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Les polyimides (en abrégé PI)[1] sont des polymères colorés (souvent ambrés) qui comportent des groupes imide dans leur chaîne principale. Les polyimides sont surtout connus pour leur thermostabilité.
Selon la composition de leur chaine squelettique, les polyimides peuvent être classés en :
Selon les réactifs utilisés pour leur synthèse, les polyimides peuvent être :
| Famille de polyimide | Type de polyimide | Réactifs |
|---|---|---|
| Polyimides non réticulés | Polyimides linéaires (PI) | Deux monomères |
| Polyimides thermoplastiques (TPI) | Un ou deux monomères et un pré-polymère | |
| Polyimides réticulés (thermodurcissables) | Polybismaléimides (BMI) | Un monomère et un agent réticulant |
| Polyimides PMR (Polymerization of Monomeric Reactants) | Deux monomères et un agent réticulant |
Ces polymères de spécialité se trouvent sur le plan commercial sous les noms de Kapton (commercialisé en 1962) et Vespel de DuPont, Upilex d'UBE, P84 d'Evonik Fibers, Meldin de Saint-Gobain Performance Plastics, etc.
Plusieurs voies de synthèse sont possibles pour préparer les polyimides linéaires. Parmi ces méthodes :
Cette synthèse implique la polycondensation d’une diamine et d’un dianhydride dans un solvant aprotique dipolaire. La réaction entre la diamine et le dianhydride donne un produit intermédiaire, le poly(acide amique), qui doit être cyclisé. La cyclisation de ce polymère précurseur par voie chimique ou thermique donne le polyimide final et un sous-produit, l'eau.
Ce mode de cyclisation implique un traitement thermique du poly(acide amique) allant jusqu'à 200 °C. Un taux de cyclisation maximum est alors obtenu. Toutefois, la libération d’eau peut entraîner l’hydrolyse du poly(acide amique) et ainsi limiter les masses moléculaires. Néanmoins, cette méthode constitue l’approche la plus utilisée.
Le traitement du poly(acide amique), à température ambiante, par un mélange d’agents chimiques déshydratants (le plus souvent amine tertiaire/anhydride linéaire) conduit à la formation du polyimide. Un traitement thermique léger (inférieur à 100 °C) complète la réaction de déshydratation. Ce processus est moins intéressant commercialement du fait de sa complexité de mise en œuvre, mais les phénomènes d’hydrolyse du poly(acide amique) sont absents.
La réaction entre un diisocyanate et un dianhydride a lieu dans un solvant polaire ou à l’état fondu. Elle a lieu en une seule étape et donne un sous-produit, le dioxyde de carbone. La synthèse des polyimides en utilisant des diisocyanates à la place des diamines conventionnelles est moins utilisée bien qu’elle présente un certain nombre d’avantages :
Pour contourner la difficulté de leur mise en œuvre, de nouveaux polyimides ont été fabriqués dès le début des années 1980. Ces polyimides thermoplastiques portent des groupes qui permettent de les rendre fusibles et solubles et ceci sans altérer de manière significative leurs propriétés. Le tableau suivant donne deux exemples de ces polyimides thermoplastiques.
| Polyimides thermoplastiques | Exemple | Température maximale d'utilisation en continu |
|---|---|---|
| Polyétherimide (PEI) | Ultem (Sabic à la suite de son achat en 2007 de la division Plastiques de General Electric) | 170 °C |
| Polyamideimide (en) (PAI) | Torlon (Solvay Advanced Polymers) | 200 °C |
Les polyimides thermodurcissables sont commercialisés sous forme non réticulée en solution, sous forme de films et en pièces (rondins, tubes, plaques, bagues, disques, barres, etc.). La forme non réticulée contient un ou deux types de monomères (diamine, dianhydride, etc.) et un agent réticulant.
Leur densité est voisine de 1,4. Les polyimides sont des polymères dont les propriétés sont surtout liées directement à leur structure en semi-échelle. Ils présentent une bonne résistance :
Malgré les nombreuses propriétés déjà citées, les polyimides souffrent encore de certaines limitations voire inconvénients :
Étant donné leurs performances et leurs prix, les polyimides sont surtout utilisés dans les secteurs de pointe :
Les polyimides sont également utilisés comme matrice dans les matériaux composites. Il s'agit alors de polyimides thermodurcissables, ou de bismaléimides. Associés aux fibres de verre ou de carbone, ils présentent de très bonnes caractéristiques thermiques, mécaniques et électromagnétiques. Ils sont notamment utilisés pour la réalisation de radomes dans le domaine aéronautique, ainsi que dans l'avionique.
Les polyimides thermostables absorbent peu et diffusent peu les rayons X, c'est pourquoi ils sont utilisés comme fenêtre de tubes à rayons X et dans les montages expérimentaux sur les lignes synchrotrons[5].
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