دليل شامل للبوليميد (PI): "مادة عنق الزجاجة"

1. بوليميد - مقدمة

البوليميد عبارة عن مادة بوليمر عالية الأداء تتميز بحلقات إيميد.يمنحها هيكل السلسلة الجزيئية الصلبة خصائص ميكانيكية فائقة.وهو أيضًا بوليمر مقاوم لدرجات الحرارة العالية، وعادةً ما يحتفظ بخصائصه الفيزيائية الرئيسية لفترات قصيرة عند 550 درجة مئوية وقادر على الاستخدام على المدى الطويل عند درجات حرارة قريبة من 330 درجة مئوية.لقد تم تصنيع راتنجات البوليميد لمدة نصف قرن، حيث لعبت دورًا حاسمًا في مجالات التقنية العالية كمصفوفة للمواد البلاستيكية الهندسية والمواد المركبة.
يمتلك البوليميد مقاومة ممتازة للإشعاع، ومقاومة للتآكل، ومقاومة لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، والاستقرار الكيميائي، والخواص الميكانيكية، وخصائص العزل الكهربائي.وهي تعتبر، إلى جانب ألياف الكربون وألياف الأراميد، واحدة من المواد البوليمرية الثلاثة الرئيسية "عنق الزجاجة" التي تقيد تطوير صناعات التكنولوجيا الفائقة في بلدي.يُصنف الأداء الشامل لـ PI في أعلى هرم مادة البوليمر عالية الأداء، وقد تم استخدامه على نطاق واسع في العديد من مجالات التقنية العالية مثل الطيران والإلكترونيات والنقل والطاقة والدفاع.

2. بوليميد - خصائص فريدة

PI عبارة عن بوليمر حلقي غير متجانس يحتوي على مجموعات إيميد (—R—CO—NH—CO—R'—) في جزيئه، وهو أحد البوليمرات ذات الأداء العام الأعلى حتى الآن.يُظهر PI مقاومة درجات الحرارة العالية (درجة حرارة التحلل الحراري ≥ 500 درجة مئوية) ومقاومة درجات الحرارة المنخفضة (تصل إلى -269 درجة مئوية)، مع نطاق درجة حرارة التشغيل طويل المدى من -200 إلى 300 درجة مئوية؛معامل التمدد الحراري هو فقط 10⁻⁵~10⁻⁷ ⁻¹;ثابت العزل الكهربائي عند 1000 هرتز هو 4.0، وفقدان العزل الكهربائي هو 0.004~0.007 فقط، ومقاومته الحجمية هي 10⁵ Ω·m، مما يصنفه على أنه عازل F~H؛تبلغ قوة الشد 100 ~ 400 ميجا باسكال، ويمكن أن يصل معامل الألياف المرنة نظريًا إلى 500 جيجا باسكال، في المرتبة الثانية بعد ألياف الكربون (700 جيجا باسكال)؛بالإضافة إلى ذلك، فهو يتمتع بمزايا مثل مقاومة الإشعاع، وتثبيط اللهب وخصائص الإطفاء الذاتي، والتوافق الحيوي.يصنف الأداء الإجمالي لـ PI في أعلى هرم مادة البوليمر عالية الأداء (كما هو موضح في الشكل 2).

الشكل 2. هرم مادة البوليمر عالي الأداء

يمكن تلخيص الخصائص الفريدة للبوليميد على النحو التالي:

(1) درجة حرارة التحلل الحراري

وفقًا لتحليل قياس الوزن الحراري، فإن درجة حرارة التحلل الأولية للبوليميدات العطرية الكاملة تبلغ عمومًا حوالي 500 درجة مئوية.تتمتع البوليميدات المُصنَّعة من ثنائي فينيل ديانهيدريد وp-فينيلينديامين بدرجة حرارة تحلل حراري تبلغ 600 درجة مئوية، مما يجعلها واحدة من أكثر البوليمرات استقرارًا حراريًا حتى الآن.

(2) مقاومة درجات الحرارة العالية

يمكنه تحمل درجات حرارة أعلى من 400 درجة مئوية، مع نطاق درجة حرارة تشغيل طويل المدى يتراوح من -200 إلى 300 درجة مئوية ولا توجد نقطة انصهار واضحة.

(3) مقاومة درجات الحرارة المنخفضة للغاية

يمكنه تحمل درجات الحرارة المنخفضة للغاية، مثل البقاء هشًا في الهيدروجين السائل عند درجة حرارة مطلقة تبلغ 4K (-269 درجة مئوية).

(4) الخواص الميكانيكية

قوة الشد للبوليميدات غير المملوءة تزيد عن 100 ميجا باسكال.تبلغ قوة طبقة بوليميد Kapton 250 ميجا باسكال، بينما تصل قوة طبقة بوليميد Upilex-S إلى 530 ميجا باسكال.وباعتباره بلاستيكًا هندسيًا، فإن معامل مرونته يكون عادةً 3-4 جيجا باسكال.أفاد باحثون روس أن الألياف المغزولة من البوليميدات المركبة يمكن أن تصل إلى قوة تتراوح بين 5.1-6.4 جيجا باسكال ومعامل يتراوح بين 220-340 جيجا باسكال.تظهر الحسابات النظرية أن ألياف البوليميد المُصنَّعة من ثنائي هيدريد البيروميلتيك وp-فينيلينديامين يمكن أن تحقق معاملًا يصل إلى 500 جيجا باسكال، في المرتبة الثانية بعد ألياف الكربون.

(5) مقاومة التحلل المائي

البوليميدات مستقرة نسبيًا للأحماض المخففة، لكن معظم الأصناف ليست شديدة المقاومة للتحلل المائي، وخاصة التحلل المائي القلوي.هذه الخاصية التي تبدو غير مواتية تمنح البوليميد ميزة كبيرة مقارنة بالبوليمرات الأخرى عالية الأداء: القدرة على استعادة ثنائي الهيدريدات والديامينات من مواده الخام عن طريق التحلل المائي القلوي.على سبيل المثال، يمكن أن يصل معدل الاسترداد لأفلام Kapto إلى 90%.يمكن أن يؤدي تعديل البنية أيضًا إلى إنتاج أصناف ذات مقاومة كبيرة للتحلل المائي، حتى بعد الغليان في الماء عند درجة حرارة 120 درجة مئوية لمدة 500 ساعة.ومع ذلك، مثل البوليمرات العطرية الأخرى، فإن البوليميد ليس مقاومًا لحمض الكبريتيك المركز وحمض النيتريك والهالوجينات.

(6) مقاومة الأحماض والمذيبات

بوليميد لديه طيف ذوبان واسع.اعتمادًا على تركيبها، تكون بعض الأصناف غير قابلة للذوبان تقريبًا في جميع المذيبات العضوية، بينما البعض الآخر قابل للذوبان في المذيبات الشائعة مثل رباعي الهيدروجين والأسيتون والكلوروفورم وحتى التولوين والميثانول.مثل البوليمرات العطرية الأخرى، فإن البوليميد ليس مقاومًا لحمض الكبريتيك المركز وحمض النيتريك والهالوجينات.

(7) معامل التمدد الحراري

يتراوح معامل التمدد الحراري للبوليميد بين 2x10⁻⁵ و3x10⁻⁵ درجة مئوية⁻¹، في حين أن بوليميد ثنائي الفينيل من النوع يمكن أن يصل إلى 10⁻⁶ درجة مئوية⁻¹، مقارنة بمعامل المعادن.يمكن أن تصل درجة حرارة بعض الأصناف إلى 10⁻⁷ درجة مئوية⁻¹.

(8) مقاومة الإشعاع

يُظهر البوليميد مقاومة عالية للإشعاع.تحتفظ أفلامها بنسبة 86% من قوتها حتى بعد امتصاص جرعة قدرها 5×10⁷ غراي.تحتفظ ألياف البوليميد بنسبة 90% من قوتها بعد تشعيعها بإلكترونات 1×10⁸ غراي.

(9) خصائص العزل الكهربائي

يمتلك البوليميد خصائص عازلة ممتازة.يبلغ ثابت العزل الكهربائي للبوليميد العطري العادي حوالي 3.4.إن إدخال الفلور، أو مجموعات جانبية كبيرة، أو تشتيت الهواء على المستوى النانوي في بوليميد يمكن أن يقلل من ثابت العزل الكهربائي إلى حوالي 2.5.فقدان العزل الكهربائي هو 10⁻³، وقوة العزل الكهربائي هي 100~300 كيلو فولت/مم، ومقاومة الحجم هي 10¹⁷ Ω·cm.تظل هذه الخصائص عالية على نطاق واسع من درجات الحرارة والتردد.

(10) خصائص مثبطات اللهب

الإطفاء الذاتي: البوليميد بشكل عام لا يحترق تلقائيًا أو يدعم الاحتراق، مما يجعله آمنًا جدًا للاستخدام في البيئات ذات درجات الحرارة العالية؛انبعاث دخان منخفض: يُظهر البوليميد انبعاث دخان منخفض للغاية أثناء الاحتراق في درجات الحرارة العالية، مما يساعد على تقليل إطلاق الدخان والغازات السامة أثناء الحريق؛بقايا الفحم العالية: بعد الاحتراق بدرجة حرارة عالية، تكون بقايا الفحم في البوليميد أعلى من 50%، مما يساعد على منع المزيد من انتشار الحريق.

(11) التوافق الحيوي

مادة البوليميد غير سامة ويمكن استخدامها لتصنيع أدوات المائدة والأدوات الطبية، ويمكن أن تتحمل آلاف دورات التعقيم.تتمتع بعض البوليميدات أيضًا بتوافق حيوي ممتاز؛على سبيل المثال، فهي غير انحلالية في اختبارات توافق الدم وغير سامة في اختبارات السمية الخلوية.

3. بوليميد - التطبيقات

يتضمن نموذج المعالجة النموذجي للمواد البلاستيكية ذات الأغراض العامة والبلاستيك الهندسي الموردين الذين يقدمون الراتنجات الأساسية، والتي تتم معالجتها بعد ذلك إلى منتجات مختلفة من قبل الشركات المصنعة لتزويد السوق.ومع ذلك، فإن الشركات ذات الصلة بالـ PI تقوم في الغالب بدمج تصنيع المواد وقولبة المنتجات، وتوريد المنتجات مباشرة إلى السوق.تأتي منتجات PI في أشكال مختلفة، بما في ذلك الأفلام، والملاط، والراتنجات، والألياف، والرغاوي، والمواد المركبة (الجدول 1)، وتتميز بتنوع كبير في أنواع المنتجات، وتحتل المرتبة بين أفضل مواد البوليمر.

من المتوقع أن يصل حجم سوق البوليميد إلى 5.46 مليار دولار أمريكي في عام 2024 ومن المتوقع أن يصل إلى 7.6 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2029، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 6.84٪ خلال الفترة المتوقعة (2024-2029).
(1) الأفلام

تعد أفلام البوليميد أول شكل تم تسويقه تجاريًا وأكبر شكل من أشكال منتجات PI، ويتم إنتاجها عادةً عن طريق تقليد ملاط ​​PAA بعد الصب.تتميز أفلام PI التقليدية باللون الكهرماني وتمتلك خصائص ميكانيكية ممتازة، وخصائص عازلة، ومقاومة لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، ومقاومة للإشعاع، مما أكسبها سمعة "الأفلام الذهبية".

تشمل أفلام PI نوعين: أفلام بوليميد البيروميليتي وأفلام بوليميد ثنائي الفينيل.الأول، الذي تنتجه شركة دوبونت تحت الاسم التجاري كابتون، مصنوع من أنهيدريد رباعي الكربوكسيليك الحراري وإيثر ثنائي أمين ثنائي الفينيل.هذا الأخير، الذي تنتجه شركة Ube Industries, Ltd. تحت الاسم التجاري Upilex، مصنوع من ثنائي فينيل رباعي الكربوكسيليك ديانهيدريد وثنائي فينيل إيثر ديامين (نوع R) أو م-فينيلينديامين (نوع S).

من منظور تقني، هناك أنواع عديدة من أفلام PI، بما في ذلك أفلام PI السوداء، وأفلام PI ذات اللون الأصفر البني، وأفلام PI الشفافة، وأفلام PI المقاومة للإكليل.يتم تحضير الثلاثة الأخيرة بشكل رئيسي باستخدام طريقة الإيميد الكيميائي وهي أصناف التطبيق الرئيسية في السوق الراقية.

وفقًا لفئات التطبيقات المختلفة، يمكن تقسيم أفلام PI إلى أفلام PI الكهربائية، وأفلام PI الإلكترونية، وأفلام PI للتحكم الحراري، وأفلام PI الفضائية، وأفلام CPI للشاشات المرنة.

(2) الألياف

ألياف بوليميد هي ألياف مهمة عالية الأداء.ألياف البوليميد المقاومة للحرارة العالية هي واحدة من الألياف الاصطناعية العضوية ذات أعلى درجة حرارة تشغيل، قابلة للاستخدام عند 250~350 درجة مئوية.إنها تتفوق على ألياف الأراميد والبولي فينيلين كبريتيد من حيث مقاومة الضوء وامتصاص الماء ومقاومة الحرارة.تبلغ قوة ألياف البوليميد عالية الأداء حوالي ضعف قوة الأراميد، مما يجعلها واحدة من الألياف الاصطناعية العضوية ذات أفضل الخواص الميكانيكية.

المعامل المرن لألياف البوليميد يأتي في المرتبة الثانية بعد ألياف الكربون، مما يجعله عامل تقوية للمواد المركبة المتقدمة.ويمكن أيضًا نسجها في الحبال أو الأقمشة أو الأقمشة غير المنسوجة لاستخدامها في تصفية الغازات والسوائل ذات درجات الحرارة العالية أو المشعة أو العضوية، واللباد المقاوم للحريق، وورق الألياف، والأقمشة المضادة للرصاص، والأقمشة المقاومة للحريق.المثال الأكثر شهرة هو ألياف بوليميد P84 من Lenzing.

(3) مصفوفة المواد المركبة المتقدمة

تستخدم في المكونات الهيكلية وأجزاء المحركات للطيران والطائرات والصواريخ.يمكن استخدامه لمئات الساعات عند 380 درجة مئوية أو أعلى، ويمكنه تحمل فترات قصيرة من 400 إلى 500 درجة مئوية، مما يجعله أكثر المواد المركبة القائمة على الراتنج مقاومة للحرارة.تستخدم مركبات ألياف الكربون/بوليميد على نطاق واسع في صناعة الطائرات.يمكن استخدام المركبات المقواة بألياف الكربون مع مواد مصفوفة بوليميد مثل BMI وPMR-15 لإنتاج قلنسوات محركات الطائرات وقنوات التهوية وشفرات مروحة المحرك.

(4) هندسة اللدائن

وتشمل هذه المواد كلاً من المواد المتصلدة بالحرارة والمواد البلاستيكية الحرارية، ويمكن تشكيلها أو حقنها أو نقلها.وهي تستخدم أساسا للتشحيم الذاتي، والختم، والعزل، والمواد الهيكلية.يمكن استخدام البلاستيك الهندسي الفائق، الذي يمثله DuPont's Vespel، للاستخدام طويل الأمد في نطاق درجات حرارة واسع جدًا من درجات الحرارة المنخفضة إلى درجات الحرارة المرتفعة، كما يتمتع بمقاومة تآكل ممتازة.ولذلك، يمكن استخدامها كمكونات لمحركات الطائرات، ويمكن تطبيقها أيضًا في صناعات السيارات والأقمار الصناعية والآلات.

(5) الطلاءات

يتم استخدامها كورنيش عازل للأسلاك الكهرومغناطيسية أو كطلاءات مقاومة لدرجة الحرارة العالية.

(6) البلاستيك الرغوي

يتم استخدامها كمواد عازلة للحرارة وعازلة للصوت لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة للغاية.

(7) أغشية الفصل

تُستخدم أغشية الفصل PI لفصل أزواج الغازات المختلفة (مثل الهيدروجين/النيتروجين، أو النيتروجين/الأكسجين، أو ثاني أكسيد الكربون/النيتروجين، أو الميثان)، وإزالة الرطوبة من الهواء، وغازات التغذية الهيدروكربونية، والكحوليات.ويمكن استخدامها أيضًا في أغشية التبخير وأغشية الترشيح الفائق.نظرًا لمقاومة الحرارة ومقاومة المذيبات العضوية للبوليميد، فهو مهم بشكل خاص لفصل السوائل العضوية والغازات.

(8) مقاومو الضوء

مثل مقاومات الضوء العادية، يمكن تصنيف البوليميدات الحساسة للضوء على أنها مقاومات ضوئية سلبية أو إيجابية اعتمادًا على آلية التفاعل الكيميائي الضوئي.يمكن الآن تطوير مقاومات الضوء PI باستخدام محاليل مائية، مما يحقق دقة أقل من الميكرون.مع الأصباغ أو الأصباغ، يمكن استخدامها في أغشية مرشح الألوان، مما يبسط خطوات المعالجة إلى حد كبير.حاليًا، تقدم شركات Siemens وDuPont وCiba-Geigy وMerck مثل هذه المنتجات.

(9) أغشية نقل البروتون

تُستخدم كأغشية في خلايا الوقود، وخاصة خلايا وقود الميثانول، وتكون نفاذية الميثانول الخاصة بها أقل بكثير من نفاذية أغشية حمض البيرفلوروسلفونيك التقليدية (نافيون).

(10) المواد الإلكترونية الضوئية

تستخدم كمواد دليل موجي سلبي أو نشط، ومواد تبديل بصرية، وما إلى ذلك، وتكون البوليميدات المفلورة شفافة في نطاق الطول الموجي للاتصالات؛يمكن أن يؤدي استخدام البوليميدات كمصفوفة كروموفور إلى تحسين ثبات المادة.

(11) محاذاة شاشات الكريستال السائل

تلعب البوليميدات دورًا مهمًا جدًا كعوامل محاذاة في شاشات TN-LCD وSTN-LCD وTFT-LCD وشاشات الكريستال السائل الكهروضوئية المستقبلية.

(12) تطبيقات في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة

تستخدم كطبقة عازلة للعزل بين الطبقات، كطبقة عازلة لتقليل الضغط وتحسين الإنتاجية.باعتبارها طبقة واقية، يمكنها تقليل تأثير البيئة على الجهاز، ويمكنها أيضًا حماية جزيئات ألفا، مما يقلل أو يزيل الأخطاء الناعمة في الجهاز.

(13) مواد متوافقة حيويا

لقد اجتذب توافق البوليميدات المفلورة مع الدم والأنسجة الاهتمام بالتطبيقات في المواد المتوافقة حيوياً.يستخدم PI على نطاق واسع في الأقطاب الكهربائية وأجهزة الاستشعار الحيوية وأنظمة توصيل الأدوية وبدائل الأنسجة العظمية والأقنعة أو أجهزة التنفس والمواد المضادة للبكتيريا.

(14) مواد لاصقة

تستخدم كمواد لاصقة مقاومة لدرجات الحرارة العالية.إنها تمتلك خصائص ميكانيكية ممتازة في درجات الحرارة العالية، وخصائص عازلة، ومقاومة للإشعاع، وقد تم تطبيقها على نطاق واسع في مجالات التكنولوجيا الفائقة مثل الفضاء الجوي والآلات الإلكترونية الدقيقة.لقد قاموا أيضًا بحل مشكلة درجات الحرارة المقاومة للحرارة ذات الحد الأعلى الأدنى الموجودة في المواد اللاصقة العضوية الأخرى.

(15) الطلاءات

نظرًا لبنيتها الفريدة، غالبًا ما تستخدم طلاءات بوليمر البوليميد كطبقات واقية من الحرارة، وطبقات مقاومة للماء والرطوبة، وطبقات مقاومة للإشعاع، وطبقات عازلة أخرى.لديهم تطبيقات واسعة في صناعات مثل الطيران والإلكترونيات وتصنيع الآلات والبناء.