Polyimide

Imidgruppe in verschiedenen Verbindungen

Polyimide (Kurzzeichen PI) sind Hochleistungskunststoffe, deren wichtigstes Strukturmerkmal die Imidgruppe ist. Dazu gehören u. a. Polybismaleinimid (PBMI), Polybenzimidazol (PBI) und Polyoxadiazobenzimidazol (PBO), Polyimidsulfon (PISO) und Polymethacrylimid (PMI).

Polyimide, die weitere Strukturelemente wie Estergruppen, Amidgruppen usw. enthalten, bilden eigene Stoffgruppen wie Polyetherimide (PEI), Polyamidimide (PAI).

Herstellung

Polyimide werden durch Polykondensation aus Tetracarbonsäuredianhydriden und Diaminen hergestellt. Für thermisch höchste Beanspruchung sind nur Polyimide geeignet, die aromatische Bausteine in der Polymerkette enthalten. Diese Produkte können wegen der Unlöslichkeit und extrem hoher bzw. fehlender Schmelzpunkte nicht in flüssiger Form verarbeitet werden. Die Herstellung erfolgt daher in einem 2-Stufen-Verfahren, wobei die erste Stufe sich flüssig verarbeiten lässt und im zweiten Schritt erst zum Polyimid (C) kondensiert wird. Die Ausgangskomponenten sind aromatische Tetracarbonsäureanhydride wie Pyromellitsäuredianhydrid (1,2,4,5-Benzoltetracarbonsäuredianhydrid) oder Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid und aromatischen Diaminen wie 4,4'-Diaminodiphenylether. Das folgende Schema zeigt die Vorgehensweise:

Das Anhydrid (A) wird mit dem Diamin in einem wasserfreien, polaren Lösemittel wie N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) oder Dimethylformamid (DMF) zur Polyamidocarbonsäure (B) umgesetzt. Die so erhaltene Lösung lässt sich gießen oder als Lack auftragen. Nach Verdampfung des Lösemittels und Anwendung hoher Temperaturen (Einbrennlackierung) erfolgt die Umsetzung zum fertigen Polyimid (C) unter Wasserabspaltung. Eine typische Anwendung ist die Lackdrahtisolation.^[1][2] Da die Polyamidocarbonsäuren recht korrosiv sind und der Prozess für den Anwender oft aufwendig ist, wird versucht, den Schritt der Imidbildung in die Flüssigprodukte so weit wie möglich vorzuziehen^[3][4]. Photosensitive Polyimide für gedruckte Schaltkreise usw. lassen sich durch Veresterung der Säuregruppen in (B) mit Methacrylsäure über Glycole gewinnen. Diese können durch Belichtung fixiert, die unbelichteten Partien wieder aufgelöst und anschließend das fixierte Material thermisch zu Polyimid umgewandelt werden^[5].

Eigenschaften und Anwendungen

Wärmeleitpads aus Kaptonfolie, Dicke ca. 0,05 mm

Rolle eines Kaptonklebebands

Rein aromatische Polyimide sind vielfach nicht schmelzbar und chemisch sehr beständig (auch gegenüber vielen Lösungsmitteln). Für die Anwendung als Beschichtungsmittel eignet sich in den Lösungsmitteln: DMF, DMAc oder NMP gelöstes Polyimid. Polyimide werden in der Elektrotechnik/Elektronik wegen ihrer Hitzebeständigkeit, geringen Ausgasung, Strahlungsbeständigkeit und Isoliereigenschaften in Form von hellbräunlichen, halbtransparenten Folien zur Anwendung gebracht. Ein bekanntes Produkt ist Kapton^® der Firma DuPont. Hohe Dauereinsatztemperaturen von bis zu 230 °C und kurzzeitig bis 400 °C sind möglich. Eigenschaftsprofile finden sich in Händler- und Herstellerangaben.^[6][7][8][9]

Polyimide werden gerne für besonders dünne und dennoch recht stabile Lackisolierungen von elektrischen Leitungen eingesetzt, u.a. zur Gewichtsersparnis in der Flugzeugtechnik. Durch ihre im Vergleich zum Leiter geringe Dicke sind solche Isolierungen unabhängig vom Material empfindlich gegen mechanische Belastungen (s.a. arc tracking).

Für die Erzeugung von Röntgenstrahlung werden Polyimide häufig als vielseitige, stabile und preiswerte Materialien für Röntgenfenster verwendet. Voraussetzung dafür sind ihre thermische Stabilität und hohe Transmittivität für Röntgenlicht. Wenn zusätzlich eine hohe Absorption und Reflexion für Licht des sichtbaren Bereichs nötig ist, wird meist eher Beryllium verwendet.

Polyimidfolien finden außerdem Verwendung in der Umkehrosmose als selektiv permeable Membran – etwa bei der Dialyse oder bei der Meerwasserentsalzung.

Konstruktionsteile oder Halbzeug aus Polyimid werden durch Sintertechniken wie Hot compression moulding, Direct forming oder Isostatisches Pressen aus Polyimidpulver hergestellt. Aufgrund der hohen mechanischen Festigkeit auch bei hohen Temperaturen werden Buchsen, Lager, Führungen oder Dichtungsringe aus PI in thermisch anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt. Die tribologischen Eigenschaften können durch Compounds mit Festschmierstoffen wie Graphit, Molybdendisulfid oder PTFE gezielt adaptiert werden. Bekannte Handelsnamen für Polyimidteile sind Vespel, Meldin, Plavis oder P84 NT.

Polyimidfasern werden als Nadelfilze in der Heißgasfiltration eingesetzt. Dabei werden aus dem Abgas von Kohlekraftwerken, Müllverbrennungsanlagen oder Zementfabriken feine Stäube an Filtergeweben aus PI abgeschieden.

Einzelnachweise