ポリイミド

ポリイミド（略してPIともいう）は、高性能プラスチックの一種であるイミド基を含むポリマーである。耐熱性が高いことから、ポリイミドは高温燃料電池、ディスプレイ、軍事用途など、耐久性の高い有機材料が求められる用途で多岐にわたっている。代表的なポリイミドはカプトンで、ピロメリット酸二無水物と4,4'-オキシジアニリンの縮合によって生成される。^[1]

最初のポリイミドは1908年にボガートとレンショーによって発見されました。^[2]彼らは、4-アミノ無水フタル酸は加熱しても溶けませんが、高分子量ポリイミドの形成時に水を放出することを発見しました。最初の半脂肪族ポリイミドは、エドワードとロビンソンによって、ジアミンとテトラ酸、またはジアミンと二酸/ジエステルの溶融融合によって製造されました。^[3]

しかし、商業的に重要な最初のポリイミドであるカプトンが、1950年代にデュポン社の研究者によって開発されました。彼らは、可溶性ポリマー前駆体を含む高分子量ポリイミドの合成に成功した方法を開発しました。今日まで、この方法はほとんどのポリイミドの製造の主要方法であり続けています。ポリイミドは1955年以来大量生産されています。ポリイミドの分野は、さまざまな広範な書籍^{[4] [5] [6]}やレビュー記事で取り上げられています。^{[7] [8]}

主鎖の構成に応じて、ポリイミドは次のようになります。

• 脂肪族、
• 半芳香族（脂肪族芳香族とも呼ばれる）、
• 芳香族:熱安定性に優れているため、最もよく使用されるポリイミドです。

主鎖間の相互作用の種類に応じて、ポリイミドは次のようになります。

• 熱可塑性:疑似熱可塑性とも呼ばれます。
• 熱硬化性: 未硬化樹脂、ポリイミド溶液、ストック形状、薄板、ラミネート、機械加工部品として市販されています。

ポリイミドを製造するにはいくつかの方法があり、その中には次のようなものがあります。

• 二無水物とジアミンの反応（最もよく使われる方法）。
• 二無水物とジイソシアネート間の反応。

ジアミンと二無水物の重合は、最初にポリアミドカルボン酸を製造する2段階法、または直接1段階法で行うことができる。2段階法は、ポリイミド合成に最も広く使用されている手順である。まず、可溶性のポリアミドカルボン酸（2）を製造し、これを第2段階でさらに処理して環化させ、ポリイミド（3）を得る。2段階プロセスが必要なのは、最終的なポリイミドは芳香族構造のため、ほとんどの場合、不融かつ不溶性であるためである。

これらの材料の前駆体として使用される二無水物には、ピロメリット酸二無水物、ベンゾキノンテトラカルボン酸二無水物、ナフタレンテトラカルボン酸二無水物などがある。一般的なジアミン構成要素には、 4,4'-ジアミノジフェニルエーテル（DAPE）、メタフェニレンジアミン（MDA）、3,3'-ジアミノジフェニルメタンなどがある。^[1]これらの材料の物理的特性、特に加工特性を調整するために、何百ものジアミンと二無水物が研究されてきた。これらの材料は、平面サブユニット間の電荷移動相互作用から生じる不溶性で軟化温度が高い傾向がある。^[9]

イミド化反応はIR分光法で追跡できる。反応中、IRスペクトルは、3400～2700 cm ⁻¹（OH伸縮）、約1720と1660（アミドC = O）、および約1535 cm −1（CN伸縮）のポリアミド酸の吸収帯が消失することによって特徴付けられる。同時に、約1780（C = O非対称）、約1720（C = O対称）、約1360（CN伸縮）、および約^{1160と745 cm −1}（イミド環の変形）に特徴的なイミドバンドの出現が観察される^。 [ ^{10] ⁠ ポリイミド[11]}、炭化ポリイミド^[12]、グラファイト化ポリイミド^[13]の詳細な分析が報告されている。

熱硬化性ポリイミドは、熱安定性、良好な耐薬品性、優れた機械的特性、および特徴的なオレンジ/黄色の色で知られています。グラファイトまたはガラス繊維強化材を配合したポリイミドは、最大340 MPa（49,000 psi）の曲げ強度と21,000 MPa（3,000,000 psi）の曲げ弾性率を備えています。熱硬化性ポリマーマトリックスポリイミドは、非常に低いクリープと高い引張強度を示します。これらの特性は、連続使用中、最高232 °C（450 °F）の温度まで維持され、短時間の使用では704 °C（1,299 °F）の高温まで維持されます。^[14]成形ポリイミド部品およびラミネートは、非常に優れた耐熱性を備えています。このような部品およびラミネートの通常の動作温度は、極低温から260 °C（500 °F）を超える温度までの範囲です。ポリイミドは本質的に炎の燃焼に対して耐性があり、通常は難燃剤を混ぜる必要がありません。ほとんどのポリイミドはUL 定格VTM-0 です。ポリイミドラミネートの曲げ強度半減期は 249 °C (480 °F) で 400 時間です。

一般的なポリイミド部品は、炭化水素、エステル、エーテル、アルコール、フレオンなどの一般的に使用される溶剤やオイルの影響を受けません。また、弱酸にも耐性がありますが、アルカリや無機酸を含む環境での使用は推奨されません。CP1 や CORIN XLS などの一部のポリイミドは溶剤に溶け、高い光学的透明度を示します。この溶解特性により、スプレーや低温硬化の用途に適しています。

ポリイミド材料は軽量で柔軟性があり、耐熱性や耐薬品性があります。そのため、電子業界ではフレキシブルケーブルやマグネットワイヤの絶縁膜として使用されています。たとえば、ノートパソコンでは、メインロジックボードとディスプレイを接続するケーブル（ノートパソコンを開閉するたびに曲がる必要があります）は、銅導体を備えたポリイミドベースであることがよくあります。ポリイミドフィルムの例には、Apical、Kapton、UPILEX、VTEC PI、Norton TH、Kaptrexなどがあります。

ポリイミドは医療用や高温用途の光ファイバーのコーティングに使用されます。 ^[15]

ポリイミド樹脂のもう一つの用途は、集積回路やMEMSチップの製造における絶縁およびパッシベーション^[16]層としての使用である。ポリイミド層は機械的伸びと引張強度に優れており、ポリイミド層間またはポリイミド層と堆積金属層間の接着にも役立つ。金膜とポリイミド膜間の相互作用が最小限であることと、ポリイミド膜の高温安定性が相まって、さまざまな環境ストレスにさらされても信頼性の高い絶縁を提供するシステムが得られる。^{[17] [18]}ポリイミドは携帯電話のアンテナの基板としても使用されている。^[19]

宇宙船に使われる多層断熱材は、通常、アルミニウム、銀、金、ゲルマニウムの薄い層でコーティングされたポリイミドでできています。宇宙船の外側によく見られる金色の素材は、実際には単一のアルミニウム被覆ポリイミドで、アルミニウムの単層が内側を向いています。 ^[20]黄褐色のポリイミドが表面に金色のような色を与えています。

ポリイミド粉末は、焼結技術 (熱間圧縮成形、直接成形、静水圧プレス) によって部品や形状を製造するために使用できます。高温でも機械的安定性が高いため、要求の厳しい用途ではブッシング、ベアリング、ソケット、または構造部品として使用されます。摩擦特性を改善するために、グラファイト、PTFE、または硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を含む化合物が一般的です。ポリイミド部品および形状には、P84 NT、VTEC PI、Meldin、Vespel、および Plavis があります。

石炭火力発電所、廃棄物焼却炉、セメント工場では、高温ガスのろ過にポリイミド繊維が使用されています。この用途では、ポリイミドニードルフェルトが排気ガスからほこりや粒子状物質を分離します。

ポリイミドは、水の浄化やメープルシロップの製造など、水から希薄物質を濃縮するための逆浸透膜に使用される最も一般的な材料でもあります。^{[21] [22]}

ポリイミドはフレキシブル基板やフラットフレックスケーブルのコアとして使用されます。フレキシブル基板は薄く、奇妙な形の電子機器にも使用できます。^[23]

ポリイミドは、柔軟性と耐薬品性に​​加え、破裂圧力耐性を備えているため、血管カテーテルなどの医療用チューブに使用されます。

半導体業界では、ポリイミドを高温接着剤として使用しており、機械的応力緩衝材としても使用されています。

一部のポリイミドはフォトレジストのように使用できます。市場には「ポジ型」と「ネガ型」の両方のフォトレジストのようなポリイミドが存在します。

イカロス太陽帆宇宙船は、 ポリイミド樹脂の帆を使用してロケットエンジンなしで動作します。^[24]

• ポリアミド – アミド結合によって連結された繰り返し単位を持つ高分子
• ポリアミドイミド – ポリマーのクラス
• 重合 – ポリマー鎖を形成する化学反応

• 現代プラスチック百科事典10月中旬号、ポリイミド、熱硬化性、146ページ。
• Varun Ratta: ポリイミド: 化学と構造と特性の関係 - 文献レビュー (第 1 章)。

• 材料特性データベース、MIT