カプトン

カプトンは、宇宙船、衛星、およびさまざまな宇宙機器で使用されるフレキシブルプリント回路 (フレキシブルエレクトロニクス) およびスペースブランケットに使用されるポリイミドフィルムです。1960 年代にデュポン社によって発明されたカプトンは、4 ～ 673 K (-269 ～ +400 °C) の広い温度範囲で安定しています。カプトンは、電子機器製造、宇宙用途、X 線装置、および 3D 印刷用途で使用されています。その好ましい熱特性とガス放出特性により、極低温用途や高真空環境が発生する状況で頻繁に使用されています。

カプトンは1960年代にデュポン社によって発明されました。カプトンは現在でもデュポン社によって製造されています。^{[1] [2]}

カプトンという名前は、EIデュポン・ド・ネムール・アンド・カンパニーの登録商標です。^[3]

カプトン合成は、段階重合における二無水物の使用例です。ポリ(アミック酸)と呼ばれる中間ポリマーは、強い水素結合により、反応で通常使用される極性溶媒に溶解します。閉環は、 470～570 K (200～300 °C) の高温で行われます。

カプトン K および HN の化学名はポリ (4,4'-オキシジフェニレンピロメリットイミド)です。これは、ピロメリット酸二無水物(PMDA) と4,4'-オキシジフェニルアミン(ODA)の縮合によって生成されます。

カプトンEは、2種類の二無水物、PMDAとビフェニルテトラカルボン酸二無水物（BPDA）と2種類のジアミン、ODAとp-フェニレンジアミン（PPD）の混合物です。BPDA成分は、フレキシブル回路アプリケーションで寸法安定性と平坦性を高めます。カプトンEは、カプトンHと比較して、熱膨張係数（CTE）、吸湿性、吸湿膨張係数（CHE）が低下しています^。[4]

カプトンは単独では4～673 K（-269～+400 °C）の広い温度範囲で安定している。^{[5] [6]}

カプトンの熱伝導率は0.5～5ケルビンの範囲ではκ=4.638× ^{10−3T0.5678W ·} m ⁻¹ ·K ⁻¹と、このような低温では非常に高い値です。^[7 ]

カプトン絶縁材は経年劣化が激しい。FAAの調査では、高温多湿の環境^[8]や海水の存在下では劣化が見られる。カプトン絶縁材は機械的摩耗、主に航空機の動きによるケーブルハーネス内の摩耗に対して耐性が非常に低いことが判明した。多くの航空機モデルでは、欠陥のある絶縁材によるショートのため、大規模な配線変更 (時にはカプトン絶縁配線をすべて交換) が必要となった。振動と熱によるカプトン線の劣化と擦れは、固定翼機と回転翼機の両方で複数の墜落事故に関係しており、死者も出ている。^[9]ニューヨークタイムズ紙は、NASA OIG文書を引用して、2005 年にスペースシャトルのカプトン絶縁ケーブルは「時間の経過とともに劣化し、ショートや火災を引き起こす傾向がある」と報じた。STS -93ミッションでは、カプトン絶縁材の電気的ショートにより 2 つのエンジン コントローラが機能しなくなり、大惨事に至りそうになった。^[10]

カプトン テープは、温度安定性の範囲が広く、電気絶縁能力に優れているため、通常、電子機器製造において、静電気に敏感で壊れやすい部品の絶縁および保護層として使用されます。リフローはんだ付け作業に必要な温度に耐えることができるため、製造プロセス全体を通じて保護効果が得られ、最終的な消費者製品にもカプトンが残っていることがよくあります。

アポロ月着陸船の降下段と上昇エンジンを囲む上昇段の底部は、断熱のためアルミニウムコーティングされたカプトン箔のブランケットで覆われていた。月からの帰還の旅の途中、アポロ11号の宇宙飛行士ニール・アームストロングは、月着陸船イーグル上昇段の打ち上げ時に「カプトンと月着陸船のその他の部品が周囲に遠くまで飛び散っているのが見えた」とコメントしている。^[11]

NASAジェット推進研究所は、宇宙環境での耐久性から、カプトンをソーラーセイルの優れたプラスチック支持体として検討している。 ^[12]

NASAのニューホライズンズ宇宙船は、革新的な「魔法瓶」断熱設計にカプトンを使用し、2015年7月14日に準惑星冥王星にランデブーするまでの9年以上、5テラメートル（33天文単位）の旅の間、宇宙船を283〜303 K（10〜30 °C）の間で動作させ続けました。^[13]本体は軽量で金色の多層断熱材で覆われており、動作中の電子機器からの熱を保持して宇宙船を暖かく保ちます。アルミニウムマイラーとカプトンフィルムの間に挟まれた18層のダクロンメッシュ布の断熱ブランケットも、宇宙船を微小隕石から保護するのに役立ちました。^[14]

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のサンシールドは、宇宙船本体からの熱を反射するためにアルミニウムとドープシリコンでコーティングされた5枚のカプトンEシートで作られています。 ^[15]

国際宇宙ステーションの乗組員は、2018年8月に軌道複合体のロシアセグメントに接続されたソユーズ宇宙船のゆっくりとした漏れを一時的に修復するためにカプトンテープを使用しました。 ^[16] 2020年10月には、ISSのズヴェズダサービスモジュールの転送チャンバーの漏れを一時的に封印するために再び使用されました。^[17]

カプトンは、あらゆる種類のX線源（シンクロトロンビームラインやX線管）やX線検出器で使用される窓の材料としても一般的に使用されています。その高い機械的および熱的安定性と高いX線透過率により、カプトンは好ましい材料となっています。また、放射線による損傷に対しても比較的耐性があります。^[18]

カプトンとABSは互いに非常によく接着するため、3Dプリンターのビルド表面としてカプトンが広く使用されています。カプトンを平らな表面に置いて、ABSをカプトン表面に押し出します。印刷中のABSパーツは、冷えて収縮してもビルドプラットフォームから外れません。これは、パーツの反りによる印刷失敗の一般的な原因です。^{[19]より耐久性のある代替手段は、}ポリエーテルイミド表面を使用することです。^[20]

研究者らは、カプトンを含むポリイミド材料を3Dプリントする方法を考案した。^[21]カプトンの前駆体であるポリアミド酸は、3Dプリント中に紫外線にさらされるとゲルを形成できるアクリレート架橋剤および光開始剤と混合される。その後、3Dプリントされた部品を400℃まで加熱すると、犠牲架橋が除去され、部品がイミド化されて、3Dプリントされた形状のカプトンが形成される。^[22]

カプトンは、非常に低温でも比較的高い熱伝導率を持ち、誘電特性も優れており、薄いシートとして入手できることから、低い温度勾配で電気絶縁性を発揮するため、極低温工学で好まれる材料となっています。

カプトンはガス放出率が低いため、超高真空環境における絶縁体としてよく使用されます。^[23]

カプトン絶縁電気配線は、他の絶縁体よりも軽量で、絶縁特性と温度特性が優れているため、民間航空機や軍用航空機で広く使用されています。

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