7.5 PBI-polyeetterimidien (PEI) seokset

PEI:t (polyeetterimidit, kuva 7.11) ovat pohjimmiltaan yhdistelmäpolymeerejä, jotka koostuvat sekä polyimidistä että polyeetteriyksiköistä runkona. Ultem-PEI:itä, joiden Tg-arvot ovat 200-280 °C:n välillä, valmistetaan kaupallisessa mittakaavassa teknisinä kestomuoveina. Jäykempiin polyimideihin verrattuna PEI:t ovat tyypillisesti sulatettavissa ja muovattavissa, oletettavasti eetterisidosten ansiosta, mutta säilyttävät hyvän lämpöstabiilisuuden, suuren lujuuden ja korkean moduulin.

7.11. Polyeetterimidirakenne

PBI-PEI-sekoitukset voivat olla käyttökelpoisia ankarissa ympäristöolosuhteissa, ja niillä on hyvä iskunkestävyys, liuottimien kestävyys ja hinta/suorituskykyominaisuudet. PBI:t ovat yleensä kalliimpia, niillä on korkea kosteuspitoisuus, mutta korkeat Tg-arvot ja hyvä liuottimien kestävyys. PEI:llä on yleensä alhaisemmat Tg-arvot, se ei kestä tiettyjä liuottimia, mutta se on helposti käsiteltävissä ja suhteellisen edullisempi.

Musto ja muut25 raportoivat FTIR-tutkimuksen seosjärjestelmästä, joka koostuu PBI:stä ja poly(eetterimidistä) (PEI, Tg ~ 220 °C), polypropaani-m-bentseenidiamiinista] tai kaupallisesti saatavilla olevasta Ultem® 1000:sta, ja se osoittaa viitteitä vedynsidonnasta PBI:n N-H-rakenteisten ryhmien ja Ultem® 1000:sta peräisin olevan imidikarbonyylin välillä. Tällaisilla tavallisesta liuottimesta, kuten DMAc:sta, DMF:stä (N,N′-dimetyyliformamidi) ja NMP:stä, valetuilla seoksilla todettiin olevan yksi koostumuksesta riippuva Tg. Valetut seokset muodostivat yksifaasirakenteita koko koostumusalueella;26 optinen mikroskopia ja DSC (differentiaalinen pyyhkäisykalorimetria) kuitenkin osoittivat, että seokset erosivat toisistaan, kun niitä kuumennettiin niiden Tg:n yläpuolelle, eivätkä ne sekoittuneet uudelleen jäähdytettäessä. Huoneenlämpötilassa valettaessa muodostuneet seokset eivät olleet tasapainossa ja pysyivät yksifaasisina, koska ne olivat Tg:n alapuolella. Tällaisten 50/50-sekoitusten faasierottumista karakterisoitiin pienikulmaisella röntgensäteilyn sironnalla ja kiinteän tilan ydinmagneettisella resonanssilla27 , mikä osoitti faasierottumista hehkutettaessa 310 °C:n ja sitä korkeammissa lämpötiloissa, vaikka DSC:llä määritetty Tg-arvo ilmoitettiin 344 °C:ssa. Kuumennettaessa seosta yli seoksen Tg-arvon havaittiin, että kerran jäähdytetyllä seoksella oli kaksi Tg-arvoa, mikä osoittaa faasin erottumista korkeammissa lämpötiloissa. Faasien erottumisen seoksessa odotetaan johtuvan PBI-rikkaan faasin lasittumisesta, koska PBI:n Tg-arvo on paljon korkeampi (425-435 °C) kuin PEI:n (~ 220 °C). Näiden materiaalien sekoitukset ovat kiinnostavia, koska niistä voidaan saada materiaaleja, joilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, joita ei ole saatavissa kummallakaan materiaalilla yksinään. Tällaisilla seoksilla on hyvä kestävyys kloorattuja liuottimia vastaan,7 alhaisempi kosteudenottokyky kuin pelkällä PBI:llä ja keskimmäinen Tg. PBI:n, PEI:n ja kaikkien stökiometrioiden PBI-PEI-sekoitusten kalvot liukenevat DMAc:hen.

Aromaattisten PBI:iden ja aromaattisten PEI:iden sekoitusten erilaisten koostumusten voidaan odottaa saavan likimain lineaarisen Tg:n PBI:n paino-%:n mukaan (Kuva. 7.12) niiden faasidiagrammien mukaan, jotka perustuvat yksittäisistä DSC-skannauksista saatuihin yksittäisiin Tg-arvoihin PBI:n ja PEI:n sekoitekoostumuksille, joiden vaihteluväli on ~ 5 %:sta 95 %:iin Ultem® 1000:sta.28

7.12. PBI/PEI-sekoitukset, Tg vs. % PBI.

PBI:n määrän tällaisissa sekoituksissa tulisi olla tasolla, joka tekee koostumuksesta vähemmän herkän liuottimille ja nostaa PEI:n Tg:tä. Seoskoostumukset, joissa on 1 – 99 paino-osaa PEI:tä, ovat toteutettavissa, mutta 65 – 95 paino-osaa PBI:tä olevat seokset näyttävät olevan suositeltavimpia. PEI:t kestävät yleensä hyvin kemikaaleja, poikkeuksena mm. klooratut liuottimet, etyleeniglykolin pakkasneste, jarruneste ja DMF. Tällaiset seoskoostumukset voivat olla käyttökelpoisia muovailussa, kun taas PBI ei ole yhtä käyttökelpoinen.28 Vaihtelemalla synteesissä käytetyn diamiinin luonnetta ja substituution sijaintia bis-imideissä sekä käyttämällä erilaisia bis-fenoleja voidaan valmistaa suuri määrä aromaattisia PEI:itä, joilla on monenlaisia fysikaalisia ominaisuuksia,29 mutta PBI:n kanssa sekoittaminen tarjoaa muita kuin synteettisiä reittejä samankaltaisten tai parempien ominaisuuksien saamiseksi. Tällaisiin sekoituksiin voidaan myös sisällyttää ristisilloittamista sekä täyteaineiden ja lujitteiden lisäämistä tiettyjen ominaisuuksien parantamiseksi ja kohdentamiseksi.

PBI-komponentin käsittelyn imidatsolirenkaan happoprotonoinnilla pitäisi parantaa PBI:n ja sekoituksen termo-oksidatiivista stabiilisuutta. Tällaisten seosten odotetaan olevan käyttökelpoisia matriisikäytössä ~ 260 °C:seen asti ja niillä on hyvät veto- ja mekaaniset ominaisuudet. Tällaiset seokset voivat olla käyttökelpoisia kalvoina, pinnoitteina tai valussa. Jos seos on enimmäkseen PBI:tä, PEI tekee siitä helpommin käsiteltävän ja lämpökäsiteltävän sekä vähemmän alttiin kosteudelle. Jos seos on enimmäkseen PEI:tä, PBI nostaa Tg:tä ja tekee siitä kestävämmän liuottimia vastaan. Koostumus on iskunkestävä ja kestää vaativia ympäristöjä. Sama arvio pätee myös PBI-PI-sekoituksiin.