Термостойкие полимеры: Полиэтилентерефталат и полиимидные пленки

Введение

Термостойкие полимеры являются основой современной техники и электроники. Полиэтилентерефталатные и полиимидные пленки уже несколько десятилетий являются лучшим другом ученых и инженеров. Эти пленки чрезвычайно эластичны, обладают повышенной термостойкостью и очень легки. Мы попытаемся разобраться, что представляют собой эти пленки и как они защищают электронику.

Что такое полиэтилентерефталатные и полиимидные пленки

Полиэтилентерефталатные пленки изготавливаются из обычного термопластичного полимера. Они находят применение в упаковке и даже гибких дисплеях. Полиэтилентерефталатные пленки выдерживают умеренные температуры и обладают хорошими механическими свойствами. Они обладают балансом прочности и прозрачности.

Самиполиимидные пленки обладают отличной термостабильностью. Полиимидные пленки используются там, где температура превышает 400°C. Полиимидные пленки обычно используются для гибких печатных схем или изоляции чувствительных компонентов космических аппаратов. Их молекулярная структура придает им исключительную термо- и химическую стойкость.

Оба этих пленочных материала существуют уже несколько десятилетий. Их история - это история постоянных инноваций. Разница в их свойствах заключается в том, что они отличаются по молекулярному составу. Проще говоря, полиэтилентерефталат состоит из повторяющихся сложноэфирных связей, а полиимид - из уникальных имидных колец, которые создают более прочные связи, благодаря чему он обладает превосходными тепловыми характеристиками. Оба полимера высоко ценятся инженерами благодаря уникальным преимуществам, которыми обладает каждый из них.

Как полиимидные и полиэтилентерефталатные пленки защищают электронику

Электронные устройства во время работы выделяют тепло, и даже минимальное повышение температуры сказывается на производительности. Пленки из полиэтилентерефталата являются диффузионными и уменьшающими рост тепла изоляционными слоями. В холодных условиях пленки предотвращают короткое замыкание и защищают чувствительную проводку.

Полиимидные пленки используются там, где окружающая среда более агрессивна. Они используются в качестве тепловых экранов. Полиимидные пленки обеспечивают электрическую и тепловую изоляцию в гибкой электронике. Полиимидные пленки обладают высокой температурой плавления и поэтому могут выдерживать экстремальные условия. Подобная защита необходима в таких продуктах, как высокопроизводительное оборудование и даже в аэрокосмической отрасли, где неисправность может привести к дорогостоящим или опасным последствиям.

Роль таких пленок очевидна. Они изолируют компоненты от тепла, но при этом пропускают достаточный поток сигналов. Они также защищают от контакта с химическими веществами и водой. Синтез свойств делает их широко применяемыми в самых разных отраслях.

STEM-эксперимент: Тепловая и электрическая изоляция полиэтилентерефталатных и полиимидных пленок

Один из лучших способов понять эти полимеры - эксперимент. Проведя испытания на термостойкость, электроизоляцию и механическую прочность, вы сможете увидеть, как каждая пленка реагирует на нагрузку. Эти тесты позволят вам учиться на практике и сравнивать два материала.

Физика и техника

- Тест на термостойкость:

Поместите образец каждой пленки напротив источника тепла, например лампы или нагревательной пластины. Измерьте температуру поверхности термометром в зависимости от времени. Полиэтилентерефталатные пленки быстрее зарегистрируют повышение температуры. Полиимидные пленки будут иметь более низкую температуру, так как молекулярная структура препятствует передаче тепла. Наблюдайте за изменением температуры через равные промежутки времени. Этот тест имитирует то, что происходит в электронном устройстве.

- Эксперимент с электрической изоляцией:

Снимите показания удельного сопротивления каждой пленки с помощью мультиметра. Поместите прибор на шкалу высокого сопротивления и вдавите щуп в поверхность пленки. Показания дают представление о диэлектрической прочности. У полиимидных пленок сопротивление будет выше. Урок, который преподносит это упражнение, заключается в том, почему они используются в схемах, которые должны выдерживать электрические пробои.

- Сравнение механической прочности:

Проведите испытание на обеих пленках, чтобы сравнить прочность на разрыв. Зажмите обе пленки в нужном положении и постепенно прикладывайте груз. Определите, какой образец меньше растягивается при растяжении. Полиэтилентерефталатные пленки могут быть довольно гибкими, но полиимидные пленки сохраняют свою форму при растяжении. Тест на растяжение может многое рассказать о целостности обоих материалов.

Химия

- Исследование молекулярной структуры:

Постройте модели из простых инструментов, таких как бумага или глина. Продемонстрируйте каждую повторяющуюся единицу. Модели полиэтилентерефталата представляют собой длинные цепочки с соединяющими их сложноэфирными группами. Модели полиимида состоят из ароматических колец и имидных групп. Построение этих моделей позволяет определить, как и почему та или иная структура лучше противостоит нагреванию.

- Термостабильность и разложение

Постепенно продемонстрируйте, как каждая пленка реагирует на нагревание, чем она отличается от других. Полиэтилентерефталат разлагается при температуре около 250 °C. Полиимидные пленки, однако, выдерживают температуру свыше 400°C, прежде чем разрушатся. К работе с ними следует подходить с осторожностью. Действуйте в контролируемой среде и со всеми средствами защиты.

- Моделирование полимеризации:

Продемонстрируйте процесс полимеризации, используя реальные объекты, такие как скрепки или крошечные бусинки, соединенные в цепочку. Покажите, как отдельные мономеры соединяются в длинные цепи. Демонстрация показывает, почему цепная структура полиимида настолько прочна. Модели твердых тел придают таким абстрактным понятиям осязаемую форму.

Технология и применение

- Соединения в реальном мире

Гибкие дисплеи и упаковки в повседневной жизни используют полиэтилентерефталатные пленки. Возможно, вы читаете с сенсорного экрана или пластиковой бутылки, в которых используются эти пленки. Полиимидные пленки используются в тех областях, где высокие температуры являются нормой. Хороший пример - гибкие печатные платы, а также изоляционные детали космических кораблей.

- STEM Challenge:

Разработайте задачу, в которой нужно создать "тепловой экран". Используйте полоски полимерной пленки, чтобы защитить небольшой датчик от источника тепла. Проведите измерения, чтобы определить, какая пленка обеспечивает большую защиту. Эта задача представляет собой сочетание конструирования и научных испытаний и дает реальное представление о том, что такое инженерное дело.

- Регистрация данных

Представьте такое оборудование, как термопары или базовые датчики Arduino, для регистрации изменений температуры в экспериментах. Это придает экспериментам технологическую изюминку. Вполне возможно обучить принципам регистрации данных. В одном лабораторном занятии сочетаются компоненты физики, химии и компьютерного кодирования.

Заключение

Полиэтилентерефталатные и полиимидные пленки - важнейшие материалы, используемые в современной термочувствительной электронике. Молекулярная структура пленок делает их пригодными для многочисленных применений в электронике. Два эксперимента могут легко показать, как они отличаются друг от друга по термостойкости, электроизоляции и механической прочности. Практические эксперименты помогают соединить теорию с реальными приложениями. Для получения дополнительной информации и проведения STEM-экспериментов, пожалуйста, посетите Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

F: В чем основная разница между полиэтилентерефталатной и полиимидной пленками?

В: Полиэтилентерефталатные пленки подходят для умеренного нагрева, а полиимидные пленки - для сильного нагрева.

F: Подходят ли эти две пленки для гибкой электроники?

В: Да, полиэтилентерефталат широко используется в гибких дисплеях, а полиимид - в печатных платах.

F: Почему электронные устройства должны использовать эти пленки?

В: Они обеспечивают защиту компонентов от нагрева, обеспечивают электроизоляцию и повышают надежность устройства в целом.