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RÉSUMÉ
Les polyimides linéaires (PI) sont particulièrement recherchés pour des applications dans des environnements sévères. En effet, leurs propriétés en font des matériaux de choix lorsque sont demandées de bonnes propriétés diélectriques ou une forte stabilité thermique, ainsi que pour la conception de pièces mécaniques à faible coefficient de frottement et à résistance élevée à l’usure. Leur structure chimique fortement aromatique est telle que certains de ces polyimides linéaires ne présentent ni transition vitreuse ni fusion observable avant la décomposition par oxydation au voisinage de 500 degrés C.
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Linear polyimides are particularly valued for applications in harsh environments. Indeed, due to their properties, they are the materials of choice when good dielectric properties or strong heat stability are required, as well as for the manufacture of mechanical parts with low friction coefficient and high wear resistance. Their highly aromatic chemical structure is such that certain of these linear polyimides do not present any vitreous transition nor any observable fusion before decomposition by oxidation at around 500 °C.
Auteur(s)
-
Olivier TALON : Ingénieur et docteur de l’Institut national des sciences appliquées (INSA) de Rouen
INTRODUCTION
Élaborés dans les années 1960, les polyimides linéaires (PI) constituent une famille de polymères de spécialité en forte croissance, particulièrement recherchés pour des applications dans des environnements sévères. En effet, leurs propriétés en font des matériaux de choix lorsque sont demandées de bonnes propriétés diélectriques ou une forte stabilité thermique, ainsi que pour la conception de pièces mécaniques à faible coefficient de frottement et à résistance élevée à l’usure.
Leur structure chimique fortement aromatique, responsable de bon nombre de leurs propriétés, notamment via des interactions interchaînes de type transfert de charge, est telle que certains de ces polyimides linéaires ne présentent ni transition vitreuse ni fusion observable avant la décomposition par oxydation au voisinage de 500 oC. Ces caractéristiques particulières font de cette catégorie de polyimides (type A) une famille de polymères à part, qu’on distinguera des thermoplastiques malgré leur caractère linéaire, et qui nécessitent souvent des techniques de mise en œuvre spécifiques. On les classe en deux types.
Les plus anciens, de type Kapton ou Vespel, sont obtenus par frittage d’une poudre sous pression à température élevée. Les pièces ainsi obtenues ne sont modifiables que par usinage, car les températures de ramollissement et de dégradation sont très proches. Ils peuvent être mis en forme par frittage isostatique ou par usinage de pièces semi-finies. Ils peuvent également être obtenus sous forme de film à partir d’une solution.
Une deuxième famille de polyimides (type B), plus récente, regroupe des thermoplastiques pouvant être mis en œuvre avec les méthodes classiques de transformation des thermoplastiques comme l’injection, l’extrusion ou le thermoformage (Ultem, Aurum).
Les propriétés recherchées dans les polyimides sont la tenue thermique, la résistance aux solvants, les bonnes propriétés mécaniques, la stabilité dimensionnelle, un faible coefficient de friction, une excellente résistance aux radiations, etc. Les applications courantes des polyimides se trouvent dans les composants pour l’automobile ou l’aéronautique, les instruments chirurgicaux, les fours micro-ondes... Leur constante diélectrique en fait des matériaux de choix pour les applications en électricité et en électronique (circuits...). Tous les polyimides présentent des propriétés remarquables, mais celles-ci varient sensiblement suivant les PI. Ainsi, la conservation des propriétés mécaniques en température des polyimides de type A est excellente, mais leur non-processabilité limite leurs applications. Les polyimides thermoplastiques de type B ont une tenue en température légèrement inférieure, sont moins résistants aux solvants et peuvent subir des dégradations thermiques.
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Applications
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3. Mise en œuvre des polyimides
3.1 Formes commerciales
-
Polyimides de type « A »
Les polyimides de type A sont commercialisés le plus souvent sous forme de produits finis (films, fibres...) ou d’ébauches (tubes, barres...) à usiner. On trouve également des solutions de précurseur (polyacide amique).
-
Polyimides de type « B »
Les polyimides de type B sont commercialisés soit sous forme de granulés, chargés ou non, avec des gammes de viscosité adaptées aux différents procédés de mise en œuvre (injection, extrusion...), soit sous forme de demi-produits (films, gaînes de films et câbles, tubes, bâtonnets...).
3.2 Résines de moulage
Les grades de polyimides de type B moulables par injection sont mis en œuvre à des températures de l’ordre de 390 oC (390 à 420 oC pour Aurum, 370 à 400 oC pour Ultem ). Leur viscosité à 100 s–1 est de l’ordre de 300 à 1 000 Pa · s. Il est primordial, afin d’éviter des dégradations de matière pendant l’injection, de sécher préalablement les résines plusieurs heures dans un séchoir à circulation d’air chaud à des températures supérieures à 150 oC. En effet, la réaction d’imidisation est une réaction équilibrée, et aux températures de mise en œuvre des traces d’eau pourraient conduire à une ouverture du cycle imide, voire, subséquemment, à des coupures des chaînes de polyacide amique résultant de la première réaction.
Compte tenu des températures élevées de mise en œuvre, il convient par ailleurs de prendre soin de ne sélectionner que des additifs ou des adjuvants thermiquement stables afin d’éviter leur dégradation.
Dans le même ordre d’idée, en cas de changement de matière, une purge du cylindre est nécessaire afin d’éviter la pollution du polymère par les produits de dégradation des matières injectées préalablement.
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Mise en œuvre des polyimides
Le marché des polyimides de condensation, en raison de leur prix élevé (environ trente fois supérieur à celui des polyamides), reste limité à des applications à hautes performances, et les tonnages consommés restent faibles, bien que ce marché soit en constante croissance.
Le marché le plus important pour les polyimides concerne les États-Unis, les secteurs enregistrant la plus forte croissance étant ceux des films et des fibres.
En Europe, les secteurs clés sont les résines de moulage, les demi-produits et les adhésifs et coatings pour la microélectronique. La croissance du marché européen pour la période 2003 à 2008 était estimée à 2,6 % par an en 2003.
Le marché japonais, comme dans les autres pays asiatiques, est essentiellement consommateur de polyimides pour des applications en microélectronique, et sa croissance pour la même période est évaluée à 10 % par an.
Les principaux producteurs et fournisseurs de polyimides sont indiqués ci-dessous.
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* - On pourra trouver, sur les sites internet des différents producteurs, dont les adresses sont données ci-dessous, des notices documentaires assez détaillées, d’où ont été extraites la plupart des données chiffrées du dossier AM 3 398 ainsi que certaines figures.
Références
Polyimide...
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