成

聚酰亚胺是通过在聚合物链中加入高度稳定和刚性的杂环系统来制备的。因此，惰性酰亚胺环的存在和高链间相互作用，即聚合物链之间的高内聚力赋予聚合物高热稳定性。

聚酰亚胺的经典合成方法是通过二酐和二胺的反应。

1908 年首次报道了芳香族聚酰亚胺的合成。然而，由于缺乏通过熔融聚合的加工性，聚酰亚胺合成和加工没有取得重大进展。1960 年代初期，杜邦是第一家商业化生产聚酰亚胺的公司。它基于均苯四酸二酐和 4,4'二氨基二苯醚。

这种反应由两个步骤组成

芳族二胺和二酐的溶液缩聚形成聚(酰胺酸)

可以将聚（酰胺酸）加工成有用的形状，然后将酰胺酸环化脱水以形成聚酰亚胺

大多数聚酰亚胺由于其平面芳族和杂芳族结构是不熔和不溶的，因此通常需要从溶剂路线进行加工。这种方法提供了第一个这样的基于溶剂的途径来加工这些聚酰亚胺。

通过在主链和/或侧基上引入芳环可以进一步提高聚合物的热稳定性。除了如此高的热稳定性外，由刚性酰亚胺和芳环组成的化学结构的性质始终提供：

优异的机械韧性

优异的介电性能

高耐化学性

此外，根据应用需求，可以将其他功能添加到 PI 的主干和/或侧组中。这些包括：

光反应性

分子识别能力

非线性光学

发光能力等

03.聚酰亚胺的众所周知的性质

聚酰亚胺具有出色的热稳定性 (>500 °C)、机械韧性和耐化学性。它们具有优异的介电性能。

环状主链的线性和刚度允许分子排序。这种现象导致的热膨胀系数 (CTE) 低于具有盘绕、柔性链的热塑性聚合物的热膨胀系数。

此外，长的线性有序链的形态为芳族聚酰亚胺提供了耐溶剂性。

聚酰亚胺的相对刚性结构提供了高玻璃化转变温度（Tg > 300°C）并赋予了良好的机械强度和高模量。

聚酰亚胺的优点和局限性

此外，PI 基体在复合材料部件的制造中发挥着非常重要的作用。PI 复合材料不仅在热服务和机械性能方面增加了价值，而且还提高了加工方法和质量。

然而，用于高温复合材料部件的聚酰亚胺基体的设计和合成难度很大，因为基体树脂不仅需要具有足够的热性能和机械性能，而且还需要具有适当的熔融加工性

一些碳纤维增强热固性聚酰亚胺基复合材料已证明适用于不同的加工方法，如高压釜和 RTM，以及在 370°C 应用中的优异综合性能。

04.如何加工 PI？

加工温度：380～430℃

强烈建议在加工前干燥：180°C 10 小时或 200°C 5 小时。

即使聚酰亚胺是结晶聚合物，挤出或注射成型的产品通常也是无定形的。为了提高使用温度（从非晶态的240℃到结晶态的340℃），可以在加工后进行退火。

对于聚酰亚胺的注射成型，建议模具温度为 170-210°C。

并且，挤出条件为：

挤出温度：~ 400°C

建议 L/D 比至少为 20-25

二、聚酰亚胺 (PI) - 热门应用

聚酰亚胺（也称为 PI 或 Kapton）因其出色的机械强度、电绝缘性能和热稳定性而广泛用于航空航天、医疗和汽车工业的电子应用。重新审视 PI 聚合物在电子/电气领域的应用子领域。

聚酰亚胺在电子领域的应用主要包括晶圆载体和导轨、测试支架、芯片托盘、硬盘驱动器组件、电连接器、线圈骨架、电线绝缘体以及电子市场的数字复印机和打印机组件。

近年来，基于聚酰亚胺的传感器材料因其以下特性而备受关注：

制备方法简单

化学惰性

机械和热稳定性，以及

高生物相容性

PI薄膜在宽温度范围（-269°C至400°C）内具有优异的物理、电气和机械性能，为塑料薄膜开辟了新的设计和应用领域。

由于耐高温和良好的尺寸稳定性，PI 薄膜非常适合用于绝缘电路板、高温粉末涂料和变压器制造。

聚酰亚胺薄膜因其高热稳定性、韧性和柔韧性而被广泛用作柔性太阳能电池的介电基板。由于其高热稳定性，PI 薄膜用于生产具有较高效率和产量的太阳能电池，并用作薄膜 a-Si 和 CIGS 光伏应用中的基板。

光学聚合物薄膜的分类

热固性聚酰亚胺管和涂层线是一种用途广泛的产品，在高性能医疗设备中具有广泛的用途。典型的医疗应用包括心血管导管、取回设备、推环、标记带、血管成形术、支架输送设备、神经设备、电绝缘体应用和药物输送系统。

聚酰亚胺为医用管材带来以下好处：柔韧性、高抗拉强度、生物相容性、低摩擦、透明性、严格的公差、薄壁、光滑的表面、可推动性和柱强度。聚酰亚胺符合 USP VI 类标准，符合 ISO 10993 对 III 类设备的生物相容性要求。聚酰亚胺可通过伽马射线、环氧乙烷和电子束灭菌方法进行灭菌。

聚酰亚胺薄膜被广泛用作柔性太阳能电池的介电基板

聚酰亚胺在电子领域的应用主要包括晶圆载体和导轨、测试支架、电连接器等。

聚酰亚胺为医用管材带来柔韧性、高抗拉强度、生物相容性等优点。

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