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【特种塑料】聚酰亚胺（PI）的基本性能与应用
来源： | 作者：JHE 深圳九合新材料 0755-2710 9626 | 发布时间 ：2025-04-10 | 63 次浏览 | 分享到:

中文名：聚酰亚胺

外文名：Polyimide

别名/简称：PI

外观：淡黄色粉末

弯曲强度：(20℃)≥170MPa

密度：1.38～1.43g/cm3

冲击强度(无缺口)：≥28kJ/m2

拉伸强度：≥100MPa

维卡软化点：>270℃

吸水性：(25℃，24h)

伸长率：>120%

特征：一类具有酰亚胺重复单元的聚合物

主要分类：脂肪族、半芳香族和芳香族聚酰亚胺三种


类型与特点

一、缩聚型

缩聚型芳香聚酰亚胺是由芳香族二元胺和芳香族二酐、芳香族四羧酸或芳香族四羧酸二烷酯反应而制得的。由于缩聚型聚酰亚胺的合成是在诸如二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮等高沸点的非质子极性溶剂中进行的，而聚酰亚胺复合材料通常是采用预浸料成型工艺，这些高沸点的非质子极性溶剂在预浸料制备过程中很难挥发干净，同时在聚酰胺酸环化（亚胺化）期间亦有挥发物放出，这就容易在复合材料制品中产生孔隙，难以得到高质量、没有孔隙的复合材料。因此缩聚型聚酰亚胺已较少用作复合材料的基体树脂，主要用来制造聚酰亚胺薄膜和涂料。


二、加聚型

由于缩聚型聚酰亚胺具有如上所述的缺点，为克服这些缺点，相继开发出了加聚型聚酰亚胺。获得广泛应用的主要有聚双马来酰亚胺和降冰片烯基封端聚酰亚胺。通常这些树脂都是端部带有不饱和基团的低相对分子质量聚酰亚胺，应用时再通过不饱和端基进行聚合。


    • 聚双马来酰亚胺：聚双马来酰亚胺是由顺丁烯二酸酐和芳香族二胺缩聚而成的。它与聚酰亚胺相比，性能不差上下，但合成工艺简单，后加工容易，成本低，可以方便地制成各种复合材料制品。但固化物较脆。

    • 降冰片烯基封端聚酰亚胺树脂：其中最重要的是由NASA Lewis研究中心发展的一类PMR（for insitu polymerization of monomer reactants, 单体反应物就地聚合）型聚酰亚胺树脂。PMR型聚酰亚胺树脂是将芳香族四羧酸的二烷基酯、芳香族二元胺和5-降冰片烯-2,3-二羧酸的单烷基酯等单体溶解在一种烷基醇（例如甲醇或乙醇）中，为种溶液可直接用于浸渍纤维。


三、子类

聚酰亚胺可分为均苯型PI，可溶性PI，聚酰胺-酰亚胺（PAI）和聚醚亚胺（PEI）四类。


性 能

热分解温度
对于全芳香聚酰亚胺，根据热重分析，其开始分解温度一般都在500℃左右。由联苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺，热分解温度达到600℃，是迄今聚合物中热稳定性最高的品种之一。
耐高温
耐高温达400℃以上 ，长期使用温度范围-200～300℃，无明显熔点。
耐极限低温
可耐极低温度，如在绝对温度4K(-269℃)的液态氢中仍不会脆裂。
力学性能
未填充的塑料的拉伸强度都在100MPa 以上，均苯型聚酰亚胺的薄膜(Kapton)为250MPa，而联型聚酰亚胺薄膜(Upilex-S)达到 530MPa。作为工程塑料，弹性模量通常为3~4GPa。俄罗斯学者报道由共聚聚酰亚胺纺得的纤维其强度可达5.1~6.4GPa，模量可达到 220~340GPa。据理论计算，由均苯二酐和对苯二胺合成的聚酰亚胺纤维其模量可达 500GPa，仅次于碳纤维。
耐水解性
聚酰亚胺对稀酸较稳定，但一般的品种不太耐水解，尤其是碱性水解。这个看似缺点的性能却给予聚酰亚胺以有别于其他高性能聚合物的一个很大的特点，即可以利用碱性水解回收原料二酐和二胺，例如对于Kapto薄膜，其回收率可达90%。改变结构也可以得到相当耐水解的品种，经起 120℃、500h水煮。但聚酰亚胺与其他芳香聚合物一样，不耐浓硫酸、硝酸及卤素。
耐酸耐溶剂性
聚酰亚胺有一个很宽的溶解度谱，根据结构的不同，一些品种几平不溶于所有有机溶剂，另一些则能够溶于普通溶剂，如四氢、丙酮、氯仿，甚至甲苯和甲醇。聚酰亚胺与其他芳香聚合物一样，不耐浓硫酸、硝酸及卤素。
热膨胀系数
聚酰亚胺的热膨胀系数在2x10-5~3x10-5℃-1，联苯型聚酰亚胺可达   10-6℃-1，与金属在同一个水平上，还有个别品种甚至可以达到10-7℃-1。
耐辐照
聚酰亚胺具有很高的耐辐照性能，其薄膜在吸收剂量达到5x107Gy时强度仍可保持86%，一种聚酰亚胺纤维经1x108Gy电子辐照后其强度保持率仍为 90%。
介电性能
聚酰亚胺具有很好的介电性能，普通芳香聚酰亚胺的介电常数为3.4左右，引人氟、大的侧基或将空气以纳米尺寸分散在聚酰亚胺中，介电常数可降到 2.5 左右。介电损耗为 10-3，介电强度为 100~300kV/mm，体积电阻率为 1017Ω·cm。这些性能在宽广的温度范围和频率范围内仍能保持较高的水平。
阻燃性能
自熄性：聚酰亚胺通常不会自燃或助燃，这使得它在高温环境下使用时非常安全；低发烟率：在高温燃烧时，聚酰亚胺的发烟率极低，这有助于减少火灾时的烟雾和有毒气体的释放；高残碳率：在高温燃烧后，聚酰亚胺的残碳率通常在50%以上，这有助于阻止火势的进一步蔓延。
生物安全性
聚酰亚胺无毒，可用来制造餐具和医用器具，并经得起数干次消毒。一些聚酰亚胺还具有很好的生物相容性，例如，在血液相容性试验中关非溶血性，体外细胞毒性试验为无毒。





合成途径

聚酰亚胺品种繁多、形式多样，在合成上具有多种途径，因此可以根据各种应用目的进行选择，这种合成上的易变通性也是其他高分子所难以具备的。合成介绍如下：


    • 合成途径：聚酰亚胺主要由二元酐和二元胺合成，这两种单体与众多其他杂环聚合物，如聚苯并咪唑、聚苯并噻唑、聚喹啉等单体比较，原料来源广，合成也较容易（原料来源）。二酐、二胺品种繁多，不同的组合就可以获得不同性能的聚酰亚胺。

    • 合成方法：

    1. 低温缩聚：聚酰亚胺可以由二酐和二胺在极性溶剂，如DMF，DMAC，NMP或THE/甲醇混合溶剂中先进行低温缩聚，获得可溶的聚酰胺酸，成膜或纺丝后加热至 300℃左右脱水成环转变为聚酰亚胺；

    2. 化学脱水环化：向聚酰胺酸中加入乙酐和叔胺类催化剂，进行化学脱水环化，得到聚酰亚胺溶液和粉末。

    3. 一步法：二胺和二酐还可以在高沸点溶剂，如酚类溶剂中加热缩聚，一步获得聚酰亚胺。

    4. 其他方法：由四元酸的二元酯和二元胺反应获得聚酰亚胺；也可以由聚酰胺酸先转变为聚异酰亚胺，然后再转化为聚酰亚胺。

这些方法都为加工带来方便，前者称为PMR法，可以获得低粘度、高固量溶液，在加工时有一个具有低熔体粘度的窗口，特别适用于复合材料的制造；后者则增加了溶解性，在转化的过程中不放出低分子化合物。

    • 只要二酐（或四酸）和二胺的纯度合格，不论采用何种缩聚方法，都很容易获得足够高的分子量，加入单元酐或单元胺还可以很容易的对分子量进行调控。

    • 以二酐（或四酸）和二胺缩聚，只要达到一等摩尔比，在真空中热处理，可以将固态的低分子量预聚物的分子量大幅度的提高，从而给加工和成粉带来方便。

    • 很容易在链端或链上引入反应基团形成活性低聚物，从而得到热固性聚酰亚胺。

    • 利用聚酰亚胺中的羧基，进行酯化或成盐，引入光敏基团或长链烷基得到双亲聚合物，可以得到光刻胶或用于LB膜的制备。

    • 一般的合成聚酰亚胺的过程不产生无机盐，对于绝缘材料的制备特别有利。

    • 作为单体的二酐和二胺在高真空下容易升华，因此容易利用气相沉积法在工件，特别是表面凹凸不平的器件上形成聚酰亚胺薄膜。


聚酰亚胺的产业链



应用领域

▶  航空航天领域

    • 运用场景：航天器、飞机等航空航天设备的结构件、热防护系统、电缆绝缘层等。

    • 作用：聚酰亚胺具有优异的耐高温、高强度和耐化学腐蚀性能，能够满足航空航天设备在高温、高压、强辐射等极端环境下的使用要求，提高设备的可靠性和耐久性。



登上月球的特种材料


2019年，嫦娥四号登月成功。为了应对月球强辐射、大温差的严酷环境，我国科学家选定聚酰亚胺作为“五星红旗的制作材料。用聚酰亚胺制作的“五星红旗”，不惧恶劣的月球环境，使得鲜红旗帜永不褪色。这是迄今唯一在月球背面“闪耀”的国旗。


▶ 微电子领域

    • 运用场景：集成电路、芯片封装、柔性电路板、光刻胶等。

    • 作用：聚酰亚胺具有优良的电绝缘性能、低热膨胀系数和良好的加工性能，是微电子领域中的重要材料。它可用于制造集成电路的层间绝缘层、芯片封装的保护层以及柔性电路板等，提高微电子器件的性能和可靠性。


电路板


▶  电气绝缘领域

    • 运用场景：电线电缆、电机、变压器等电气设备的绝缘层。

    • 作用：聚酰亚胺具有出色的电绝缘性能和耐高温性能，可用于制造电线电缆的绝缘层、电机的槽绝缘及电缆绕包材料等，提高电气设备的绝缘性能和安全性。


 


▶  新能源领域

    • 运用场景：燃料电池、太阳能电池、锂离子电池等新能源设备的隔膜、封装材料等。

    • 作用：聚酰亚胺具有优异的耐高温、耐化学腐蚀和机械强度，可用于制造燃料电池的隔膜、太阳能电池的底板以及锂离子电池的封装材料等，提高新能源设备的性能和稳定性。



▶  纤维与织物领域

    • 运用场景：防弹衣、防火服、高温过滤材料等。

    • 作用：聚酰亚胺纤维具有高强度、高模量、耐高温和耐化学腐蚀等性能，可用于制造防弹衣、防火服等防护服装以及高温过滤材料等，提高防护性能和耐用性。


 聚酰亚胺纤维                                                      轶纶95制成的针织面料


聚酰亚胺纤维的开发最早由美国和日本主导，但因为种种原因，在美国和日本均未见聚酰亚胺纤维的产业化。

目前真正实现产业化生产并销售的耐高温聚酰亚胺纤维只有德国赢创的P84@纤维和我国长春高琦的轶纶纤维，其中赢创的产能为约为1400吨/年，长春高琦的产能约为540吨/年。长春高琦在聚酰亚胺纤维技术上的突破解决了我国军事及航空航天领域对于聚酰亚胺需求问题。


▶  其他领域

    • 运用场景：分离膜、涂料、胶粘剂、工程塑料等。

    • 作用：聚酰亚胺还可用于制造分离膜，用于气体、液体的分离和提纯；作为涂料用于电磁线、耐高温涂料等领域；作为胶粘剂用于高温结构胶等领域；作为工程塑料用于制造自润滑、密封、绝缘及结构材料等。


 

薄膜                                                     工程材料


发展及趋势

国外PI行业竞争格局


国内PI行业竞争格局


聚酰亚胺（PI）的发展趋势显著，主要体现在技术创新、市场规模增长、高端化与国产替代、应用领域拓展及新材料研发等方面。随着5G/6G通信、柔性OLED显示等新技术的发展，PI材料的性能要求不断提升，推动了其新特性及功能的开发。全球PI薄膜市场规模持续增长，预计到2025年将增至31亿美元，中国市场增速尤为显著，国产替代空间巨大。国内企业在高性能PI膜领域取得突破，未来有望减少对进口的依赖。同时，PI材料的应用领域不断扩展，尤其在航空、船舶等高端领域展现出广阔前景。此外，含氟聚酰亚胺、光敏聚酰亚胺等新型PI材料因其优异性能受到广泛关注。


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