新型耐高温工程塑料聚酰亚胺(PI)作为一种性能突出的尖端材料,以其优异的电绝缘性、耐磨性、抗高温辐射和物理机械性能,广泛用于机电、电子电气、仪表、石油化工、计量等领域,已成为全球火箭、宇航等尖端科技领域不可缺少的材料之一。
聚酰亚胺真正发展起来是受上世纪60年代航空航天、电气电子和汽车产业发展的推动。杜邦公司率先生产出聚均苯四甲酸酰亚胺薄膜(Kapton),并开发生产出聚均苯四甲酸酰亚胺塑料(Vespel);原阿莫科公司则开发出了聚酰胺亚胺电器绝缘用清漆(AI);原法国罗纳-普朗克公司则首先开发成功双马来酰亚胺预聚体,这种聚合物在固化时不产生副产物气体,容易成型加工;美国GE公司研究开发成功了聚醚酰亚胺(PEI),并实现了工业化。此外,日本宇部兴产开发的聚联苯四甲酰亚胺薄膜性能与Kapton有相当大的差异,特别是线胀系数小,适宜作覆铜箔薄膜,作为柔性印刷线路板应用前景也十分广阔。到目前为止,聚酰亚胺已有 20多个大品种,全球需求量已超过2万吨,直接产值在200亿美元以上。
随着航空航天、汽车,特别是电子工业的持续快速的发展,迫切要求电子设备小型化、轻量化、高功能和高可靠性。性能优异的聚酰亚胺在这些领域中将大有作为,目前的增长速度一直保持在10%左右,具有很好的发展前景。近年来,国外各大公司在不断扩大聚酰亚胺的生产规模的同时,还大力开发新品种和新牌号,并积极寻求进一步降低成本的方法。
PI树脂可分为热固性和热塑性两大类,杜邦公司的Vespel树脂以均酐和二苯醚胺为基本结构,为典型的热固性PI,因其可加工性差,只能采用流延法制成薄膜使用,应用领域受到限制。新品PI开发的重点主要集中在开发热塑性聚酰亚胺,改善聚酰亚胺自身的加工性能以及与其他材料的兼容性,以适应航空航天和电子工业等领域对尖端材料的迫切需求。同时,热塑性PI也使得利用单向或双向热拉伸技术,开发超薄薄膜成为可能,而超薄薄膜的市场售价远高于常规薄膜。
目前较具代表性的热塑性聚酰亚胺主要有GE公司的聚醚酰亚胺和原阿莫科公司的聚酰胺亚胺。但这两种材料均存在着耐热性能差,加工条件苛刻,性能在加工过程中均会有所下降的缺点,呈假热塑性特性。国内也有个别科研单位开发热塑性PI,但基本结构与GE公司产品相似,性能上也没有突破。
日本东井三压公司最新研制出一种柔性长链全芳二胺,进而开发了一种全新的热塑性聚酰亚胺树脂(Aurum)。作为超级工程塑料,其具有理想的综合性能,完全不同于以往的任何类型的热固性或假热塑性聚酰亚胺,加工性能优良,可注射和挤出成型,适合加工成各种构件。目前已制成薄膜销售,并准备将生产能力从50吨/年扩大到85吨/年。
我国聚酰亚胺的研究始于1962年,涉及单位多达60家,仅均苯型聚酰亚胺生产企业就有近10家,全国生产能力已达700吨。此外,我国还先后开发了三苯醚二酐型亚胺、联苯二酐型亚胺、二苯甲酮二酐型亚胺、偏苯三酐型亚胺、双酚A型醚酐二胺等产品。但与国外发达国家相比,我国目前的聚酰亚胺树脂及薄膜的生产规模较小,价格和成本较高,产品的质量也有一定差距,但是在产品原料均四甲苯和均酐的生产和技术我国已达到相当的规模和水平。然而由于下游的高附加值技术产品在国外,均酐大量出口外销,价格已跌至5万元/吨左右,利润空间很小。因此加强下游高附加值产品开发已迫在眉睫。
南京工业大学化工学院基于这一产业现状和背景,面向我国的基础原材料优势,通过材料结构设计与优化,提出并研发出一种新型热塑性聚酰亚胺。这种热塑性聚酰亚胺不仅具有优异的力学性能、介电性能及耐热、耐腐、耐磨特点,还克服了大多数聚酰亚胺不溶或不熔、难以加工的缺陷,表现出良好的热加工特性,可采用热模压、挤出和注射方法成型。可与碳纤维、玻璃纤维、聚四氟乙烯、石墨等复合,可进一步提高材料的拉伸、自润滑耐磨等性能。该材料可制成薄膜,也可模塑成型为管材或棒材,以及复杂结构的精密部件,如齿轮、密封环、轴承和接插件等。因此在一些特定场合下是替代金属、陶瓷、热固性树脂、低温热塑性塑料和难加工聚酰亚胺的理想材料。目前该项目已完成实验室研制工作,并开展了中试放大,已初步具备产品生产能力及应用开发条件。生产的热塑性聚酰亚胺产品可应用于汽车和飞行器发动机、通讯仪器、建筑机械、工业机械、商用设备、电子电器和微电子、分析和医疗设备以及传输和纺织设备等领域,并将大大有助于我国加入WTO后实现化工产品的升级换代,提高企业的产品附加值和市场竞争力。
鉴于我国在该领域与世界先进水平的明显差距,开发高性能聚酰亚胺,尤其是抓住热塑性聚酰亚胺的发展契机,并及时调整产业结构,避免低水平重复建设,是我们迎接加入WTO后的挑战、参与国际化竞争的关键。同时,国内近40年聚酰亚胺的研发、基础原材料与小规模产业化方面积累的基础和经验,也将为我们开发聚酰亚胺新品,打开国内外市场提供了良好的机遇和保障。