Poliamid-imid - Polyamide-imide
Poliamidoimidy to termoutwardzalne lub termoplastyczne , bezpostaciowe polimery, które mają wyjątkowe właściwości mechaniczne, termiczne i chemiczne. Poliamidoimidy są szeroko stosowane jako powłoki drutów w produkcji drutu magnetycznego. Przygotowywane są z izocyjanianów i TMA (bezwodnika kwasu trimelowego) w N-metylo-2-pirolidonie (NMP). Znaczącym dystrybutorem poliamidoimidów jest firma Solvay Specialty Polymers, która używa znaku towarowego Torlon .
Poliamidoimidy wykazują połączenie właściwości zarówno poliamidów, jak i poliimidów , takich jak wysoka wytrzymałość, podatność na przetwarzanie w stanie stopionym, wyjątkowo wysoka zdolność cieplna i szeroka odporność chemiczna. Polimery poliamidowo-imidowe można przetwarzać na wiele różnych form, od części formowanych wtryskowo lub tłocznie i wlewków po powłoki, folie, włókna i kleje. Na ogół te artykuły osiągają swoje maksymalne właściwości przy późniejszym procesie utwardzania termicznego.
Inne wysokowydajne polimery w tej samej dziedzinie to polieteroeteroketony i poliimidy .
Chemia
Obecnie popularne komercyjne metody syntezy poliamidoimidów to droga chlorku kwasowego i droga izocyjanianowa.
Droga chlorków kwasowych
Najwcześniejszą drogą do poliamidoimidów jest kondensacja aromatycznej diaminy, takiej jak metylenodianilina (MDA) i chlorek kwasu trimelitowego (TMAC). W reakcji bezwodnika z diaminą powstaje pośredni kwas amowy. Chlorowodorek kwasowy reaguje z aminą aromatyczną, dając wiązanie amidowe i kwas solny (HCl) jako produkt uboczny. Przy komercyjnym wytwarzaniu poliamidoimidów polimeryzację przeprowadza się w dipolarnym, aprotonowym rozpuszczalniku, takim jak N- metylopirolidon (NMP), dimetyloacetamid (DMAC), dimetyloformamid (DMF) lub dimetylosulfotlenek (DMSO) w temperaturze 20-60 ° C . Produkt uboczny HCl musi zostać zneutralizowany na miejscu lub usunięty przez wymycie go z wytrąconego polimeru. Dalsza obróbka termiczna polimeru poliamidoimidu zwiększa masę cząsteczkową i powoduje, że grupy kwasu amowego tworzą imidy wraz z wydzielaniem wody.
Droga diizocyjanianowa
Jest to główna droga do poliamidoimidów, które są stosowane jako emalie do drutu. Diizocyjanian, często 4,4'-metylenodifenylodiizocyjanian (MDI) , poddaje się reakcji z bezwodnikiem trimelitowym (TMA). Produkt uzyskany na końcu tego procesu to w pełni imidowany roztwór polimeru o dużej masie cząsteczkowej, bez produktów ubocznych kondensacji, ponieważ produkt uboczny w postaci gazowego dwutlenku węgla jest łatwo usuwany. Ta forma jest wygodna do produkcji emalii drutowej lub powłok. Lepkość roztworu kontroluje się za pomocą stechiometrii, odczynników jednofunkcyjnych i stałych składników polimeru. Typowy poziom części stałych polimeru wynosi 35-45% i może być dalej rozcieńczany przez dostawcę lub użytkownika za pomocą rozcieńczalników.
Produkcja
Poliamidoimidy są komercyjnie stosowane do powłok i wyrobów formowanych.
Powłoki
Produkt używany głównie do powłok jest sprzedawany w postaci proszku i jest w około 50% imidowany. Jednym z głównych zastosowań jest emalia z drutu magnetycznego. Emalia z drutu magnetycznego jest wytwarzana przez rozpuszczenie proszku PAI w silnym, aprotonowym rozpuszczalniku, takim jak N-metylopirolidon. Można dodawać rozcieńczalniki i inne dodatki, aby zapewnić odpowiednią lepkość do zastosowania na przewodach miedzianych lub aluminiowych. Nakładanie odbywa się zwykle przez przeciągnięcie przewodnika przez kąpiel emalii, a następnie przez matrycę w celu kontrolowania grubości powłoki. Drut jest następnie przepuszczany przez piec w celu usunięcia rozpuszczalnika i utwardzenia powłoki. Drut jest zwykle kilkakrotnie przepuszczany przez proces, aby uzyskać żądaną grubość powłoki.
Emalia PAI jest bardzo stabilna termicznie oraz odporna na ścieranie i chemikalia. PAI jest często stosowany nad emalią z drutu poliestrowego w celu uzyskania wyższych współczynników termicznych.
PAI jest również stosowany w dekoracyjnych, odpornych na korozję powłokach do zastosowań przemysłowych, często w połączeniu z fluoropolimerami . PAI pomaga w przyleganiu fluoropolimeru do metalowego podłoża. Znajdują również zastosowanie w nieprzywierających powłokach do naczyń. Chociaż można stosować rozpuszczalniki, stosuje się niektóre systemy na bazie wody. Jest to możliwe, ponieważ amid-imid zawiera kwasową grupę funkcyjną.
Artykuły formowane lub obrabiane
Poliamidoimidy stosowane w wyrobach formowanych są również oparte na aromatycznych diaminach i chlorku kwasu trimelitowego, ale diaminy są inne niż te stosowane w produktach stosowanych do powłok, a polimer jest w pełni imidizowany przed mieszaniem i granulowaniem. Żywice do formowania wtryskowego obejmują gatunki niewzmocnione, wzmocnione włóknem szklanym, wzmocnione włóknem węglowym i odporne na ścieranie. Żywice te są sprzedawane w stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej, więc można je przetwarzać w stanie stopionym przez wytłaczanie lub formowanie wtryskowe. Uformowane artykuły są następnie poddawane obróbce termicznej przez kilka dni w temperaturze do 260 ° C (500 ° F). Podczas tej obróbki, powszechnie nazywanej postcure, masa cząsteczkowa wzrasta poprzez wydłużanie łańcucha, a polimer staje się znacznie mocniejszy i bardziej odporny chemicznie. Przed dotwardzeniem części można ponownie przeszlifować i ponownie przetworzyć. Po zabiegu regeneracja nie jest praktyczna.
== Właściwości formowanego PAI ==
| własność | Metoda badania | jednostki | formowany PAI |
|---|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie, ostateczna | ASTM D 638 | MPa Wartość średnia | 91,6 MPa |
| Moduł sprężystości przy rozciąganiu | ASTM D 638 | GPa Średnia wartość | 3,97 |
| Wydłużenie przy rozciąganiu | ASTM D 638 | % | 3.15 |
| Wytrzymałość na zginanie | ASTM D 790 | MPa | 133 |
| Moduł sprężystości | ASTM D 638 | GPa | 4.58 |
| Wytrzymałość na ściskanie | ASTM D 695 | Średnia MPa | 132 |
| Siła uderzenia Izoda | ASTM D 256 | Średnia J / m (ftlb / in) | 0, 521 (1) |
| Temperatura ugięcia pod obciążeniem przy 264 psi | ASTM D 648 | ° C (° F) | 273 (523) |
| Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej | ASTM D 696 | ppm / ° C | 37.7 |
| Oporność objętościowa | ASTM D 257 | om-cm średnia | 8,10e + 12 omów |
| Gęstość | ASTM D 792 | g / cm3 | 1.48 |
| Absorpcja wody, 24 godz | ASTM D 570 | % | 0.35 |
Tylko gatunki o wysokiej wytrzymałości
| własność | Metoda badania | jednostki | schludny PAI | 30% GF PAI | 30% CF PAI |
|---|---|---|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie | ASTM D 638 | MPa (kpsi) | 152 (22, 0) | 221 (32, 1) | 221 (32, 0) |
| Moduł sprężystości przy rozciąganiu | ASTM D 638 | GPa (kpsi) | 4,5 (650) | 14, 5 (2 110) | 16, 5 (2400) |
| Wydłużenie przy rozciąganiu | ASTM D 638 | % | 7.6 | 2.3 | 1.5 |
| Wytrzymałość na zginanie | ASTM D 790 | MPa (kpsi) | 241 (34, 9) | 333 (48, 3) | 350 (50, 7) |
| Moduł sprężystości | ASTM D 638 | GPa (kpsi) | 5,0 (730) | 11, 7 (1 700) | 16, 5 (2400) |
| Wytrzymałość na ściskanie | ASTM D 695 | MPa (kpsi) | 221 (32, 1) | 264 (38, 3) | 254 (36, 9) |
| Wytrzymałość na ścinanie | ASTM D 732 | MPa (kpsi) | 128 (18, 5) | 139 (20, 1) | 119 (17,3) |
| Siła uderzenia Izoda | ASTM D 256 | J / m (ftLb / in) | 144 (2,7) | 80 | 48 |
| Siła uderzenia Izoda - niezrównana | ASTM D 4812 | J / m (ftLb / in) | 1070 (20) | 530 (10) | 320 (6) |
| Temperatura ugięcia pod obciążeniem przy 264 psi | ASTM D 648 | ° C (° F) | 278 (532) | 282 (540) | 282 (540) |
| Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej | ASTM D 696 | ppm / ° C (ppm / ° F) | 31 (17) | 16 (9) | 9 (5) |
| Oporność objętościowa | ASTM D 257 | om-cm | 2e17 | 2e17 | |
| Środek ciężkości | ASTM D 792 | 1.42 | 1.61 | 1.48 | |
| Absorpcja wody, 24 godz | ASTM D 570 | % | 0.33 | 0,24 | 0,26 |
Odporne na ścieranie gatunki PAI
| własność | Metoda badania | jednostki | 4275 | 4301 | 4435 | 4630 | 4645 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie | ASTM D 638 | MPa (kpsi) | 117 (16,9) | 113 (16, 4) | 94 (13, 6) | 81 (11, 8) | 114 (16,6) |
| Moduł sprężystości przy rozciąganiu | ASTM D 638 | GPa (kpsi) | 8,8 (1 280) | 6,8 (990) | 14, 5 (2 100) | 7,4 (1 080) | 18, 6 (2 700) |
| Wydłużenie przy rozciąganiu | ASTM D 638 | % | 2.6 | 3.3 | 1.0 | 1.9 | 0.8 |
| Wytrzymałość na zginanie | ASTM D 790 | MPa (kpsi) | 208 (30, 2) | 215 (31, 2) | 152 (22, 0) | 131 (19, 0) | 154 (22, 4) |
| Moduł sprężystości | ASTM D 790 | GPa (kpsi) | 7, 3 (1 060) | 6, 9 (1 000) | 14, 8 (2 150) | 6,8 (990) | 12, 4 (1 800) |
| Wytrzymałość na ściskanie | ASTM D 695 | MPa (kpsi) | 123 (17, 8) | 166 (24, 1) | 138 (20, 0) | 99 (14, 4) | 157 (22, 8) |
| Siła uderzenia Izoda, karbowana | ASTM D 256 | J / m (stopy-funty / cal) | 85 | 64 (1, 2) | 43 (0, 8) | 48 | 37 |
| Siła uderzenia Izoda, niezrównana | ASTM D 4812 | J / m (stopy-funty / cal) | 270 (5) | 430 (8) | 210 (4) | 160 (3) | 110 ust. 2 |
| Temperatura ugięcia pod obciążeniem przy 264 psi | ASTM D 648 | ° C (° F) | 280 (536) | 279 (534) | 278 (532) | 280 (536) | 281 (538) |
| Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej | ASTM D 696 | ppm / ° C (ppm / ° F) | 25 (14) | 25 (14) | 14 (8) | 16 (9) | 9 (3) |
Formowanie wtryskowe
Żywica poliamidowo-imidowa jest higroskopijna i pochłania wilgoć z otoczenia. Przed obróbką żywicy wymagane jest suszenie, aby uniknąć kruchych części, spieniania i innych problemów z formowaniem. Żywicę należy wysuszyć do poziomu wilgotności 500 ppm lub mniej. Osuszający (-40 ° C), zalecane jest suszarka zdolna do utrzymywania punktu rosy -40 ° C. Jeśli suszenie odbywa się na patelniach lub tacach, umieść żywicę warstwami nie głębszymi niż 2 do 3 cali (5 do 8 cm) na tacach do suszenia. Suszyć przez 24 godziny w 250 ° F lub 16 godzin w 300 ° F lub 8 godzin w 350 ° F. W przypadku suszenia w temperaturze 350 ° F (177 ° C), ograniczyć czas suszenia do 16 godzin. W przypadku prasy do formowania wtryskowego zalecana jest osuszacz ze środkiem osuszającym. Rura zasysająca powietrze obiegowe powinna znajdować się u podstawy leja, jak najbliżej gardzieli podającej.
Zasadniczo do formowania PAI zaleca się nowoczesne wtryskarki z tłokiem ślimakowym ze sterowaniem mikroprocesorowym zdolnym do sterowania w pętli zamkniętej. Prasa powinna być wyposażona w śrubę o stałym stożku i niskim stopniu sprężania. Współczynnik kompresji powinien wynosić od 1,1 do 1,5 do 1 i nie należy używać żadnego urządzenia kontrolnego. Początkowe temperatury formy są określone w następujący sposób:
| Strefa | Temperatura, ° F | Temperatura, ° C |
|---|---|---|
| Feed Zone | 580 | 304 |
| Strefa środkowa | 620 | 327 |
| Strefa przednia | 650 | 343 |
| Dysza | 700 | 371 |
Temperatura formy powinna mieścić się w zakresie od 325 ° F do 425 ° F (163 ° C do 218 ° C).
Inne aplikacje
Wysoka temperatura i odporność chemiczna poliamidoimidów sprawia, że zasadniczo nadają się one do separacji gazów na bazie membran. Oddzielanie zanieczyszczeń, takich jak CO 2 , H 2 S i innych zanieczyszczeń z odwiertów gazu ziemnego, jest ważnym procesem przemysłowym. Ciśnienia przekraczające 1000 psia wymagają materiałów o dobrej stabilności mechanicznej. Silnie polarne H 2 S polaryzowalną CO 2 cząsteczki mogą silnie oddziałują z błonami polimerowymi, powodując obrzęk i plastyfikację ze względu na wysokie poziomy zanieczyszczenia. Poliamidoimidy mogą być odporne na plastyfikację z powodu silnych oddziaływań międzycząsteczkowych wynikających z funkcji poliimidowych, jak również zdolności łańcuchów polimeru do tworzenia wiązań wodorowych ze sobą w wyniku wiązania amidowego. Chociaż nie są one obecnie stosowane w żadnej większej separacji przemysłowej, poliamidoimidy mogą być stosowane w tego typu procesach, w których wymagana jest stabilność chemiczna i mechaniczna.
Zobacz też
Bibliografia
Dalsza lektura
- Patel, MC and Shah, AD, Poly (amides-imides) based on amino-end-cap polyoligomides, Oriental J. Chem , 19 (1), 2002
- James M. Margolis, redaktor naczelny, Podręcznik inżynierii tworzyw sztucznych , ISBN 0-07-145767-4 , McGraw-Hill, c2006