Panduan Komprehensif tentang Polimida (PI): Sebuah "Bahan Kemacetan"

1. Polimida—Pendahuluan

Polimida adalah bahan polimer berkinerja tinggi yang ditandai dengan cincin imida.Struktur rantai molekulnya yang kaku memberikan sifat mekanik yang unggul.Ini juga merupakan polimer tahan suhu tinggi, biasanya mempertahankan sifat fisik utamanya untuk waktu singkat pada suhu 550℃ dan mampu digunakan jangka panjang pada suhu mendekati 330℃.Resin polimida telah diindustrialisasi selama setengah abad dan memainkan peran penting dalam bidang teknologi tinggi sebagai matriks untuk rekayasa plastik dan material komposit.
Polimida memiliki ketahanan radiasi yang sangat baik, ketahanan korosi, ketahanan suhu tinggi dan rendah, stabilitas kimia, sifat mekanik, dan sifat dielektrik.Bersama dengan serat karbon dan serat aramid, bahan ini dianggap sebagai salah satu dari tiga bahan polimer "hambatan" utama yang membatasi perkembangan industri teknologi tinggi di negara saya.Kinerja komprehensif PI berada di peringkat teratas dalam piramida bahan polimer berkinerja tinggi, dan telah banyak digunakan di berbagai bidang teknologi tinggi seperti dirgantara, elektronik, transportasi, energi, dan pertahanan.

2. Polimida - Sifat Unik

PI merupakan polimer heterosiklik yang mengandung gugus imida (—R—CO—NH—CO—R'—) dalam molekulnya, dan merupakan salah satu polimer dengan kinerja keseluruhan tertinggi hingga saat ini.PI menunjukkan ketahanan suhu tinggi (suhu dekomposisi termal ≥ 500℃) dan ketahanan suhu rendah (hingga -269℃), dengan kisaran suhu pengoperasian jangka panjang -200~300℃;koefisien muai panasnya hanya 10⁻⁵~10⁻⁷ ℃⁻¹;konstanta dielektriknya pada 1000Hz adalah 4,0, rugi-rugi dielektrik hanya 0,004~0,007, dan resistivitas volumenya 10⁵ Ω·m, mengklasifikasikannya sebagai insulasi F~H;kekuatan tariknya adalah 100~400 MPa, dan modulus serat elastisnya secara teoritis dapat mencapai 500 GPa, kedua setelah serat karbon (700 GPa);selain itu, ia memiliki keunggulan seperti ketahanan terhadap radiasi, ketahanan api dan sifat pemadaman sendiri, serta biokompatibilitas.Kinerja PI secara keseluruhan berada di peringkat teratas dalam piramida bahan polimer berkinerja tinggi (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2).

Gambar 2. Piramida Bahan Polimer Berkinerja Tinggi

Sifat unik polimida dapat diringkas sebagai berikut:

(1) Suhu Dekomposisi Termal

Menurut analisis termogravimetri, suhu penguraian awal polimida aromatik penuh umumnya sekitar 500℃.Polimida yang disintesis dari bifenil dianhidrida dan p-fenilendiamin memiliki suhu dekomposisi termal 600℃, menjadikannya salah satu polimer paling stabil secara termal hingga saat ini.

(2) Tahan Suhu Tinggi

Ia dapat menahan suhu di atas 400℃, dengan kisaran suhu pengoperasian jangka panjang -200 hingga 300℃ dan tidak ada titik leleh yang jelas.

(3) Ketahanan Suhu Rendah Ekstrim

Ia dapat menahan suhu yang sangat rendah, seperti tetap rapuh dalam hidrogen cair pada suhu absolut 4K (-269℃).

(4) Sifat Mekanik

Kekuatan tarik polimida tak terisi di atas 100 MPa.Film polimida Kapton memiliki kekuatan 250 MPa, sedangkan film polimida Upilex-S mencapai 530 MPa.Sebagai plastik rekayasa, modulus elastisitasnya biasanya 3-4 GPa.Peneliti Rusia telah melaporkan bahwa serat yang dipintal dari polimida terkopolimerisasi dapat mencapai kekuatan 5,1-6,4 GPa dan modulus 220-340 GPa.Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa serat polimida yang disintesis dari dianhidrida piromelitis dan p-fenilendiamin dapat mencapai modulus hingga 500 GPa, nomor dua setelah serat karbon.

(5) Ketahanan Hidrolisis

Polimida relatif stabil terhadap asam encer, namun sebagian besar varietas tidak terlalu tahan terhadap hidrolisis, terutama hidrolisis basa.Sifat yang tampaknya tidak menguntungkan ini memberikan polimida keuntungan yang signifikan dibandingkan polimer berkinerja tinggi lainnya: kemampuan untuk memperoleh kembali dianhidrida dan diamina dari bahan mentahnya melalui hidrolisis basa.Misalnya, recovery rate film Kapto bisa mencapai 90%.Memodifikasi struktur juga dapat menghasilkan varietas dengan ketahanan hidrolisis yang cukup besar, bahkan setelah direbus dalam air pada suhu 120°C selama 500 jam.Namun, seperti polimer aromatik lainnya, polimida tidak tahan terhadap asam sulfat pekat, asam nitrat, dan halogen.

(6) Ketahanan Asam dan Pelarut

Polimida memiliki spektrum kelarutan yang luas.Tergantung pada strukturnya, beberapa varietas hampir tidak larut dalam semua pelarut organik, sementara varietas lainnya larut dalam pelarut umum seperti tetrahidrogen, aseton, kloroform, dan bahkan toluena dan metanol.Seperti polimer aromatik lainnya, polimida tidak tahan terhadap asam sulfat pekat, asam nitrat, dan halogen.

(7) Koefisien Ekspansi Termal

Koefisien muai panas poliimida adalah antara 2x10⁻⁵ dan 3x10⁻⁵ °C⁻¹, sedangkan polimida tipe bifenil dapat mencapai 10⁻⁶ °C⁻¹, sebanding dengan logam.Beberapa varietas bahkan bisa mencapai 10⁻⁷ °C⁻¹.

(8) Ketahanan Radiasi

Polimida menunjukkan ketahanan radiasi yang tinggi.Lapisan filmnya mempertahankan 86% kekuatannya bahkan setelah menyerap dosis 5x10⁷ Gy.Serat polimida mempertahankan 90% kekuatannya setelah diiradiasi dengan elektron 1x10⁸ Gy.

(9) Sifat Dielektrik

Polimida memiliki sifat dielektrik yang sangat baik.Konstanta dielektrik polimida aromatik biasa adalah sekitar 3,4.Memasukkan fluor, gugus samping besar, atau mendispersikan udara pada skala nano dalam polimida dapat mengurangi konstanta dielektrik menjadi sekitar 2,5.Kerugian dielektrik adalah 10⁻³, kekuatan dielektrik adalah 100~300 kV/mm, dan resistivitas volume adalah 10¹⁷ Ω·cm.Sifat-sifat ini tetap tinggi pada rentang suhu dan frekuensi yang luas.

(10) Sifat Tahan Api

Dapat padam sendiri: Polimida umumnya tidak terbakar secara spontan atau tidak mendukung pembakaran, sehingga sangat aman untuk digunakan di lingkungan bersuhu tinggi;Emisi asap rendah: Polimida menunjukkan emisi asap yang sangat rendah selama pembakaran suhu tinggi, yang membantu mengurangi pelepasan asap dan gas beracun selama kebakaran;Residu arang yang tinggi: Setelah pembakaran pada suhu tinggi, residu arang polimida biasanya berada di atas 50%, yang membantu mencegah penyebaran api lebih lanjut.

(11) Biokompatibilitas

Polimida tidak beracun dan dapat digunakan untuk pembuatan peralatan makan dan peralatan medis, serta tahan terhadap ribuan siklus sterilisasi.Beberapa polimida juga memiliki biokompatibilitas yang sangat baik;misalnya, uji kompatibilitas darah non-hemolitik dan uji sitotoksisitas in vitro tidak beracun.

3. Polimida - Aplikasi

Model pemrosesan umum untuk plastik keperluan umum dan plastik rekayasa melibatkan pemasok yang menyediakan resin dasar, yang kemudian diolah menjadi berbagai produk oleh produsen untuk memasok pasar.Namun, sebagian besar perusahaan terkait PI mengintegrasikan sintesis bahan dan pencetakan produk, yang secara langsung memasok produk ke pasar.Produk PI hadir dalam berbagai bentuk, termasuk film, slurry, resin, serat, busa, dan komposit (Tabel 1), yang memiliki keragaman jenis produk yang tinggi, dan merupakan salah satu bahan polimer teratas.

Ukuran pasar polimida diproyeksikan mencapai US$5,46 miliar pada tahun 2024 dan diperkirakan akan mencapai US$7,6 miliar pada tahun 2029, dengan CAGR sebesar 6,84% selama periode perkiraan (2024-2029).
(1) Film

Film polimida adalah bentuk produk PI yang paling awal dikomersialkan dan terbesar, biasanya diproduksi dengan meniru bubur PAA setelah pengecoran.Film PI konvensional berwarna kuning dan memiliki sifat mekanik, sifat dielektrik, ketahanan suhu tinggi dan rendah, serta ketahanan radiasi yang sangat baik, sehingga mendapatkan reputasi "film emas".

Film PI mencakup dua jenis: film polimida piromelit dan film bifenil polimida.Yang pertama, diproduksi oleh DuPont dengan nama dagang Kapton, terbuat dari piromelitik tetrakarboksilat anhidrida dan diaminodifenil eter.Yang terakhir, diproduksi oleh Ube Industries, Ltd. dengan nama dagang Upilex, terbuat dari bifenil tetrakarboksilat dianhidrida dan difenil eter diamina (tipe R) atau m-fenilendiamin (tipe S).

Dari segi teknis, jenis film PI ada banyak, antara lain film PI hitam, film PI kuning kecoklatan, film PI transparan, dan film PI tahan corona.Tiga produk terakhir sebagian besar dibuat menggunakan metode imida kimia dan merupakan varietas aplikasi utama di pasar kelas atas.

Menurut kategori aplikasi yang berbeda, film PI dapat dibagi menjadi film PI listrik, film PI elektronik, film PI kontrol termal, film PI dirgantara, dan film CPI untuk tampilan fleksibel.

(2) Serat

Serat polimida adalah serat berkinerja tinggi yang penting.Serat polimida tahan suhu tinggi adalah salah satu serat sintetis organik dengan suhu pengoperasian tertinggi, dapat digunakan pada 250~350℃.Ini lebih unggul dari serat aramid dan polifenilen sulfida dalam hal ketahanan cahaya, penyerapan air, dan ketahanan panas.Kekuatan serat polimida berkinerja tinggi sekitar dua kali lipat dari aramid, menjadikannya salah satu serat sintetis organik dengan sifat mekanik terbaik.

Modulus elastisitas serat polimida adalah yang kedua setelah serat karbon, menjadikannya bahan penguat untuk material komposit tingkat lanjut.Ini juga dapat ditenun menjadi tali, kain, atau kain bukan tenunan untuk digunakan dalam menyaring gas dan cairan bersuhu tinggi, radioaktif, atau organik, kain kempa tahan api, kertas serat, kain anti peluru, dan kain tahan api.Contoh paling terkenal adalah serat polimida P84 Lenzing.

(3) Matriks Material Komposit Tingkat Lanjut

Digunakan dalam komponen struktural dan bagian mesin untuk ruang angkasa, pesawat terbang, dan roket.Dapat digunakan selama ratusan jam pada suhu 380℃ atau lebih tinggi, dan dapat bertahan dalam waktu singkat 400~500℃, menjadikannya material komposit berbasis resin yang paling tahan panas.Komposit serat karbon/polimida banyak digunakan dalam industri pembuatan pesawat terbang.Komposit yang diperkuat serat karbon dengan bahan matriks polimida seperti BMI dan PMR-15 dapat digunakan untuk memproduksi penutup mesin pesawat, saluran ventilasi, dan bilah kipas mesin.

(4) Rekayasa Plastik

Ini termasuk bahan termoset dan termoplastik, dan dapat dicetak, disuntikkan, atau dipindahkan.Mereka terutama digunakan untuk pelumasan sendiri, penyegelan, isolasi, dan bahan struktural.Plastik rekayasa super, yang diwakili oleh Vespel DuPont, dapat digunakan untuk penggunaan jangka panjang pada rentang suhu yang sangat luas dari suhu rendah hingga suhu tinggi dan memiliki ketahanan aus yang sangat baik.Oleh karena itu, dapat digunakan sebagai komponen mesin pesawat terbang, dan juga diterapkan pada industri otomotif, satelit, dan permesinan.

(5) Pelapisan

Mereka digunakan sebagai pernis isolasi untuk kabel elektromagnetik atau sebagai pelapis tahan suhu tinggi.

(6) Plastik Berbusa

Mereka digunakan sebagai bahan insulasi panas dan insulasi suara pada suhu tinggi dan sangat rendah.

(7) Membran Pemisahan

Membran pemisah PI digunakan untuk pemisahan berbagai pasangan gas (seperti hidrogen/nitrogen, nitrogen/oksigen, karbon dioksida/nitrogen, atau metana), menghilangkan uap air dari udara, gas umpan hidrokarbon, dan alkohol.Mereka juga dapat digunakan dalam membran pervaporasi dan membran ultrafiltrasi.Karena polimida tahan panas dan tahan pelarut organik, polimida sangat penting untuk pemisahan cairan dan gas organik.

(8) Fotoresist

Seperti fotoresis biasa, polimida fotosensitif dapat diklasifikasikan sebagai fotoresis negatif atau positif bergantung pada mekanisme reaksi fotokimia.Photoresists PI sekarang dapat dikembangkan dengan solusi berbasis air, mencapai resolusi sub-mikron.Dikombinasikan dengan pigmen atau pewarna, mereka dapat digunakan dalam membran filter warna, sehingga sangat menyederhanakan langkah pemrosesan.Saat ini, Siemens, DuPont, Ciba-Geigy, dan Merck semuanya menawarkan produk tersebut.

(9) Membran Transportasi Proton

Digunakan sebagai membran dalam sel bahan bakar, khususnya sel bahan bakar metanol, permeabilitas metanolnya jauh lebih rendah dibandingkan membran asam perfluorosulfonat tradisional (Nafion).

(10) Bahan optoelektronik

Digunakan sebagai bahan pandu gelombang pasif atau aktif, bahan saklar optik, dll., polimida terfluorinasi transparan dalam rentang panjang gelombang komunikasi;menggunakan polimida sebagai matriks kromofor dapat meningkatkan stabilitas material.

(11) Penyelarasan untuk Layar Kristal Cair

Polimida memainkan peran yang sangat penting sebagai agen penyelarasan dalam TN-LCD, STN-LCD, TFT-LCD, dan layar kristal cair feroelektrik di masa depan.

(12) Aplikasi pada Perangkat Mikroelektronik

Digunakan sebagai lapisan dielektrik untuk isolasi antar lapisan, sebagai lapisan penyangga untuk mengurangi tegangan dan meningkatkan hasil.Sebagai lapisan pelindung, lapisan ini dapat mengurangi dampak lingkungan pada perangkat, dan juga dapat melindungi partikel α, sehingga mengurangi atau menghilangkan kesalahan lunak pada perangkat.

(13) Bahan Biokompatibel

Kompatibilitas polimida terfluorinasi dengan darah dan jaringan telah menarik minat dalam aplikasi bahan biokompatibel.PI banyak digunakan dalam elektroda, biosensor, sistem penghantaran obat, pengganti jaringan tulang, masker atau respirator, dan bahan antibakteri.

(14) Perekat

Digunakan sebagai perekat tahan suhu tinggi.Mereka memiliki sifat mekanik suhu tinggi, sifat dielektrik, dan ketahanan radiasi yang sangat baik, dan telah banyak diterapkan di bidang teknologi tinggi seperti dirgantara dan mesin elektronik presisi.Mereka juga memecahkan masalah suhu ketahanan panas batas atas bawah yang ditemukan pada perekat organik lainnya.

(15) Pelapisan

Karena strukturnya yang unik, lapisan polimer polimida sering digunakan sebagai lapisan pelindung panas, lapisan kedap air dan tahan lembab, lapisan tahan radiasi, dan lapisan isolasi lainnya.Mereka memiliki aplikasi luas di industri seperti dirgantara, elektronik, manufaktur mesin, dan konstruksi.