Polyimid

Imidgruppe

Wärmeleitpads aus Kaptonfolie, Dicke ca. 0,05 mm

Polyimid (Kurzzeichen PI) ist ein Hochleistungskunststoff, dessen wichtigstes Strukturmerkmal die Imidgruppe ist. Polyimide, die weitere Strukturelemente wie Estergruppen, Amidgruppen usw. enthalten, bilden eigene Stoffgruppen wie Polyetherimide (PEI), Polyamidimide (PAI).

Eigenschaften und Anwendungen

Polyimid wird in der Elektrotechnik/Elektronik meist in Form von hellbräunlichen, halbtransparenten Folien zur Anwendung gebracht. Es wird jedoch auch zu Konstruktionsteilen verarbeitet. Des weiteren werden Polyimid-Fasern in (Nadel-)Filzen zur Gasfiltration eingesetzt, ebenso finden sich Anwendungen als Beschichtungsmittel, beispielsweise in der Drahtlackierung.

Polyimid hat herausragende Eigenschaften und wird wegen seiner Hitzebeständigkeit, geringer Ausgasung, Strahlungsbeständigkeit und Isoliereigenschaften in Elektronik, Hochtemperaturanwendungen, Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt. Polyimidfolien finden außerdem Verwendung in der Umkehrosmose als selektiv permeable Membran, etwa bei der Dialyse oder bei der Meerwasserentsalzung. Rein aromatisches Polyimid ist unschmelzbar und in allen bekannten Lösemitteln unlöslich. Ein bekanntes Produkt ist Kapton^® der Fa. DuPont. Hohe Dauereinsatztemperaturen von bis zu 230 °C und kurzzeitig bis 400 °C sind möglich. Eigenschaftsprofile finden sich in Händler- und Herstellerangaben^[1][2][3].

Bei der Verwendung von Polyimid als Isolation von Kabeln kann es bei Beschädigung der Isolierung zu einem Lichtbogen an der Schadenstelle kommen, der unter Pyrolyse der Polyimid Isolation in Richtung Spannungsquelle wandert (arc tracking) ^[4]. Dieser Effekt kann auf weitere Kabel eines Kabelstranges überspringen und so zu einem Ausfall der betreffenden Leitungen sowie zu einem Brand führen, was beispielsweise in Flugzeugen einen Absturz zur Folge haben kann^[5].

Herstellung

Polyimide werden durch Kondensationspolymerisation 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 Pyromellithsäureanhydrid (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 erfolgt die Umsetzung zum fertigen Polyimid (C) unter Wasserabspaltung. Eine typische Anwendung dieser Technik ist die Drahtlackierung^[6][7]. Da die Polyamidocarbonsäuren recht korrosiv sind und der Prozess für den Anwender oft aufwendig ist, wird versucht, den Schritt der Imidbildung in die Flüssigprodukte soweit wie möglich vorzuziehen^[8][9]. 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^[10].

Einzelnachweise

1. ↑ http://www.leiton.de/flexible-leiterplatten-15.html#15
2. ↑ quick-ohm.de
3. ↑ http://www.mueller-ahlhorn.de/deu/pdf/Kapton.pdf
4. ↑ Arc-Tracking and Wire Insulation Pyrolization. NASA Glenn Research Center, Electro-Physics Branch. Abgerufen am 20. Januar 2009. (englisch)
5. ↑ Offizieller Untersuchungsbericht des Transportation Safety Board of Canada (PDF, 351 Seiten, Englisch, Quelle: Schweizerisches Büro für Flugunfall-Untersuchung, BFU)
6. ↑ ABC der Lack- und Kunstharzisolierung für die Elektrotechnik. Hrsg. BASF Farben + Fasern AG/Beck Elektro-Isolersysteme, 1974, 2. Auflage
7. ↑ P. Mühlenbrock: Anwendung von Lackdrähten, 11. Fachtagung Elektroisoliersysteme 2004
8. ↑ http://patent-de.com/20011115/DE69705048T2.html
9. ↑ http://patent-de.com/20010118/DE69702867T2.html
10. ↑ http://www.crystec.com/kllpixd.htm