一文了解高分子材料的金字塔——聚酰亞胺的定義、分類和應用
發(fā)布時間：2021-12-08 來源：
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一、聚酰亞胺簡介
聚酰亞胺（PI）是分子結(jié)構(gòu)含有酰亞胺基鏈節(jié)的芳雜環(huán)高分子化合物，是目前工程塑料中耐熱性最好的品種之一，廣泛應用在航空、航天、微電子、納米、液晶、激光等領域。
近來，各國都在將PI的研究、開發(fā)及利用列入21世紀化工新材料的發(fā)展重點之一。PI因其在性能和合成方面的突出特點，不論是作為結(jié)構(gòu)材料或是作為功能性材料，都有著巨大的應用前景。
PI被譽為高分子材料金字塔的頂端材料，也被稱為"解決問題的能手"，甚至有業(yè)內(nèi)人士認為“沒有PI就不會有今天的微電子技術(shù)。
二、PI分類及應用
PI由于性能優(yōu)異，可應用于多種領域，也可分為多種類型，包括工程塑料、纖維、光敏性PI、泡沫材料、涂料、膠粘劑、薄膜、氣凝膠、復合材料等。
在眾多的聚合物中，PI是唯一具有廣泛應用領域并且在每一個應用領域都顯示出突出性能的聚合物。下面就介紹一下PI各個品種的主要用途。
1.工程塑料
PI可分為熱固性及熱塑性，可分為聚均苯四甲酰亞胺 (PMMI) 、聚醚酰亞胺 (PEI) 、聚酰胺一酰亞胺(PAI)等，在不同領域有著各自的用途。
PMMI在1.8 MPa的負荷下熱變形溫度達360℃，電性能優(yōu)良，可用于特種條件下的精密零件，耐高溫自潤滑軸承、密封圈、鼓風機葉輪等，還可用于與液氨接觸的閥門零件，噴氣發(fā)動機燃料供應系統(tǒng)零件。
PEI具有優(yōu)良的力學性能、電絕緣性能、耐輻照性能、耐高溫和耐磨性能，熔體流動速率高，成型收縮率為0.5％～0.7％，可用注射和擠出成型，后處理較容易，還可用焊接法與其它材料結(jié)合，在電子電器、航空、汽車、醫(yī)療器械等產(chǎn)業(yè)得到廣泛應用。
PAI的強度是當前非增強塑料中最高的，拉伸強度為190 MPa，彎曲強度為 250 MPa，在1.8MPa負荷下熱變形溫度高達274℃。PAI具有良好的耐燒蝕性和高溫、高頻下的電磁性，對金屬和其它材料有很好的粘接性能，主要用于齒輪、軸承和復印機分離爪等，還可用于飛行器的燒蝕材料、透磁材料和結(jié)構(gòu)材料。
2.PI纖維
PI纖維是一種重要的高性能纖維，其耐高溫PI纖維是目前使用溫度最高的有機合成纖維之一，可以在250~350℃使用，在耐光性、吸水性、耐熱性等方面與芳綸和聚苯硫醚纖維相比都更為優(yōu)越，高性能PI纖維的強度比芳綸高出約1倍，是目前力學性能最好的有機合成纖維之一。
隨著高新技術(shù)領域的不斷發(fā)展，其對PI制品理化性能的要求也越來越高，傳統(tǒng)PI材料在力學、熱學及光、電、磁等方面的性能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代科技領域?qū)Σ牧系奶厥庖螅?/span>PI高性能纖維以其優(yōu)越的力學性能、耐熱穩(wěn)定性、耐輻照等特性將成為下一代高性能纖維的典型代表。
目前國內(nèi)從事PI纖維產(chǎn)業(yè)的公司主要有江蘇奧神、長春高琦、科聚新材、江蘇先諾等。其中，長春高琦已成為我國PI研究、開發(fā)、生產(chǎn)的重要基地，江蘇先諾一款具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能有機纖維于2016年通過了科技成果鑒定，同時于2020年牽頭完成了《高強高模聚酰亞胺長絲》國家標準的制定。
3.光敏性聚酰亞胺（PSPI）
光敏聚酰亞胺（PSPI）是一類在高分子鏈上兼有亞胺環(huán)以及光敏基因，集優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的力學性能、化學和感光性能的有機材料。
PSPI在電子領域主要有光刻膠及電子封裝兩大作用，在PSPI中添加增感劑、穩(wěn)定劑等就可以得到“聚酰亞胺光刻膠”。與傳統(tǒng)光刻膠相比，由于PI本身有著很好的介電性能，因此在使用時無需涂覆起工作介質(zhì)作用的光阻隔劑，可以大大縮短工序，提高生產(chǎn)效率。
PSPI的生產(chǎn)技術(shù)主要由美國及日本企業(yè)所掌控，其中日本東麗是全球中正性PSPI產(chǎn)品市場化最成功的企業(yè)之一，其正性產(chǎn)品被應用在微電子封裝、光電子封裝等多個領域。
受限于生產(chǎn)技術(shù)落后，我國PI產(chǎn)業(yè)仍舊以薄膜等低端產(chǎn)品為主，光敏聚酰亞胺產(chǎn)量較少，市場需求依賴進口。在《中國制造2025》政策支持下，我國工業(yè)、機械、電子等領域皆進入國產(chǎn)替代階段，國內(nèi)企業(yè)對于PSPI不斷深入，部分企業(yè)已經(jīng)掌握生產(chǎn)技術(shù)。
當前，布局PSPI研發(fā)、生產(chǎn)的本土企業(yè)有瑞華泰、明士新材料、國風塑業(yè)、鼎龍科技等，未來該領域國產(chǎn)替代空間較大。
4.PI泡沫塑料
PI泡沫是PI材料的一種類型，于20世紀70年代首先由NASALangley研究中心與UnitikaAmerica合作開發(fā)出來，用于航天飛機上，現(xiàn)已廣泛地應用于飛機、艦船、火車、汽車等領域，具有本質(zhì)阻燃、耐熱性強、質(zhì)量輕及環(huán)保無毒的特點，可以長期在超高溫、超低溫、高鹽霧、強噪聲、強腐蝕、強輻射等極端條件下服役。
PI泡沫可分為三類：
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與一般PI相同，將酰亞胺作為主鏈的泡沫材料，使用溫度達到300℃以上（PI泡沫）；
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酰亞胺環(huán)以側(cè)基方式存在的泡沫材料（PMI泡沫）；
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將熱不穩(wěn)定的脂肪鏈段引入PI中在高溫下裂解而得到的納米泡沫材料。
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PI泡沫材料屬于先進功能材料，已越來越多地應用在航空航天、遠洋運輸、國防和微電子等高新技術(shù)領域中的隔熱、減震降噪和絕緣等關鍵材料。
PI泡沫目前最為重要的應用為艦艇用隔熱降噪材料，目前我國海軍正處于第三次建船高潮，PI泡沫作為新型戰(zhàn)艦中的首選隔熱降噪材料，需求快速提升。
聚甲基丙烯酰亞胺泡沫（PMI）是目前綜合性能最優(yōu)的新型高分子結(jié)構(gòu)泡沫材料，是一種高比強度、高比模量、高閉孔率、高耐熱性的高性能復合材料泡沫芯材，具有輕質(zhì)、高強、耐高/低溫等特點。此外PMI泡沫作為最優(yōu)異的結(jié)構(gòu)泡沫芯材，廣泛用于風機葉片，直升機葉片，航空航天等領域中，其對于PET 泡沫的替代趨勢明確，市場空間廣闊。
PI泡沫耐熱性強、阻燃性好、不產(chǎn)生有害氣體，易于安裝，是應用廣泛的隔熱降噪材料。目前，美國海軍已把PI泡沫用作所有水面艦艇和潛艇的隔熱隔聲材料，INSPEC公司生產(chǎn)的SOLIMIDE 泡沫已被超過15個國家制定用于海軍船舶的隔熱隔聲體系，此外，PI泡沫在民用船，如豪華游輪、快艇、液化天然氣船上也有廣泛應用。
與PI泡沫相似，PMI 泡沫的應用同樣十分廣泛。PMI泡沫的典型應用包括：
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結(jié)構(gòu)泡沫芯材：優(yōu)異的抗高溫壓縮性，使其作為芯材廣泛應用于風機葉片、航空、航天、艦船、運動器材、醫(yī)療器械等領域；
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寬頻透波材料：低介電常數(shù)及損耗使其廣泛應用于雷達、天線等領域；
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隔熱隔音材料：高速機車、輪胎、音響等。
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21世紀以來，我國參與PI泡沫研究的單位明顯增長，行業(yè)技術(shù)取得了重大突破，目前國內(nèi)的PI泡沫的主要生產(chǎn)企業(yè)有青島海洋、康達新材和天晟新材、自貢中天勝、青島海洋新材料等。其中，中科院寧波材料所已搭建了PI微發(fā)泡粒子中試設備，青島海洋與康達新材PI產(chǎn)品通過了軍方測試。
5.PI涂料
PI用于制備涂料是其最早的應用之一，該類物質(zhì)在涂料中主要用作漆包線絕緣涂料。漆包線絕緣涂料主要浸涂圓線、扁線等各種類型線徑裸體銅線、合金線及玻璃絲包線外層，提高和穩(wěn)定漆包線的外層。
滿足工業(yè)技術(shù)發(fā)展要求的絕緣材料的特點是，絕緣系統(tǒng)應可以在180~200℃其至更高溫度下長期工作，但無顯著的失重和電氣強度降低，并且保持好的彈性、耐潮、耐臭氧、耐電弧等性能。PI類材料可以很好地滿足這一使用要求，來制備F級及以上耐熱等級的絕緣涂料，PI可以作為絕緣漆用于電磁線，或作為耐高溫涂料使用。
6.PI膠粘劑
PI膠粘劑是一類主鏈中含有酰亞胺環(huán)狀結(jié)構(gòu)的有機雜環(huán)膠粘劑，具有優(yōu)異的高溫力學性能、介電性能和耐輻射性能，缺點是在堿性條件下易水解，已廣泛應用于航空航天、精密電子機械等高科技領域，并且解決了其它有機膠粘劑上限耐熱溫度較低等難題。
7.PI薄膜
2018年12月8日凌晨，嫦娥四號探測器在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，標志著我國首次月球背面軟著陸、月球巡視探測和月夜生存等方面取得重大突破。此次嫦娥四號成功把國旗帶向了月球背面，為太空打上了“中國標識”。據(jù)悉，此次探測器的國旗不是由常見的化學纖維織物、絲綢、棉布等紡織品制成的。眾所周知太空環(huán)境十分特殊，月球表面不存在大氣，是真空狀態(tài)接受到陽光照射時，月球表面在白天的最高溫度可達123℃。到了晚上，在登月艙外面，月球上的溫度會驟降至零下233℃。
這樣的溫度差，普通材料是難以忍受的，而且太陽產(chǎn)生的紫外線非常強烈，還存在宇宙射線和高能粒子的輻射作用，對材料有很強的破壞作用。
被委以重任的國旗材料正是PI有機高分子薄膜，與地面上常見的國旗完全不同，它能夠抵御惡劣的月表環(huán)境，不褪色，不變形。
PI薄膜除了作為航天器的“外衣”，以及在軍事中的應用外，在微電子、納米、液晶、分離膜、激光、新能源等領域都能見到它的身影。例如，透明PI薄膜可作為柔軟的太陽能電池底板；PI可以作為下一代鋰離子電池隔膜材料等等。
近年來，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，高性能PI薄膜又成為微電子制造與封裝的關鍵材料，廣泛應用于超大規(guī)模集成電路的制造、自動接合載帶、柔性封裝基板、柔性連接帶線等方面。
此外，PI因為高耐熱性及良好的綜合性能，是耐高溫的氣體分離膜理想的材料。目前，極少量的PI品種應用于耐高溫氣體分離膜材料，用于各種氣體對（如氫/氮、氮/氧、二氧化碳/氮、二氧化碳/甲烷等）的分離，從空氣、烴類原料氣及醇類中脫除水分，也可作為滲透蒸發(fā)膜及超濾膜。但是，常規(guī)的PI樹脂難溶解和難熔融，因而限制了其工業(yè)上廣泛應用的可能性。
8.PI氣凝膠（PIA）
PIA是由聚合物分子鏈構(gòu)成的相互交聯(lián)的三維多孔材料，結(jié)合了PI和氣凝膠的優(yōu)異性能，其不但具有PI的優(yōu)異特性，而且具有氣凝膠的輕質(zhì)超低密度、高比表面積、低熱導率、低聲阻抗、環(huán)境耐久性以及低介電常數(shù)等突出特點，這些特殊的性能讓PIA材料在熱學、電學、力學、聲學等領域均具有絕佳的應用前景。
美國國家航空航天局研究中心為了實現(xiàn)載人火星登陸計劃在開發(fā)重載荷運輸技術(shù)時，將PIA材料應用于超音速充氣式氣動減速器（HIAD）的研究，為研究航天器制動的有效載荷和體積效益提供了一條解決方案，并且由于PIA材料的耐久性，其在推進劑箱、探測車超輕多功能材料以及太空居所等領域也具有廣泛的應用前景。
除了航空航天領域，PIA材料在電子通訊、隔熱阻燃材料、吸附清潔、隔音吸聲、催化載體、電線/纜絕緣層等領域都有著不錯的應用前景。
9.PI基復合材料
纖維增強復合材料是鎂鋁合金之后的新一代輕量化材料，以PI作為樹脂基的復合材料耐高溫和拉伸性能出色，應用十分廣泛。PI樹脂基復合材料具備PI高耐熱性、優(yōu)異的力學性能、介電性能、耐溶劑性能等特點，是目前使用溫度最高的樹脂基復合材料，在航空（尤其是航空發(fā)動機）、航天等領域得到了廣泛的應用。
經(jīng)過近40年的發(fā)展，PI耐高溫樹脂基復合材料已經(jīng)發(fā)展出了4代復合材料，使用溫度不斷得到提升，目前最先進的第4代PI樹脂基復合材料能夠在 450℃下長時間使用。
目前我國PI復合材料應用和研發(fā)還在追趕中，中航工業(yè)復合材料公司等企業(yè)已經(jīng)能夠生產(chǎn)第三代樹脂產(chǎn)品。
另外，隨著碳纖維產(chǎn)業(yè)的逐漸成熟，碳纖維增強復合材料需求增長明顯，聚酰亞胺與碳纖維的組合作為最為優(yōu)異的復合材料組合之一，在搶占高端市場方面優(yōu)勢明顯。
PI幾乎囊括了高分子材料的各個種類，包括高性能薄膜、工程塑料、泡沫塑料、化學纖維、膠粘劑、樹脂基體、絕緣材料、功能材料、復合材料等。
PI的性能強烈依賴于其化學結(jié)構(gòu)，可以依據(jù)用途選擇或者合成不同結(jié)構(gòu)的PI，也可以通過共聚、共混、填充、增強進行改性。新型PI的開發(fā)離不開新型單體的發(fā)展，特種結(jié)構(gòu)的二胺和二酐單體是發(fā)展聚酰亞胺新品種的必要保證，降低單體成本是降低聚酰亞胺的關鍵。
由于PI相關材料在航空航天、軍事、高端電子等敏感領域有著難以替代的作用，國外的大多數(shù)PI原材料、技術(shù)和產(chǎn)品對我國實行嚴格封鎖。雖然國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)在努力追趕中，但我們國產(chǎn)化并量產(chǎn)的高端產(chǎn)品與國外先進水平仍有不小差距。因此，大力發(fā)展聚酰亞胺相關產(chǎn)品任重道遠！
