lunes, 14 de noviembre de 2011

Poliimida

Las poliimidas (abreviado PI) constituyen un grupo de polímeros increíblemente fuertes y resistentes al calor y a los agentes químicos. Debido a estas características, a menudo estos materiales han reemplazado al vidrio y a los metales como el acero, en muchas aplicaciones industriales exigentes. Las poliimidas se utilizan incluso en muchas aplicaciones cotidianas. Se utilizan para los paragolpes y el chasis en algunos autos, como así también para ciertas piezas debajo del capot, ya que pueden soportar el calor intenso, los lubricantes, los combustibles y los líquidos refrigerantes corrosivos que todos los autos requieren. También son usadas en la construcción de muchos objetos, tales como vajilla para hornos de microondas y para envoltorio de alimentos debido a su estabilidad térmica, su resistencia a los aceites, las grasas y la manteca y su transparencia a la radiación de microondas. Pueden ser también utilizadas en tableros electrónicos, para aislación, fibras para ropa protectora, composites y adhesivos.

Estructura y síntesis

En una molécula, una imida es un grupo que tiene una estructura general (dibujada en azul) mostrada a continuación:
Es decir que si la molécula mostrada arriba polimerizara, el producto sería, como usted lo supuso, una poliimida. Las poliimidas adoptan generalmente dos formas. La primera es una estructura lineal donde los átomos del grupo imida forman parte de la cadena lineal. La segunda es una estructura heterocíclica donde el grupo imida forma parte de una unidad cíclica en la cadena polimérica.

Las poliimidas heterocíclicas aromáticas, como la que está a la izquierda, son típicas de la mayoría de las poliimidas comerciales, tales como el Ultem de G.E. y el Kapton de DuPont. Estos polímeros tienen características mecánicas y térmicas elevadas. Son utilizados en lugar de los metales y el vidrio en muchas aplicaciones de alta performance, ya sea en electrónica, en automotores e incluso en las industrias aeroespaciales. Estas características provienen de fuertes interacciones intermoleculares entre las cadenas del polímero.
Un polímero que contiene un complejo de transferencia de carga consiste en dos tipos distintos de monómeros, un donor y un aceptor. El donor tiene varios electrones circundantes debido a sus átomos de nitrógeno. En el aceptor sus grupos carbonilo les succionan los electrones. El donor cede algunos de sus electrones al aceptor, sosteniéndolo firmemente a su lado.
El complejo de transferencia de carga funciona no solamente entre unidades adyacentes de la cadena polimérica, sino también entre las cadenas. Estas se apilan como si fueran tiras de papel, apareando los donores y los aceptores.

Este complejo de transferencia de carga sostiene muy firmemente las cadenas, impidiendo que se muevan demasiado. Cuando las moléculas no pueden moverse, no pueden moverse en el material entero. Esta es la razón por la cual las poliimidas son tan fuertes.
El complejo de transferencia de carga es tan fuerte, que a veces se necesita hacer el polímero un poco más flexible para que pueda ser procesado. Esto se logra introduciendo bisfenol-A a la cadena polimérica, según se muestra abajo en un segmento de la cadena.
Otra característica interesante de las poliimidas que las hace excelentes para su uso en industrias de la construcción y del transporte, es que son capaces de arder. En realidad, no es su capacidad de quemarse, la que captura la atención de los constructores, sino la propiedad de auto-extinguirse. Cuando una poliimida aromática se incendia, lo cual, dicho sea de paso, es difícil de suceder, se forma una capa carbonosa que sofoca la llama, bloqueándole el combustible para quemarse. Luego esta capa se remueve y todo queda como si nunca se hubiera producido un incendio.
La síntesis de poliimidas aromáticas se produce por la condensación entre un aromático y una diamina. . Monómeros típicos incluyen dianhídrido piromelítico y 4,4-oxidianilina

Cuando R es alifático, las 2 etapas se reducen a una. Cuando R es aromático, el producto final es infusible e insoluble y el polímero se tiene que transformar o aplicar en estadio de ácido poliámico.

Anhídridos utilizados:

Otro método de obtención de poliimidas puede ser a partir de dianhídrido y diisocianato

Propiedades
De acuerdo con el tipo de interacciones entre las cadenas principales, las poliimidas pueden ser:
-Termoplásticos: muy a menudo se llama pseudotermoplástico.
-Termoestables: disponible comercialmente como resinas sin curar, poliimida soluciones, formas de archivo, hojas finas, laminados y piezas mecanizadas.

Las poliimidas termoestables son conocidas por la estabilidad térmica, buena resistencia química, excelentes propiedades mecánicas y color naranja/amarillo característico. Las poliimidas compuestas con refuerzos de grafito o fibra de vidrio tienen resistencia a la flexión de hasta 50.000 psi (345 MPa) y módulo de flexión de 3 millones de psi (20.684 MPa). Las poliimidas termoestables presentan muy baja fluencia o deformación y alta resistencia a la tracción. Estas propiedades se mantienen en uso continuo a temperaturas de 450°F (232°C) y para los usos cortos, de hasta 900°F (482°C). Las piezas moldeadas y laminados de poliimida tienen una resistencia térmica muy buena. Las temperaturas normales de funcionamiento de dichas piezas y laminados van desde temperaturas criogénicas hasta superiores a 500°F (260°C). Las poliimidas también son inherentemente resistentes a la combustión y por lo general no necesitan ser mezclados con retardantes a la llama. Los laminados de poliimida tienen una vida media de fuerza a la flexión de 400 horas a 480°F (249°C).
Las piezas de poliimida no se ven afectadas por los disolventes de uso común y aceites, incluidos los hidrocarburos, ésteres, éteres, alcoholes y freones (CFC: clorofluorocarbono). También resisten los ácidos débiles, pero no se recomienda su uso en ambientes que contienen ácidos o álcalis inorgánicos. Algunas poliimidas, tales como el CP1 y el CORIN XLS, son solubles en disolventes y exhiben alta claridad óptica. Las propiedades de solubilidad permiten aplicaciones por spray y baja temperatura de curado.

Tabla de propiedades típicas
Propiedad
Unidad
Valor
Densidad
Kg/m3
1430
Módulo de Young
GPa
3.2
Resistencia a la tracción
GPa
70-90
Alargamiento a la rotura
%
4-8
Temperatura de transición vítrea
ºC
>400
Punto de fusión
ºC
-
Punto de reblandecimiento Vicat
ºC
-
Conductividad térmica
W/(m.K )
0.52
Coeficiente de expansión térmica
/K
5.5×10−5
Capacidad de calor específico
KJ/(kg.K)
1.15
Absorción de agua ASTM

0.32
Constante dieléctrica a 1MHz
-
3.5

Usos y aplicaciones
Las piezas hechas de poliimida son ligeras, flexibles, resistentes al calor y a productos químicos. Por lo tanto, se utilizan en la industria electrónica de cables flexibles, como una película aislante de cables y tuberías para uso médico. Por ejemplo, en un ordenador portátil, el cable que conecta la placa lógica principal a la pantalla (que debe ser flexible cada vez que se abra la computadora portátil o cerrada) es a menudo una base de poliimida con conductores de cobre. Ejemplos de películas de poliimida incluyen Apical, Kapton, UPILEX, VTEC PI, TH Norton y Kaptrex.
El Kapton es una película de poliimida desarrollado por DuPont quién puede seguir siendo estable en una gama ancha de temperatura, de −269°C a 400°C. Se utiliza, entre otras cosas, en el proceso de fabricación de los circuitos impresos flexibles, los apoyos de carretes móviles de altavoces alta potencia. Además pueden utilizarle para el aislamiento cobre o aluminio. Este aislamiento se utiliza para la construcción de los motores de tracción (de tren) sujetos a elevadas temperaturas. Este nombre de marca pasó en la lengua corriente, como, por ejemplo, el kevlar.
KAPTON: Láminas de poliimida de alta temperatura
La industria de los semiconductores utiliza poliimida como adhesivo alta temperatura, y también se utiliza como un amortiguador de estrés mecánico. Algunos tipos de poliimidas pueden ser utilizados como materiales fotosensibles.
Un uso adicional de resina de poliimida es como capa aislante en la fabricación de semiconductores digitales y chips de MEMS. Las capas de poliimida tienen buena elongación y resistencia a la tracción mecánica, que también ayuda a la adherencia entre las capas de poliimida o entre la capa de poliamida y una capa de metal. La interacción mínima entre la película de metal y la película de poliimida, junto con la estabilidad a altas temperaturas de la película de poliimida, da como resultado un sistema que proporciona un aislamiento fiable cuando se someten a varios tipos de estrés ambientales.Tambien se utiliza una película de poliimidad como aislante entre un transistor o circuito integrado y el disipador de calor.
Aislante transistor-disipador

Poliimida en polvo puede ser usado para producir piezas y perfiles con las tecnologías de la sinterizado (moldeo por compresión en caliente, formación de directo, y prensado isostático). Debido a su alta estabilidad mecánica, incluso a temperaturas elevadas se utiliza en bujes, cojinetes, casquillos o piezas para aplicaciones exigentes. Para mejorar las propiedades tribológicas se le agregan lubricantes sólidos como el grafito, PTFE o sulfuro de molibdeno.
 Poliimida VTEC - formas comunes para el mecanizado


En centrales eléctricas de carbón, incineradoras de residuos o plantas de cemento, las fibras de poliimida se utilizan en la filtración de gas caliente. Un filtro de poliimida separa el polvo y partículas de los gases de escape.
Filtro para gases calientes
Las velas solares que utiliza la sonda IKAROS están hechas de resina de poliimida para que pueda operar sin los motores cohetes.
Representación sonda IKAROS
Las poliimidas también encuentran uso en la fabricación de conos de altoparlantes
Cono de tweeter de poliimida
Calefactores flexibles de poliimida de Watlow en aplicaciones médicas y otras. Los calefactores de poliimida son los más apropiados para dispositivos médicos e instrumentación analítica que requieren calefactores de peso reducido. La poliimida posee atributos adicionales tales como su baja desgasificación, su resistencia a la radiación a los disolventes y otras sustancias químicas. Entre algunas de las aplicaciones se incluyen los calefactores para tratamientos intravenosos, respiradores, calefactores para endoscopios y calefactores para jeringuillas. Los calefactores funcionan en entornos de hasta -195ºC.
Calefactores flexibles



Fuentes:
Macrogalleria
wikipedia
ides
DuPont
VTEC

6 comentarios:

  1. Hola,

    Primero de todo, felicidades por el blog. Me parece una información muy interesante para el mundo del plástico.

    Me gustaría poder añadir cierta información sobre las poliimidas. Y es que este material (al menos por mi experiencia en los sinterizados) presenta problemas de absorción de agua y cuando la aplicación es superior a 100ºC, la presión del vapor de agua interna puede llegar a agrietar el material. Por lo que no es recomendable utilizarlas en aplicaciones en contacto con agua y a altas temperaturas.

    Esta situación es reversible mediante el secado.

    Por todo lo demás, creo que las poliimidas son un material excelente.

    Si deseáis más información podéis consultar la web:

    http://www.ensinger.es/es/materiales/plasticos-para-altas-temperaturas/poliimida/

    Saludos,

    bcanals

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    1. Gracias por comentar y contar tu experiencia. Saludos

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  2. Buen día, quisiera me aclararan una duda. Y es que me gustaría saber si hay alguna poliimida que sea biocompatible con el organismo humano.

    Gracias,

    Héctor.

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    1. Hola Héctor. Sí, existen grados especiales de poliimidas compatibles con el organismo, utilizados en prótesis neuronales e implantes de sistemas microelectromecánicos como encapsulante o recubrimiento y en tubos o stents, etc.
      Saludos

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  3. Hola Héctor,

    Muy buena recopilación de información de este material.
    Se me venía a la mente cuál sería la mejor forma para cortar este material en figuras geométricas complejas...Láser o qué más?

    Saludos

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    1. Hola Luis. Para cortes de geometrías complejas y precisiones del ámbito del micrómetro considero que el láser sería la mejor opción. Además realiza un corte limpio, sin necesidad de mecanizado posterior. También se puede realizar corte por chorro de agua
      Saludos

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