Les polyimides (en abrégé PI) sont des polymères colorés (fréquemment ambrés) qui comportent des groupes imides dans leur chaîne principale. Les polyimides sont en particulier connus pour leur thermostabilité.

Classification

Selon la composition de leur chaine squelettique, les polyimides peuvent être :

• aliphatiques ;
• semi-aromatiques ;
• aromatiques : c'est le cas des polyimides les plus largementutilisés à cause de leur caractère thermostable.

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 prépolymère
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.

Polyimides linéaires

Plusieurs voies de synthèse sont envisageables pour préparer les polyimides linéaires. Parmi ces méthodes :

• la réaction entre un dianhydride et une diamine^{[1] [2]} (la plus courante)  ;
• la réaction entre un dianhydride et un diisocyanate. ^[3]

Synthèse par réaction entre un dianhydride et une diamine

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.

• Traitement thermique

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. Cependant, la libération d'eau peut entraîner l'hydrolyse du poly (acide amique) et ainsi limiter les masses moléculaires. Néanmoins, cette méthode forme l'approche la plus utilisée.

• Traitement chimique

Le traitement du poly (acide amique), à température ambiante, par un mélange d'agents chimiques déshydratants (le plus fréquemment 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.

Synthèse par réaction entre un dianhydride et un diisocyanate

La réaction entre un diisocyanate et un dianhydride a lieu dans un solvant polaire ou à l'état fondu. Ellese déroule 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 quoiqu'elle présente un certain nombre d'avantages :

• la formation facilitée des cycles imide en une seule étape au lieu de deux ;
• la synthèse à une température moins élevée (inférieure à 100 °C au lieu de 200 °C)  ;
• l'élimination facile du dioxyde de carbone au lieu de l'eau, sous-produits des réactions.

Polyimides thermoplastiques

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 groupements chimiques 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
Polyetherimide (PEI)	Ultem (Sabic suite à son achat en 2007 de la division Plastiques de General Electric)	170°C
Polyamideimide (PAI)	Torlon (Solvay Advanced Polymers)	200°C

Polyimides thermodurcissables

Les polyimides thermodurcissables sont commercialisés sous forme non réticulée en solution, sous forme de films et en pièces (rondins, tubes, plaques, bagues, disques, barres…). La forme non réticulée contient un ou deux types de monomères (diamine, dianhydride... ) et un agent réticulant.

Polyimides thermostables

Propriétés

Leur densité est voisine de 1, 4. Les polyimides sont des polymères dont les propriétés sont en particulier liées directement à leur structure en semi-échelle. Ils présentent une bonne résistance :

• mécanique : chocs, usure, fluage, frottements, etc.  ;
• thermique :
  • température de transition vitreuse supérieure à 200 °C,
  • température de fusion : aucune,
  • température de dégradation pouvant atteindre 400 °C,
  • faible cœfficient de dilatation, d'où un faible retrait au moulage,
  • bonne résistance au feu ;
• chimique : huiles, graisses, liquides frigorigènes, kérosène, solvants chlorés ;
• électrique : isolants (faible cœfficient diélectrique)  ;
• aux radiations : utilisation dans le domaine du nucléaire.

Malgré les nombreuses propriétés déjà citées, les polyimides souffrent toujours de certaines limitations ou alors inconvénients :

• mise en œuvre complexe car ils sont infusibles et insolubles (excepté dans l'acide sulfurique concentré)  ;
• mauvaise résistance chimique aux acides minéraux concentrés, aux bases, aux agents oxydants et en présence d'eau bouillante.

Utilisation

Compte tenu de leurs performances et leur prix, les polyimides sont en particulier utilisés dans les secteurs de pointe :

• aérospatiale : pièces de réacteurs ;
• électronique : circuits imprimés, câbles flexibles, isolation, etc. A titre d'exemple, sur un ordinateur portable, le câble qui relie l'écran au corps et qui est sollicité à chaque ouverture et fermeture de l'ordinateur, est fréquemment composé de polyimide ;
• mécanique : supports et engrenages.

Les polyimides sont aussi 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 surtout utilisés pour la réalisation de radomes dans le domaine aéronautique, mais aussi dans l'avionique.

Voir aussi

Notes et références

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