Poliímida - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos

Poliímida

Poliimidas (PI, PEI o PAI)

La poliimida (PI) es un polímero de monómeros de imida. En los de polímeros, el polímero de ftalimida es el más importante. Las últimas son las poliimidas más utilizadas por su buena termoestabilidad como son los polímeros de ftalimida mencionados anteriormente. Las poliimidas termoendurecibles son conocidas por su estabilidad térmica, buena resistencia química, excelentes propiedades mecánicas y característico color naranja / amarillo. La poliimida no se puede fundir ni moldear por inyección y, por lo tanto, tiene algunas limitaciones para un diseño y una productividad complicados. Las poliimidas (PI) tienen un grupo imida, -R-N=(CO)2=R0 -, en la cadena principal. Los polímeros eran los productos de reacción de componentes que comprenden un componente de dianhídrido aromático, un componente de diamina aromática y un componente de protección terminal. Debido a una variedad de posibles grupos R y R0, su Tg 180÷420°C. Para mejorar la procesabilidad, se incorporaron grupos flexibles a la cadena principal. Las poliamideimidas (PAI) se obtuvieron por policondensación de imidas con diaminas aromáticas, [-N=(CO) 2=f-CO-NH-R-NH-CO-f= (CO) 2=N-]n (Tg de 275°C, HDT de 265÷280°C). La resina tiene alta resistencia a la tracción y al impacto de T de 190-260°C, estabilidad dimensional, buenas propiedades dieléctricas, resistencia a solventes y químicos, retardancia de llama, buena estabilidad UV y baja desgasificación en alto vacío. Para mejorar la procesabilidad, se mezcló PAI con PA, PSF o PEST. Polieterimida (PEI), [-N(CO)2-fOfC (CH3)2-fOf (CΟ) 2CN-f]n (Tg de 215-220°C, HDT de 217°C, CUT de 170°C, sin pérdida de peso a T de 400°C). La resina tiene un alto módulo de tracción (incluso a temperaturas elevadas), aproximándose al de muchas resinas reforzadas con vidrio. Las mezclas comerciales de PEI incluyen estas con PC, con PPS o con polifenilsulfona. La poliimidesulfona (PISO) se introdujo en 1986 (Tg de 249÷349°C). Esta resina transparente con módulo de flexión de 4,8 GPa y resistencia a la tracción de 63 MPa ha demostrado una excelente resistencia a la fluencia y a los disolventes. Las poliimidas son polímeros que incorporan el grupo imida en su unidad repetitiva, ya sea como una cadena abierta o como anillos cerrados. Sin embargo, solo las imidas cíclicas son realmente interesantes en relación con la química del polímero. Por lo tanto, bajo el nombre genérico poliimidas, nos referiremos exclusivamente a las poliimidas cíclicas. Las poliimidas son una clase de polímeros de alto rendimiento que contienen un grupo imida, definido como un nitrógeno sp3 unido a dos carbonilos adyacentes. Esta estructura de imida se encuentra más comúnmente como parte de un anillo de cinco o seis miembros. Poliimidas aromáticas (PI), las polieterimidas (PEI) y las poliimida-amidas (PIA) destacan por sus propiedades mecánicas, resistencia química y rigidez dieléctrica. Existen como termoplásticos y termoendurecibles y están disponibles en muchos formatos. Las poliimidas se utilizan como adhesivos de fusión en caliente, resinas de matriz para compuestos, películas dieléctricas, recubrimientos fotoimagen, circuitos flexibles, espumas, aislamiento de cables, tubos de paredes delgadas, resinas de moldeo, conectores de alto voltaje y bujes y sellos de alto rendimiento. Aunque las poliimidas tienen un precio superior, su versatilidad, confiabilidad y rendimiento demostrado las hace adecuadas para su uso en aplicaciones de alto rendimiento donde los costos de falla y reemplazo son altos. A medida que los requisitos para un peso más ligero, un rendimiento de temperatura más amplio, una mayor resistencia, durabilidad e inercia continúen impulsando la tecnología, las poliimidas desempeñarán un papel cada vez más importante en las innovaciones del futuro. La primera síntesis informada de una poliimida aromática fue en 1908. Sin embargo, la mayor parte del desarrollo inicial y la comercialización de productos de poliimida fue realizada por investigadores en el 1960. Este esfuerzo inspiró a otros investigadores de la academia, la industria y los laboratorios gubernamentales a buscar la química, la fabricación y las aplicaciones de poliimidas que no se habían imaginado hace varias décadas. La primera referencia a una poliimida data de principios del siglo XX, sobre polímeros del ácido piromelítico (1,2,4,5- tetracarboxibenceno) y diaminas alifáticas. Desde entonces, el creciente interés en las poliimidas ha provocado una gran expansión de la ciencia y la tecnología de esta familia de polímeros especiales, que se caracterizan por excelentes propiedades mecánicas y eléctricas junto con una excelente estabilidad térmica. Entre la amplia lista de polímeros de condensación resistentes al calor informados, las poliimidas han ganado una posición prominente debido a sus buenas propiedades: precio y equilibrio de procesabilidad. Además, aunque al principio las poliimidas encontraron aplicación en una variedad bastante restringida de tecnologías, principalmente en la forma de películas y barnices para las industrias aeroespacial y eléctrica, el descubrimiento de poliimidas de adición y, más recientemente, de poliimidas aromáticas procesables termoplásticas tiene amplió la gama de propiedades y posibilidades de aplicación en gran medida. En la actualidad, deben considerarse polímeros versátiles con un espectro casi ilimitado de aplicaciones como polímeros especiales para tecnologías avanzadas. Desde el principio, la mayor parte del esfuerzo de investigación en poliimidas se dirigió al desarrollo de especies totalmente aromáticas, en busca de una alta estabilidad térmica. A este respecto, las poliimidas totalmente aromáticas son materiales que pueden conservar sus propiedades casi sin cambios durante largos períodos a 250÷300°C. Pero pronto se dio cuenta de que la aplicación de poliimidas aromáticas, y en general poliheterociclos aromáticos, no era posible a partir de la fusión y, además, su extrema rigidez estructural y alta densidad de energía cohesiva los hacían insolubles en cualquier medio orgánico. Dadas las excelentes propiedades de las poliimidas aromáticas, pronto se describieron las modificaciones estructurales para superar estas limitaciones, y como consecuencia de los muchos esfuerzos de investigación realizados en esta dirección, la química de las poliimidas se ha enriquecido enormemente gracias a las muchas mejoras logradas en el últimos treinta años Las polimidas se obtienen formalmente por policondensación de ácidos carboxílicos tetrafuncionales o de los anhídridos correspondientes con diaminas primarias y la posterior formación de enlaces imida. Los PI son polímeros de muy alto rendimiento adecuados para situaciones extremadamente críticas, que combinan resistencia al calor, propiedades autolubricantes, estabilidad dimensional y resistencia química. Su resistencia mecánica, química y térmica es tan alta que estos materiales a menudo reemplazan al vidrio y metales como el acero en muchas aplicaciones industriales. Esta una resina termoplástica aromática puede ser lineal o heterocíclica, apreciada por su alta resistencia a la temperatura y a los agentes químicos. Dichas cualidades son tan notables, que a menudo estos materiales han reemplazado al vidrio y a los metales como el acero, en muchas aplicaciones industriales. Las poliimidas son polímeros de alto rendimiento adecuado para situaciones extremadamente críticos, que combina resistencia al calor, propiedades autolubricantes, estabilidad dimensional y resistencia chimica. De acuerdo con la composición de su cadena principal, las poliimidas pueden ser;

Alifáticos (poliimidas lineales)
Semi-aromático
Aromático

Características estructurales PEI

Hay dos formas de fabricar las mezclas de TPI: una es mezclas de poliimida con polimida; el otro es el método de mezcla de ácido polámico (el TPI debe ser soluble). Como segunda forma, debido a la reacción de intercambio de amidoácidos, la formación de copolímeros es inevitable y existen muchos factores de impacto en las propiedades de las mezclas de TPI, como las condiciones de mezcla, el tiempo y la temperatura. En general, las relaciones entre la estructura y las propiedades generales que se aplican a la mayoría de los polímeros se aplican a las poliimidas. Las transiciones térmicas están influenciadas por la selección de monómeros y técnicas de procesamiento. Los monómeros que tienen torceduras, compensaciones, unidades giratorias, sustituyentes colgantes, restos alifáticos y unidades voluminosas tienden a reducir la Tg, la viscosidad de fusión, la cristalinidad y aumentar la solubilidad, ya que estas unidades ocupan más volumen libre al introducir una estructura más aleatoria que su homólogos simétricos. La selección adecuada de monómeros fluorados o que contienen óxido de fenilfosfina ha producido poliimidas solubles casi incoloras. Una poliimida interesante desarrollada por la NASA, LaRC-SI, no utiliza los enfoques estándar para desarrollar la solubilidad. Esta poliimida parte de una mezcla de dos dianhídridos, dianhídrido bifeniltetracarboxílico (BPDA) y dianhídrido oxidiftálico (ODPA), y una diamina odianisidina (3,4´-ODA) para producir una poliimida amorfa de alto peso molecular que es soluble en alta concentración común. Sorprendentemente, los dos homopolímeros, ODPA / 3,4-ODA (LaRC-IA) y BPDA / 3,4´-ODA, y el copolímero que usa ODPA / BPDA / 4,4´-ODA son todos insolubles y semicristalinos. Ha habido intentos exitosos de crear poliimidas termotrópicas. Estas poliimidas cristalinas líquidas se basan en diaminas de tipo éter de arileno extendidas para crear mezclas y termoplásticos de poliimida, o poliimidas termoendurecibles. Las ventajas de tales sistemas son que pueden procesarse en estado fundido más fácilmente, la viscosidad del fundido termotrópica reducida, y pueden sufrir una orientación molecular inducida por cizallamiento para obtener mejoras adicionales en las propiedades.

Estabilidad térmica PEI

Las poliimidas aromáticas son muy estables térmicamente debido a su grado de aromaticidad, estructura de anillo y densidad de empaquetamiento, que también son función de los ciclos de curado. Los puntos de descomposición típicos de las poliimidas, no sujetos a retro reacciones iniciadas térmicamente, están por encima de 450°C en el aire y por encima de 500°C en nitrógeno durante cortos intervalos de tiempo. La terminación de una poliimida con una unidad monofuncional estable mejora la estabilidad térmica al proteger los extremos de la cadena químicamente activos que están sujetos a inestabilidad térmica y química.El tratamiento de poliimidas a temperaturas superiores a 500°C, en condiciones no oxidantes, da como resultado altos rendimientos de aproximadamente 60% en peso de material carbonoso. El principal volátil que se desprende de la pirólisis es el CO del anillo de imida. Estas películas y preformas de carbono a base de poliimida se han obtenido para su uso como membranas y componentes estructurales de carbono / carbono.

Resistencia al medio ambiente PEI

Las poliimidas son resistentes al ataque químico, la radiación y la humedad. Una excepción son las poliimidas que contienen PMDA que se hidrolizan en condiciones básicas.El efecto de degradación de un anillo de imida, en PMDA, cambia las características del otro anillo por resonancia a través del anillo aromático común. Este también es el caso de las diaminas monoaromáticas. Sin embargo, la mayoría de las poliimidas son muy resistentes a cáusticos, ácidos, disolventes orgánicos, fluidos especiales y sales, incluso a temperaturas elevadas. Las poliimidas son típicamente bioinertes, es decir, no son tóxicas ni bioactivas. Sin embargo, se deben consultar las hojas de datos de seguridad de materiales de cada artículo de fabricación para obtener especificaciones detalladas. En general, las poliimidas termoplásticas (TPI) son estables para el ácido diluido, pero la mayoría de los TPI son materiales hidrolizados, especialmente en la solución alcalina.

Propiedades eléctricas

Las propiedades eléctricas y el rango de temperatura de las poliimidas han llevado a su uso generalizado como dieléctricos, sustratos flexibles, empaques electrónicos y aislamiento de cables para la industria electrónica. Se publicó una excelente revisión sobre algunos de los problemas de confiabilidad en ensamblajes electrónicos, desde el punto de vista de los materiales, que indica que la humedad es uno de los principales mecanismos de falla eléctrica. Aunque el anillo de imida es polar y deficiente en electrones, los dos dipolos de los grupos carbonilo se oponen entre sí y los anillos de imida a lo largo de la cadena principal de poliimida también se oponen direccionalmente entre sí. Esta geometría simula el efecto de volumen de un polímero apolar que hace que las poliimidas sean buenos materiales dieléctricos, cuando se combinan estas propiedades con su alta temperatura y estabilidad química. Las constantes dieléctricas típicas varían de menos de 3 a más de 6, según la estructura, la frecuencia, la temperatura y la absorción de humedad. Como era de esperar, las poliimidas fluoradas muestran constantes dieléctricas típicamente 0,5 más bajas que las poliimidas no fluoradas, ya que el átomo de flúor imparte baja polarización, absorción de agua y energía superficial. Se pueden hacer comparaciones similares a partir de los sistemas olefínicos fluorados (PTFE y PFE) con sus correspondientes análogos de hidrocarburos.

Como se preparan

Las poliimidas son polímeros de condensación obtenidos de la reacción de dianhídridos con diaminas. Las poliimidas se sintetizan generalmente a partir de dianhídridos aromáticos y diaminas alifáticas o, en el caso de poliimidas aromáticas, a partir de la reacción de dianhídridos aromáticos con diaminas aromáticas. Las poliimidas aromáticas se forman mediante un proceso general de dos etapas. El primer paso implica la condensación de dianhídridos aromáticos y diaminas aromáticas en un disolvente adecuado, como dimetilacetamida, para formar un precursor soluble o poli (ácido amico). La poliimida curada o totalmente imidizada, a diferencia del poli (ácido amico), es insoluble e infusible con alta estabilidad termooxidativa y buenas propiedades de aislamiento eléctrico. También están disponibles las poliimidas termoplásticas que pueden procesarse en estado fundido a altas temperaturas o fundirse en solución. Mediante una elección apropiada de los grupos colgantes de diamina aromática, fenilo o alquilo o enlaces de poliéter aromático de la cadena principal se pueden introducir en el polímero. Las poliimidas resultantes son solubles en disolventes relativamente no polares. Para que las poliimidas sean polímeros útiles, deben ser procesables, lo que significa que tienen que ser fundibles. La procesabilidad en estado fundido de las poliimidas se puede mejorar combinando la estructura imida básica con grupos aromáticos más flexibles. Esto se puede lograr mediante el uso de diaminas que pueden introducir enlaces flexibles como éteres aromáticos y amidas en la columna vertebral. Las poliamida-imidas se obtienen condensando anhídridos trimelíticos y diaminas aromáticas, mientras que las polieterimidas se producen por reacción de desplazamiento de nitro que implica bisfenol A, 4,4'-metilendianilina y anhídrido 3-nitroftalico.

Las poliimidas heterocíclicas aromáticas son los más utilizados y, a su vez, se pueden dividir en:

Termoplástico o pseudotermoplástico TPI

PI termoendurecible

TPI es un polímero termoplástico amorfo que ofrece una alta combinación de resistencia térmica de hasta 311°C, alta resistencia, rigidez y rendimiento de hasta 230°C, excelente resistencia química, incluidos los solventes clorados, no requiere tratamientos posteriores. Además, la resina es intrínsecamente ignífuga sin el uso de aditivos halogenados que pueden presentar un riesgo ambiental.

Esta familia incluye

Las polimidas aromáticas se caracterizan por:

muy alta estabilidad térmica
propiedades autoextinguibles
emisión limitada de humo en caso de combustión
buena estabilidad hidrolítica
excelentes propiedades mecánicas, incluso a altas temperaturas
alta tenacidad y buena resistencia al impacto, rigidez
alta módulo elástico, que puede mejorar con la incorporación de fibras de vidrio, grafito o cargas minerales

Preparación

El principal método de síntesis de poliimidas implica una reacción de policondensación en dos etapas entre diamina y dianhídridos aromáticos (anhídrido piromelítico en el diagrama) en solventes polares apróticos.

Existen varios métodos para la preparación de poliimidas, uno es la reacción de condensación entre un dianhídrido y una diamina, generalmente los más utilizados desde un punto de vista comercial son el dianhídrido piromelítico y la 4,4'-oxidianilina, o por condensación entre un dianhídrido y un diisocianato.

Polieterimida aromática (PEI)

La polieterimida aromática (PEI) es un importante polímero térmicamente estable: se puede usar de forma continua a 300°C y durante períodos cortos a 450°C. Se trabaja principalmente en forma de película. Se utiliza como aislante eléctrico en aviones y transbordadores espaciales. Las PEI aromáticas (polieterimidas) se pueden procesar con relativa facilidad con técnicas de transformación convencionales (extrusión, inyección y moldeo por compresión).

Poliammideimmide (PAI)

Es una poliamidaimida, derivada del anhídrido trimelítico y 4,4'-metilendianilina, resiste ácidos fuertes y la mayoría de los compuestos orgánicos. Tiene buena estabilidad dimensional y es resistente a la fluencia y a la abrasión.

Polichetoimida (PKI)

Es una polichetoimida (PKI) desarrollada a partir del ácido 3,3 ', 4,4' -benzofenonatetracarboxílico (BTDA) y 3,3'-diaminobenzofenona (DAB) tambien se puede producir desde isoftaloilbis (anhídrido ftálico) (IPDA) y la m-pfenilendiamina (PDA) de bajo costo. Es necesario usar un terminador al 5% (anhídrido ftálico) para controlar el peso molecular. Tiene casi las mismas propiedades que el TPI pero es menos costoso. Es costoso debido al componente amino (DAB), que también tiene importantes problemas de toxicidad. Se utiliza como adhesivo para altas temperaturas y también como matriz en materiales compuestos.

Resistencia quimica

Su resistencia mecánica, química y termica es tan alta que estos materiales a menudo reemplazan vidrio y metales como el acero en muchas aplicaciones industriales. Las poliimidas también son inherentemente resistentes a la combustión y por lo general no necesitan ser mezclados con retardantes a la llama. Las poliimidas aromáticas son compuestos prácticamente insolubles en disolventes orgánicos. Al igual que otros polímeros aromáticos, los TPI no son estables para el ácido sulfúrico concentrado, el ácido nítrico concentrado y los halógenos. La inmersión de muestras en agua destilada a 25–100°C durante períodos de tiempo que van desde una hora hasta varios cientos de horas dio como resultado una disminución en la resistencia a la tracción final del polímero de 157,32 MPa a aproximadamente 95,76 MPa.

Polimerización

Las poliimidas son aquellos polímeros que en su estructura poseen un grupo imida. En una molécula es un grupo que tiene una estructura de imida. Por polimerizacion , el producto se volve en una poliimida. Estos polímeros adoptan generalmente dos formas. Hay dos formas ; una forma lineal donde los atomos del grupo imida forman parte de la cadena lineal y la segunda forma es una estructura heterociclica donde el grupo imida forma parte de una unidad cíclica en cadena polimerica. Hay varios métodos para la preparación de poliimidas, una es la reacción de condensación entre un dianhídrido y una diamina, generalmentei los más utilizados por el punto de vista comercial son el dianhídrido piromelítico y 4,4'-oxidianilina , o por condensación entre un dianhídrido y un diisocianato.

Procesabilidad

Después de la polimerización y fabricación del TPI, se necesitan algunos procedimientos de procesamiento para convertir los polímeros de TPI en bruto en productos. Los procedimientos de procesamiento incluyen lo siguiente: moldeo por inyección, moldeo por compresión, moldeo por extrusión, revestimiento y hilado. El TPI podría ser muy coherente con varios sustratos, como metales, no metales y polímeros.Las poliimidas son polímero no fundible que resisten a temperaturas elevadas , por lo tanto se ouede procesar por sinterización, grandes cantidades de piezas acabadas se pueden producir utilizando el proceso de formacion directa (Direct Forming). Se utilizan prensas automáticas mecánicas o hidráulicas generalmente de alta velocidad, que compactan el polvo en las cavidades del molde y se sinterizan luego durante algunas horas a altas temperaturas sin oxígeno.

Aplicaciones

Sus campos de aplicación están entre los más diversos incluyendo: la industria aeroespacial, donde se usan como materiales estructurales y recubrimientos de alta estabilidad térmica; recubrimientos en aplicaciones eléctricas y electrónicas, materiales para aplicaciones en centrales nucleares debida a su alta resistencia a la radiación, membranas semipermeables de alta temperatura y muchos más. Las poliimidas aromáticas son compuestos prácticamente insolubles en disolventes orgánicos y por ello muy difíciles de procesar. Para la obtención de fibras se hilan disoluciones de ácido poliámico que se ciclodeshidrata térmicamente mientras se mantiene la fibra en tensión. Las poliimidas policíclicas aromáticas son fuertes y reistentes al calor y a los reactivos químicos. Pueden ser sustitutivos del vidrio y del acero para vajillas para microondas. Piezas de coches que tengan que soportar calor intenso, corrosivos, compbustibles o golpes (parachoques), compositos, adhesivos, aislantes, antifuegos y como fibras de ropa y telas, protecciones y aislantes de cables. Las poliimidas se utilizan en los defensas y componentes de motores automotrices ya que pueden soportar el calor intenso, los lubricantes, los combustibles y los líquidos refrigerantes corrosivos que todos los autos requieren. Además de aplicaciones cotidianas tales como vajillas para hornos de microondas y para empaque de alimentos debido a su estabilidad térmica, su resistencia a los aceites y grasas, a la radiación de microondas y a su transparencia a la radiación. Se utilizan también en la industria aeroespacial, donde se usan como materiales estructurales y recubrimientos de alta estabilidad térmica; recubrimientos en aplicaciones eléctricas y electrónicas, materiales para aplicaciones en centrales nucleares debidas a su alta resistencia a la radiación, membranas semipermeables de alta temperatura y muchos más. Los adhesivos basados en TPI se utilizaron ampliamente en las industrias aeroespacial y electrónica. Las aleaciones de titanio se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial y tienen una resistencia y tenacidad muy altas. Son livianos y tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas. Las resinas PEI se utilizan en instrumentación médica y química debido a su resistencia al calor, a los disolventes y a las llamas.

Actualmente no está disponible, sin embargo, comuníquese con Mexpolimeros para obtener más información, contáctanos tech@mexpolimeros.com

Proprietà	Unità	PI	PI GF10	PI GF20	Propiedad
Transizione vetrosa Tg	°C	370	260	-	Transición de vidrio T_g
Densità	g/cm2	1,38	1,41	1,46	Densidad
Modulo elastico	MPa	3700	4000	7000	Módulo elástico
Temperatura di servizio, a lungo termine	°C	300	300	300	Temperatura de servicio a largo plazo
Temperatura di servizio, a breve termine	°C	> 350	> 350	> 400	Temperatura de servicio, a corto plazo
Basse temperatura di servizio	°C	-270	-270	-270	Baja temperatura de servicio