ポリアミドイミド
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ポリアミドイミドは、熱硬化性または熱可塑性の非晶質ポリマーであり、優れた機械的、熱的、および化学的耐性を備えています。ポリアミドイミドは、マグネットワイヤの製造におけるワイヤコーティングとして広く使用されています。イソシアネートとTMA（トリメリク酸無水物）をN-メチル-2-ピロリドン（NMP）溶液中で反応させて製造されます。ポリアミドイミドの主要販売業者はソルベイ・スペシャルティ・ポリマーズで、同社はTorlonという商標を使用しています。
ポリアミドイミドは、高強度、溶融加工性、優れた耐熱性、幅広い耐薬品性など、ポリアミドとポリイミドの両方の特性を兼ね備えています。ポリアミドイミドポリマーは、射出成形や圧縮成形による部品やインゴットから、コーティング、フィルム、繊維、接着剤まで、幅広い形状に加工できます。通常、これらの製品は、その後の熱硬化プロセスによって最大の特性を発揮します。
同じ分野における他の高性能ポリマーとしては、ポリエーテルエーテルケトンとポリイミドがあります。
化学
現在、ポリアミドイミドを合成する一般的な商業的方法は、酸塩化物法とイソシアネート法です。
酸塩化物経路
ポリアミドイミドの最も古い合成法は、メチレンジアニリン（MDA）とトリメリット酸クロリド（TMAC）などの芳香族ジアミンの縮合です。この酸無水物とジアミンの反応により、中間体であるアミド酸（アミック酸）が生成します。酸塩化物官能基が芳香族アミンと反応してアミド結合を形成し、副産物として塩酸（HCl）が生成されます。ポリアミドイミドの商業的な製造では、 N-メチルピロリドン（NMP）、ジメチルアセトアミド（DMAC）、ジメチルホルムアミド（DMF）、ジメチルスルホキシド（DMSO）などの双極性非プロトン性溶媒中、20～60℃（68～140°F）の温度で重合が行われます。副産物のHClは、その場で中和するか、沈殿したポリマーから洗浄して除去する必要があります。ポリアミドイミドポリマーをさらに熱処理すると分子量が増加し、アミド酸基がイミドを形成し、水が発生します。
ジイソシアネート経路
これは、電線用エナメルとして使用されるポリアミドイミドの主な製造方法です。ジイソシアネート（多くの場合、4,4'-メチレンジフェニルジイソシアネート（MDI））をトリメリット酸無水物（TMA）と反応させます。この工程の最終生成物は、高分子量で完全にイミド化されたポリマー溶液です。二酸化炭素ガスの副産物は容易に除去できるため、縮合副産物は生成しません。この形態は、電線用エナメルやコーティング剤の製造に便利です。溶液粘度は、化学量論、単官能性試薬、およびポリマー固形分によって制御されます。典型的なポリマー固形分濃度は35～45%ですが、供給者または使用者が希釈剤を用いてさらに希釈することもできます。
製造
ポリアミドイミドはコーティングや成形品の用途で商業的に使用されています。
コーティング
主にコーティングに使用されるこの製品は粉末状で販売されており、約50%がイミド化されています。主な用途の一つは、マグネットワイヤ用エナメルです。マグネットワイヤ用エナメルは、PAI粉末をN-メチルピロリドンなどの強力な非プロトン性溶媒に溶解して作られます。希釈剤やその他の添加剤を加えることで、銅またはアルミニウム導体への塗布に適した粘度を得ることができます。塗布は通常、導体をエナメル液に浸し、次にダイに通してコーティングの厚さを調整することで行われます。その後、ワイヤをオーブンに通して溶媒を蒸発させ、コーティングを硬化させます。必要なコーティングの厚さを得るには、通常、ワイヤをこの工程に数回通します。
PAIエナメルは耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性に優れており、高い耐熱性を得るためにポリエステル線材エナメルの上にPAIが使用されることがよくあります。
PAIは、工業用途の装飾用・耐腐食性コーティングにも使用され、多くの場合、フッ素ポリマーと組み合わせて使用されます。PAIはフッ素ポリマーを金属基材に接着させるのに役立ちます。また、ノンスティック調理器具のコーティングにも使用されています。溶剤を使用することもできますが、水性系もいくつかあります。これは、アミドイミドが酸性官能基を有しているためです。
成形品または機械加工品
成形品に使用されるポリアミドイミドも芳香族ジアミンとトリメリット酸クロリドをベースとしていますが、ジアミンはコーティングに使用される製品に使用されるものとは異なり、ポリマーは配合およびペレット化の前により完全にイミド化されます。射出成形用の樹脂には、非強化、ガラス繊維強化、炭素繊維強化、および耐摩耗グレードがあります。これらの樹脂は比較的低分子量で販売されているため、押し出し成形または射出成形によって溶融加工できます。成形品はその後、数日間、最高 260 °C (500 °F) の温度で熱処理されます。一般に後硬化と呼ばれるこの処理中、鎖延長によって分子量が増加し、ポリマーの強度と耐薬品性が大幅に向上します。後硬化前であれば、部品を再粉砕して再加工できます。後硬化後は、再加工は現実的ではありません。
| 財産 | 試験方法 | ユニット | 成形PAI |
|---|---|---|---|
| 引張強度、極限 | ASTM D 638 | MPa、平均値 | 91.6 |
| 引張弾性率 | ASTM D 638 | GPa、平均値 | 3.97 |
| 引張伸び | ASTM D 638 | % | 3.15 |
| 曲げ強度 | ASTM D 790 | MPa | 133 |
| 曲げ弾性率 | ASTM D 638 | GPa | 4.58 |
| 圧縮強度 | ASTM D 695 | MPa、平均 | 132 |
| アイゾット衝撃強度 | ASTM D 256 | J/m (ft-lb/in) 平均 | 0.521 (1) |
| 熱たわみ温度 @ 264 psi | ASTM D 648 | °C（°F） | 273 (523) |
| 線膨張係数 | ASTM D 696 | ppm/°C | 37.7 |
| 体積抵抗率 | ASTM D 257 | オームcm、平均 | 8.10 × 1012 |
| 密度 | ASTM D 792 | グラム/cm 3 | 1.48 |
| 24時間吸水量 | ASTM D 570 | % | 0.35 |
高強度グレードのみ
| 財産 | 試験方法 | ユニット | きちんとしたPAI | 30% GF PAI | 30% CF PAI |
|---|---|---|---|---|---|
| 抗張力 | ASTM D 638 | MPa（kpsi） | 152 (22.0) | 221 (32.1) | 221 (32.0) |
| 引張弾性率 | ASTM D 638 | GPa（kpsi） | 4.5 (650) | 14.5 (2,110) | 16.5 (2,400) |
| 引張伸び | ASTM D 638 | % | 7.6 | 2.3 | 1.5 |
| 曲げ強度 | ASTM D 790 | MPa（kpsi） | 241 (34.9) | 333 (48.3) | 350 (50.7) |
| 曲げ弾性率 | ASTM D 790 | GPa（kpsi） | 5.0 (730) | 11.7 (1,700) | 16.5 (2,400) |
| 圧縮強度 | ASTM D 695 | MPa（kpsi） | 221 (32.1) | 264 (38.3) | 254 (36.9) |
| せん断強度 | ASTM D 732 | MPa（kpsi） | 128 (18.5) | 139 (20.1) | 119 (17.3) |
| アイゾット衝撃強度 | ASTM D 256 | J/m (ftlb/in) | 144 (2.7) | 80 (1.5) | 48 (0.9) |
| アイゾット衝撃強度（ノッチなし） | ASTM D 4812 | J/m (ftlb/in) | 1070（20） | 530 (10) | 320 (6) |
| 熱たわみ温度 @ 264 psi | ASTM D 648 | °C（°F） | 278 (532) | 282 (540) | 282 (540) |
| 線膨張係数 | ASTM D 696 | ppm/°C（ppm/°F） | 31 (17) | 16 (9) | 9 (5) |
| 体積抵抗率 | ASTM D 257 | オーム-cm | 2e17 | 2e17 | |
| 比重 | ASTM D 792 | 1.42 | 1.61 | 1.48 | |
| 24時間吸水量 | ASTM D 570 | % | 0.33 | 0.24 | 0.26 |
耐摩耗性PAIグレード
| 財産 | 試験方法 | ユニット | 4275 | 4301 | 4435 | 4630 | 4645 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 抗張力 | ASTM D 638 | MPa（kpsi） | 117 (16.9) | 113 (16.4) | 94 (13.6) | 81 (11.8) | 114 (16.6) |
| 引張弾性率 | ASTM D 638 | GPa（kpsi） | 8.8 (1,280) | 6.8 (990) | 14.5 (2,100) | 7.4 (1,080) | 18.6 (2,700) |
| 引張伸び | ASTM D 638 | % | 2.6 | 3.3 | 1.0 | 1.9 | 0.8 |
| 曲げ強度 | ASTM D 790 | MPa（kpsi） | 208 (30.2) | 215 (31.2) | 152 (22.0) | 131 (19.0) | 154 (22.4) |
| 曲げ弾性率 | ASTM D 790 | GPa（kpsi） | 7.3 (1.060) | 6.9 (1,000) | 14.8 (2,150) | 6.8 (990) | 12.4 (1,800) |
| 圧縮強度 | ASTM D 695 | MPa（kpsi） | 123 (17.8) | 166 (24.1) | 138 (20.0) | 99 (14.4) | 157 (22.8) |
| アイゾット衝撃強度（ノッチ付き） | ASTM D 256 | J/m (ft-lb/in) | 85 (1.6) | 64 (1.2) | 43 (0.8) | 48 (0.9) | 37 (0.7) |
| アイゾット衝撃強度（ノッチなし） | ASTM D 4812 | J/m (ft-lb/in) | 270 (5) | 430 (8) | 210 (4) | 160 (3) | 110 (2) |
| 264 psiでの熱たわみ温度 | ASTM D 648 | °C（°F） | 280 (536) | 279 (534) | 278 (532) | 280 (536) | 281 (538) |
| 線膨張係数 | ASTM D 696 | ppm/°C（ppm/°F） | 25 (14) | 25 (14) | 14 (8) | 16 (9) | 9 (3) |
射出成形
ポリアミドイミド樹脂は吸湿性があり、周囲の水分を吸収します。樹脂を加工する前に、脆い部品、発泡、その他の成形上の問題を回避するために乾燥させる必要があります。樹脂は、水分含有量が 500 ppm 以下になるまで乾燥させる必要があります。露点を -40 °F (-40 °C) に維持できる乾燥剤乾燥機の使用をお勧めします。パンやトレイで乾燥させる場合は、乾燥トレイに樹脂を 2 ～ 3 インチ (5.1 ～ 7.6 cm) 以下の層にして入れます。250 °F (121 °C) で 24 時間、300 °F (149 °C) で 16 時間、または 350 °F (177 °C) で 8 時間乾燥させます。350 °F で乾燥させる場合は、乾燥時間を 16 時間以内に制限します。射出成形プレスには、乾燥剤ホッパー乾燥機の使用をお勧めします。循環空気吸引パイプは、ホッパーの底部、できるだけ供給口の近くに設置する必要があります。
一般的に、PAIの成形には、閉ループ制御が可能なマイクロプロセッサ制御を備えた最新の往復スクリュー式射出成形機が推奨されます。この成形機には、低圧縮比の定テーパースクリューを装備する必要があります。圧縮比は1.1～1.5：1の範囲とし、チェック装置は使用しないでください。金型温度の開始温度は以下のように規定されています。
| ゾーン | 温度、°F | 温度、°C |
|---|---|---|
| フィードゾーン | 580 | 304 |
| 中間ゾーン | 620 | 327 |
| フロントゾーン | 650 | 343 |
| ノズル | 700 | 371 |
金型温度は 325 ～ 425 °F (163 ～ 218 °C) の範囲にする必要があります。
その他のアプリケーション
ポリアミドイミドは耐熱性と耐薬品性が高いため、原理的には膜ベースのガス分離に適しています。天然ガス井からCO 2、H 2 S、その他の不純物などの汚染物質を分離することは、重要な産業プロセスです。 1000 psia を超える圧力には、優れた機械的安定性を備えた材料が必要です。極性の高い H 2 S 分子と分極可能な CO 2分子はポリマー膜と強く相互作用し、高レベルの不純物によって膨潤と可塑化を引き起こします[ 1 ]。ポリアミドイミドは、ポリイミド機能から生じる強力な分子間相互作用と、アミド結合の結果としてポリマー鎖が互いに水素結合する能力により、可塑化に耐えることができます。現在主要な産業分離には使用されていませんが、ポリアミドイミドは化学的および機械的安定性が要求されるこれらのタイプのプロセスに使用できます。
参照
参考文献
- ^フリーマン、ベニー、ヤンポルスキー、ユーリ (2011-06-20).膜ガス分離 - Googleブックス. ISBN 9781119956587. 2012年2月19日閲覧。
さらに読む
- Patel, MCおよびShah, AD, アミノ末端ポリオリゴミドに基づくポリ(アミド-イミド)、Oriental J. Chem、19(1)、2002
- ジェームズ・M・マーゴリス編集長、エンジニアリングプラスチックハンドブック、ISBN 0-07-145767-4、マグロウヒル、2006年頃
