โพลีอิไมด์มีความทนทานต่อความร้อนสูงมาก ทนต่ออุณหภูมิต่ำมาก และมีเสถียรภาพมิติที่ดี
โพลีอิไมด์คืออะไร?
โพลีอิไมด์ (PI) เป็นวัสดุพอลิเมอร์ชนิดหนึ่งที่มีความทนทานต่อความร้อนสูง พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษ 1950 โดยทั่วไปหมายถึงพอลิเมอร์ชนิดหนึ่งที่มีวงแหวนอิไมด์ (—CO—NH—CO—) บนสายโซ่หลัก
ลักษณะการทำงาน
เนื่องจากโครงสร้างโพลีอิไมด์ประกอบด้วยวงแหวนเฮเทอโรไซคลิกอะโรมาติกที่มีเสถียรภาพสูง จึงมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมหลายประการ:
1. ทนความร้อน:
โพลีอิไมด์มีความทนทานต่อความร้อนสูงมาก การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมทริกของ TGA แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิการสลายตัวของโพลีอิไมด์สามารถสูงถึง 500-600 องศาเซลเซียส โพลีอิไมด์เป็นหนึ่งในพอลิเมอร์ที่เสถียรที่สุดในระยะนี้
2. ทนทานต่ออุณหภูมิต่ำ
วัสดุโพลีอิไมด์มีความทนทานต่ออุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ แม้ในไนโตรเจนเหลวที่อุณหภูมิต่ำเป็นพิเศษ ก็ไม่เปราะและยังคงรักษาความแข็งแรงเชิงกลไว้ได้ในระดับหนึ่ง
3. คุณสมบัติเชิงกลที่ดี:
ฟิล์มโฮโมฟีนิลีนโพลีอิไมด์ (Kapton) มีความแข็งแรงดึง 170 MPa และโมดูลัสแรงดึง 3.0 GPa ในขณะที่ฟิล์มไบฟีนิลโพลีอิไมด์ (Upilex) มีความแข็งแรงดึงถึง 400 MPa และโมดูลัสแรงดึงอยู่ที่ 3 ~ 4 GPa และอาจมากกว่า 200 GPa หลังจากการปรับปรุงแล้ว
4. มีเสถียรภาพมิติที่ดี:
วัสดุโพลีอิไมด์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก โดยทั่วไปค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนจะอยู่ที่ 2×105 ~ 3×10-5/℃ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของไบฟีนิลโพลีอิไมด์อยู่ที่ 1×10-6/℃ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของแต่ละผลิตภัณฑ์อาจอยู่ที่ 1×10-7/℃ ซึ่งใกล้เคียงกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของโลหะ เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำนี้เองที่ทำให้ PI สามารถนำไปใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น
5. คุณสมบัติทางไฟฟ้าและฉนวนที่ดี:
ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุโพลีอิไมด์โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 3.0 ถึง 3.6 เมื่อใส่อะตอมฟลูออรีนเข้าไปหรืออากาศในระดับนาโนกระจายตัวเข้าไป ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสามารถลดลงเหลือระหว่าง 2.5 ถึง 2.7 หรือต่ำกว่านั้นได้ การสูญเสียไดอิเล็กทริกอยู่ที่ประมาณ 1×10-3 ความแข็งแรงไดอิเล็กทริกอยู่ที่ 100 ~ 300 กิโลโวลต์/มิลลิเมตร และความต้านทานเชิงปริมาตรอยู่ที่ 1×1017 Ω.cm โพลีอิไมด์ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำนี้รับประกันการใช้งานเป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์และวัสดุฉนวนในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์
6. ต้านทานรังสีได้ดี:
วัสดุโพลีอิไมด์มีความเสถียรภายใต้อุณหภูมิสูง สุญญากาศสูง และการฉายรังสี และมีสารระเหยต่ำ
7.เสถียรภาพทางเคมีที่ดี:
โดยทั่วไปโพลีอิไมด์จะไม่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ทั่วไป และโพลีอิไมด์ที่ละลายได้ทั่วไปจะละลายได้ในตัวทำละลายอินทรีย์ที่มีขั้วเฉพาะบางชนิดเท่านั้น อย่างไรก็ตาม โพลีอิไมด์เช่นเดียวกับพอลิเมอร์อะโรมาติกอื่นๆ ไม่สามารถทนต่อกรดซัลฟิวริกเข้มข้น กรดไนตริกเข้มข้น และฮาโลเจน โพลีอิไมด์มีความทนทานต่อการไฮโดรไลซิสสูงต่อกรดเจือจาง และมีความเสถียรสูงต่อสารออกซิไดซ์และสารรีดิวซ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง แต่โพลีอิไมด์ทั่วไปไม่ทนต่อการไฮโดรไลซิส โดยเฉพาะอย่างยิ่งการไฮโดรไลซิสด้วยด่าง
8.ทนไฟได้ดี:
โพลีอิไมด์เป็นพอลิเมอร์ที่ดับไฟได้เองและมีอัตราการเกิดควันต่ำมาก อัตราการตกค้างของคาร์บอนหลังการเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงมักสูงกว่า 50% โพลีอิไมด์เป็นสารหน่วงไฟและความร้อนที่ดี
9.ปลอดสารพิษและเข้ากันได้ทางชีวภาพ:
โพลีอิไมด์ไม่เป็นพิษ และโพลีอิไมด์บางชนิดยังมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูง โพลีอิไมด์สามารถนำไปใช้ผลิตภาชนะบนโต๊ะอาหารและอุปกรณ์ทางการแพทย์ และสามารถทนต่อการฆ่าเชื้อได้หลายพันครั้ง
10.โพลีอิไมด์ก็มีข้อบกพร่องเช่นกัน:
โพลีอิไมด์แบบดั้งเดิมนั้นไม่สามารถหลอมรวมได้และแปรรูปได้ยาก ฟิล์มมีความแข็ง เปราะ และมีความแข็งแรงต่ำ เมื่อนำไปใช้ในอุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนจะต่ำ ในอุตสาหกรรมการสื่อสารด้วยแสง ความโปร่งใสของโพลีอิไมด์จะต่ำ ในขณะเดียวกัน การยึดเกาะก็ไม่ดีนัก
วิธีการสังเคราะห์โพลีอิไมด์
วิธีการสังเคราะห์พอลิอิไมด์สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท ประเภทแรกคือการสร้างวงแหวนอิไมด์ในระหว่างกระบวนการพอลิเมอไรเซชันหรือในปฏิกิริยาโมเลกุลขนาดใหญ่ ประเภทที่สองคือการสังเคราะห์พอลิอิไมด์จากโมโนเมอร์ที่มีวงแหวนอิไมด์ อิมีน
วิธีการสังเคราะห์ประเภทแรกประกอบด้วย: ปฏิกิริยาระหว่างไดแอนไฮไดรด์และไดอะมีนเพื่อสร้างพอลิอิไมด์; ปฏิกิริยาระหว่างกรดเตตระแบซิกและไดอะมีนเพื่อสร้างพอลิอิไมด์; ปฏิกิริยาระหว่างไดเบสิกเอสเทอร์ของกรดเตตระแบซิกและไดอะมีน โพลีอิไมด์ ฯลฯ ได้มาจากปฏิกิริยาระหว่างไดแอนไฮไดรด์และไดไอโซไซยาเนต
ในวิธีการสังเคราะห์ประเภทที่สอง ปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันแบบควบแน่นทั่วไปเกือบทั้งหมดได้รับการใช้ในการสังเคราะห์พอลิเมอร์ต่างๆ ที่มีวงแหวนอิมิดจากโมโนเมอร์ที่มีวงแหวนอิมิด เช่น โพลีเอสเตอร์อิมิด โพลีเอไมด์อิมิดอิมิด โพลีคาร์บอเนตอิมิด โพลียูรีเทนอิมิด เป็นต้น
ประเภทโพลีอิไมด์
ตามโครงสร้างทางเคมีของหน่วยซ้ำ โพลิอิไมด์สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภท ได้แก่ โพลิอิไมด์อะลิฟาติก โพลิอิไมด์กึ่งอะโรมาติก และโพลิอิไมด์อะโรมาติก โพลิอิไมด์อะโรมาติกสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทตามคุณสมบัติทางความร้อน ได้แก่ เทอร์โมพลาสติก (รวมถึงเทอร์โมพลาสติกจริงและเทอร์โมพลาสติกเทียม) และเทอร์โมเซตติง
เทอร์โมพลาสติกโพลีอิไมด์สามารถไหลและเสียรูปได้เมื่อได้รับความร้อน และคงรูปทรงเดิมไว้ได้หลังจากเย็นตัวลง ภายในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด โพลีอิไมด์สามารถทำให้อ่อนตัวลงได้หลายครั้งโดยการให้ความร้อน และแข็งตัวขึ้นได้โดยการเย็นตัวลง โพลีอิไมด์อีเทอร์แอนไฮไดรด์ที่ได้จากการทำปฏิกิริยาไดฟีนิลอีเทอร์เตตระคาร์บอกซิลิกแอนไฮไดรด์กับอะโรมาติกไดอะมีนจัดอยู่ในกลุ่มนี้ และสามารถขึ้นรูปได้หลายครั้งที่อุณหภูมิ 390°C
พอลิอิไมด์เทอร์โมเซตติงสามารถอ่อนตัวและไหลได้เมื่อได้รับความร้อนครั้งแรก เมื่อได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง จะเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้น นั่นคือ การเชื่อมขวางจะแข็งตัวและแข็งตัว การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้ หลังจากนั้น เมื่อได้รับความร้อนอีกครั้ง จะไม่สามารถอ่อนตัวและไหลได้อีก
โพลีอิไมด์เทอร์โมเซตติงมักทำจากโพลีอิไมด์หรือกรดโพลีอะมิกที่มีมวลโมเลกุลต่ำ โดยมีหมู่ไม่อิ่มตัวที่ปลาย และเมื่อนำมาใช้จะเกิดการพอลิเมอไรเซชันผ่านหมู่ไม่อิ่มตัว สารปิดปลายและวิธีการสังเคราะห์ที่แตกต่างกัน โพลีอิไมด์แบ่งออกเป็นเรซินบิสมาเลอิไมด์ เรซินโพลีอิไมด์ชนิด PMR เรซินโพลีอิไมด์ปลายฟีนินิล และเรซินโพลีอิไมด์ฐานไดแอนไฮไดรด์แบบอสมมาตร เรซินอิมีน เรซินโพลีอิไมด์ที่ละลายน้ำได้หลังการอิไมไดเซชัน และเรซินโพลีอิไมด์ปลายเอไทนิล
