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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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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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2. Propriétés des polyimides
Pour une revue plus générale, consulter la référence [3].
2.1 Températures d’usage
De manière générale, les polyimides sont connus pour conserver leurs propriétés sur une large plage de température, aussi bien aux températures froides qu’aux températures élevées. Dans le domaine des basses températures, on notera que les films Kapton ou les mousses Solimide conservent leur flexibilité aux températures cryogéniques. Dans le domaine des températures élevées, la plage d’utilisation s’étend, si celle-ci est observable, jusqu’à la zone de transition vitreuse, toujours au moins supérieure à 200 oC. Les valeurs en sont données ci-dessous pour quelques grades.
Ainsi, tous les polyimides sont adaptés, pour des utilisations en continu, jusqu’à des températures de l’ordre de 200 oC (limite inférieure, pour l’Ultem ), voire 220 à 240 oC (Kapton, P84, Aurum sous forme amorphe). La résine Aurum, après recuit de cristallisation (T f = 388 oC), est même utilisable à 290 oC. Pour les températures supérieures, des réactions de dégradation peuvent limiter l’usage des polyimides. On notera que les films Kapton sont annoncés comme résistant parfaitement à de brèves expositions à 400 oC.
L’addition de charges peut permettre une amélioration de la conservation des propriétés mécaniques lors d’une exposition aux fortes températures.
si un Vespel non chargé conserve 50 % de sa résistance à la rupture en traction après 100 heures d’exposition à 370 oC, cette durée passe à 200 ou 350 heures pour des grades chargés respectivement à 15 % ou 40 % de graphite (figure 3).
2.2 Propriétés mécaniques
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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.
HAUT DE PAGE
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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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