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ポリイミド（略称PI）は、高性能プラスチックに分類されるイミド基を含むポリマーです。耐熱性に優れているため、高温燃料電池、ディスプレイ、各種軍事用途など、頑丈な有機材料が求められる用途で幅広く利用されています。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製造されます。[ 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-アミノフタル酸無水物は加熱しても溶けないが、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、またはジアミンとジ酸/ジエステルの溶融融解によって調製されました。[ 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は、1950年代にデュポン社の研究者によって開拓され、可溶性ポリマー前駆体を用いた高分子量ポリイミドの合成に成功した。今日に至るまで、この方法はほとんどのポリイミドの製造における主要な方法であり続けている。ポリイミドは1955年から大量生産されている。ポリイミドの分野は、さまざまな包括的な書籍[ 4 ] [ 5 ]やレビュー記事[ 6 ] [ 7 ]で網羅されている。
主鎖の構成に応じて、ポリイミドは以下のように分類できます。
主鎖間の相互作用の種類に応じて、ポリイミドは以下のように分類できます。
ポリイミドを製造する方法はいくつかあり、その中には以下のものがある。
ジアミンと二無水物の重合は、まずポリ（アミドカルボン酸）を調製する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、ポリイミド合成において最も広く用いられている方法である。まず、可溶性のポリ（アミドカルボン酸）（2）を調製し、これをさらに処理して2段階目でポリイミド（3）に環化させる。最終的なポリイミドは、芳香族構造のため、ほとんどの場合不溶性かつ不溶性であるため、2段階プロセスが必要となる。
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ります。一般的なジアミンビルディングブロックには、 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ります。[ 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、数百種類のジアミンと二無水物が検討されてきました。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により、不溶性で軟化温度が高い傾向があります。[ 8 ]
イミド化反応はIR分光法で追跡できます。反応中、IRスペクトルは、3400～2700 cm⁻¹ (OH伸縮)、約1720および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 バンドの消失によって特徴付けられます。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および745 cm⁻¹ (イミド環変形) に特徴的なイミドバンドが現れることが観察されます。 [ 9 ]ポリイミド[ 10 ] 、炭化ポリイミド[ 10 ] 、およびグラファイト化ポリイミド[ 11 ]の詳細な分析が報告されています。
熱硬化性ポリイミドは、熱安定性、優れた耐薬品性、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で配合されたポリイミドは、最大340 MPa (49,000 psi)の曲げ強度と21,000 MPa (3,000,000 psi)の曲げ弾性率を有します。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、連続使用中は最高232 °C (450 °F)の温度まで、短時間の上昇では最高704 °C (1,299 °F)まで維持されます。[ 12 ]成形されたポリイミド部品および積層体は非常に優れた耐熱性を有します。このような部品および積層体の通常の動作温度は、極低温から260 °C (500 °F)を超える温度までです。ポリイミドは本来、燃焼に対する耐性があり、通常は難燃剤を混合する必要はありません。ほとんどのポリイミドはUL規格VTM-0の評価を受けています。ポリイミド積層材の曲げ強度半減期は、249 ℃（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、フロンなどの一般的な溶剤や油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やすく、高い透明度を示します。この溶解性により、スプレーや低温硬化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・耐薬品性に優れています。そのため、電子機器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層として使用されています。例えば、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（ノートパソコンの開閉時に毎回屈曲する必要がある）は、銅導体を用いたポリイミドベースであることが多いです。ポリイミドフィルムの例としては、Apical、Kapton、UPILEX、Zenimid、VTEC PI、Norton TH、Kaptrexなどが挙げられます。
ポリイミドは、医療用途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。 [ 13 ]
ポリイミド樹脂のもう1つの用途は、集積回路やMEMSチップの製造における絶縁層およびパッシベーション層としてです[ 14 ]。ポリイミド層は優れた機械的伸びと引張強度を持ち、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ちます。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、ポリイミド膜の高い耐熱性が相まって、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実現します[ 15 ] [ 16 ] 。ポリイミドは携帯電話アンテナの基板としても使用されます[ 17 ] 。
宇宙船に使用される多層断熱材は通常、アルミニウム、銀、金、または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材料は、実際には通常、アルミニウムの単層が内側を向いている単層のアルミニウム化ポリイミドです。[ 18 ]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、等方圧プレス）を用いて部品や形状を製造するために使用できます。高温下でも高い機械的安定性を有するため、ブッシュ、ベアリング、ソケット、または要求の厳しい用途における構造部品として使用されます。摩擦特性を向上させるために、グラファイト、PTFE、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に使用されます。ポリイミド部品および形状には、P84 NT、VTEC PI、Meldin、Vespel、およびPlavisなどがあります。
石炭火力発電所、廃棄物焼却炉、セメント工場などでは、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、ポリイミド製のニードルフェルトが排ガスから粉塵や微粒子を分離します。
ポリイミドは、水の浄化や、メープルシロップの製造など、水から希薄な物質を濃縮する際の逆浸透膜に最も一般的に使用される材料でもあります。[ 19 ] [ 20 ]
ポリイミドは、フレキシブル回路基板やフラットフレキシブルケーブルのコアとして使用されます。フレキシブル回路基板は薄く、不規則な形状の電子機器に配置できます。[ 21 ]
ポリイミドは、破裂圧力に対する耐性、柔軟性、耐薬品性を兼ね備えているため、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、ポリイミドは高温接着剤として使用されるほか、機械的応力緩衝材としても使用される。
ポリイミドの中にはフォトレジストのように使用できるものがあり、市場には「ポジ型」と「ネガ型」の両方のフォトレジスト類似ポリイミドが存在する。
ポリイミドは、ガスクロマトグラフィー用キャピラリーカラムの外部コーティングなど、分析化学装置の特殊な部品によく使用され、本来は壊れやすい部品に耐久性と長寿命をもたらします。ポリイミドとグラファイトの複合材料（ベスペル）は、このような装置でよく使用され、300 °C (572 °F) および数気圧を超える温度と圧力の繰り返しの大きな変動に耐え、分析を妨げる可能性のある蒸気を放出しない漏れのないシールを作成します。これは、ガスクロマトグラフィー質量分析法および関連技術にとって特に重要です。[ 22 ]
IKAROSソーラーセーリング宇宙船は、 ロケットエンジンなしで動作するためにポリイミド樹脂製の帆を使用しています。[ 23 ]
オーディオ業界では、平面磁気ヘッドホンや平面磁気スピーカーのドライバー振動板材料としてポリイミドフィルムが使用されています。[ 24 ]
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