7.5 Mélanges PBI-polyétherimide (PEI)

Les PEI (polyétherimides, Fig. 7.11) sont essentiellement des polymères combinés, constitués à la fois d’unités polyimide et polyéther dans le squelette. Les PEI Ultem, dont la Tg se situe entre 200 et 280°C, sont fabriqués à l’échelle commerciale en tant que thermoplastiques techniques. Par rapport aux polyimides plus rigides, les PEI peuvent généralement être fondus et moulés, vraisemblablement en raison des liaisons éther, mais conservent une bonne stabilité thermique, une résistance élevée et un module élevé.

7.11. Structure polyétherimide

Les mélanges PBI-PEI peuvent être utiles dans des conditions environnementales sévères et présentent une bonne résistance aux chocs, une bonne résistance aux solvants et des caractéristiques prix/performance. Les PBI sont généralement plus chers, ont une reprise d’humidité élevée, mais des valeurs de Tg élevées et une bonne résistance aux solvants. Les PEI ont généralement des valeurs de Tg plus basses, manquent de résistance à certains solvants, mais sont maniables et relativement moins chers.

Musto et d’autres25 ont rapporté une étude FTIR du système de mélange constitué de PBI et de poly (étherimide) (PEI, Tg ~ 220°C), de poly propane-m-benzenediamine], ou d’Ultem® 1000 disponible dans le commerce, montrant des preuves de liaison hydrogène entre les groupes N-H de PBI et l’imide carbonyle d’Ultem® 1000. De tels mélanges, coulés en solution à partir d’un solvant commun, tel que le DMAc, le DMF (N,N′-diméthylformamide), et le NMP, se sont avérés avoir une Tg dépendant de la composition. Les mélanges coulés ont formé des structures monophasées sur toute la gamme de composition26 ; cependant, la microscopie optique et la DSC (calorimétrie à balayage différentiel) ont révélé que les mélanges se séparaient en phase lors du chauffage au-dessus de leur Tg et ne se remélangeaient pas lors du refroidissement. Les mélanges formés lors de la coulée à température ambiante n’étaient pas en équilibre et sont restés monophasés car ils étaient inférieurs à la Tg. La séparation de phase de ces mélanges 50/50 a été caractérisée par la diffusion des rayons X aux petits angles et la résonance magnétique nucléaire à l’état solide27, montrant une séparation lors du recuit à des températures de 310°C et plus, bien que la Tg déterminée par DSC ait été rapportée à 344°C. Lors du chauffage du mélange au-dessus de la Tg du mélange, le mélange une fois refroidi a présenté deux valeurs de Tg, indiquant une séparation de phase à des températures élevées. La séparation de phases dans le mélange devrait être influencée par la vitrification de la phase riche en PBI en raison de la Tg beaucoup plus élevée du PBI (425-435°C) par rapport à celle du PEI (~ 220°C). Les mélanges de ces matériaux sont intéressants en raison de la possibilité d’obtenir des matériaux aux propriétés uniques qui ne sont pas disponibles avec l’un ou l’autre des matériaux seuls. Ces mélanges présentent une bonne résistance aux solvants chlorés7, une absorption d’humidité réduite par rapport au PBI seul, et une Tg intermédiaire. Les films de PBI, PEI et de mélanges PBI-PEI de toutes les stœchiométries sont solubles dans le DMAc.

On peut s’attendre à ce que diverses compositions de mélanges de PBI aromatiques et de PEI aromatiques aient une Tg linéaire approximative par % en poids de PBI (Fig. 7.12) selon leurs diagrammes de phase basés sur des valeurs de Tg uniques provenant de balayages DSC uniques sur des compositions de mélange PBI-PEI allant de ~ 5% à 95% d’Ultem® 1000.28

7.12. Mélanges PBI/PEI, Tg en fonction du % PBI.

La quantité de PBI dans ces mélanges doit être à un niveau permettant de rendre la composition moins sensible aux solvants et d’augmenter la Tg du PEI. Des compositions de mélanges de 1 à 99 parties en poids de PEI sont réalisables, mais les mélanges de 65 à 95 % en poids de PBI semblent être les préférés. Les PEI présentent généralement une bonne résistance aux produits chimiques, à l’exception des solvants chlorés, de l’antigel à l’éthylène glycol, du liquide de frein et du DMF, entre autres. De telles compositions de mélange peuvent être utiles pour le moulage, alors que le PBI n’est pas aussi utile.28 En variant la nature de la diamine utilisée pour la synthèse et la position de substitution dans les bis-imides, et en utilisant différents bis-phénols, un grand nombre de PEI aromatiques avec une large gamme de propriétés physiques peuvent être préparés,29 mais le mélange avec le PBI offre des voies non synthétiques pour obtenir des propriétés similaires ou améliorées. La réticulation et l’ajout de charges et de renforts peuvent également être incorporés dans ces mélanges pour améliorer et cibler des attributs de propriétés spécifiques.

Le traitement du composant PBI, par protonation acide du cycle imidazole, devrait améliorer la stabilité thermo-oxydante du PBI, ainsi que du mélange. Ces mélanges devraient être utiles pour une utilisation en tant que matrice jusqu’à ~ 260°C, et présenter de bonnes propriétés mécaniques et de traction. Ces mélanges peuvent être utilisés comme films, revêtements ou pour le moulage. Si le mélange est principalement composé de PBI, le PEI le rend plus traitable et thermo transformable, et moins sensible à l’humidité. Si le mélange est principalement composé de PEI, le PBI augmente la Tg et le rend plus résistant aux solvants. La composition est résistante aux chocs et supporte les environnements sévères. Cette même évaluation s’appliquerait aux mélanges PBI-PI.