聚酰亚胺：一类高性能的非晶态特种聚合物
聚酰亚胺，简称PI，是一类在主链上含有酰亚胺基团的高分子化合物，其主链以芳环和杂环为主要结构单元。这类化合物由二胺和二酐经过聚合反应精心制备而成，而不同的二胺和二酐单体组合将赋予PI独特的分子结构和性能。正因如此，聚酰亚胺被业界公认为21世纪最具潜力的工程塑料，长期稳坐高分子材料领域的巅峰位置。
PI的典型结构如下：
聚酰亚胺的分子结构中，芳环和杂环是其主链的核心，通过二胺和二酐的精心聚合，形成了这种独特的非晶态特种聚合物。其分子结构的多样性，正是聚酰亚胺在性能和应用上的广泛性的基础。
图：PI基本合成路线及分子结构
聚酰亚胺（PI）展现出极佳的温度稳定性，在-269℃的液态氦环境下依然保持完整，其热分解温度通常超过500℃，某些体系甚至能达到600℃以上，成为目前已知热稳定性最高的特种工程塑料之一。此外，PI还具备出色的力学性能，耐有机溶剂、耐辐射、耐老化，以及阻燃自熄等卓越特性。根据不同产品形态，PI材料可被制成薄膜、纤维、热固性树脂、光敏胶、浆料、分离膜或隔膜、气凝胶、泡沫等多种形态，广泛应用于电子、航空航天、机械电工、核工业等多个领域。
聚酰亚胺的生产工艺与产品形态紧密相关
PI的生产技术颇具挑战性，特别是对于那些在成型过程中伴随化学反应的PI产品。这意味着PI的合成制备方法、生产工艺技术与其最终的产品形态紧密相连。
每一种PI产品都需要从单体聚合开始，深入理解其聚合机理，并精心控制反应过程。同时，还需要了解成型过程中化学结构和凝聚态结构的变化规律。通过调整生产装备和工艺参数，最终才能得到满足需求的目标产品。
因此，PI产品的生产涉及化学、材料科学、机械工程、控制技术等多个学科领域，是一个复杂的系统工程。任何一个环节的疏忽都可能影响到PI产品的性能和质量。
以PI薄膜为例，其制备技术路线可分为化学法和热法。这两种方法的主要区别在于亚胺化成环的反应机理。化学法依靠化学亚胺化试剂的催化作用来完成闭环反应，其反应温度相对较低，且易于控制溶剂含量和牵伸比。
摄于阿科玛展台
亚胺化过程是PI薄膜制备中的关键步骤。化学法通过化学亚胺化试剂催化闭环反应，而热法则依靠高温提供能量来克服反应能垒。热法通常需要在300~400℃以上的高温下进行，且牵伸难度较大。在这一过程中，高性能PI薄膜会经历定向拉伸，使分子链沿拉伸方向获得部分取向排列，从而提升产品性能。
定向拉伸工艺包括单向拉伸和双向拉伸。双向拉伸技术要求更高，因为它能使PI薄膜在横向和纵向都获得更有序的结晶取向，进一步优化薄膜特性。然而，这种工艺也面临着更高的技术挑战，需要更精湛的配方技术和装备技术。
在PI纤维的制备方面，主要采用一步法和两步法。一步法直接将二酐与二胺单体在酚类等溶剂中反应，制备出纤维。这种方法虽然PI强度高，但溶剂难脱除，且受到结构限制。相比之下，两步法通过缩合聚合得到聚酰胺酸（PAA），再纺成PAA初生纤维，最后进行热/化学亚胺化处理。这种方法的工艺控制相对复杂，但可以得到性能更为稳定的PI纤维。
此外，我们还将参加由上海市新材料协会主办的2024先进光学材料与器件产业发展论坛。该论坛以“材料驱动发展：光学链接未来”为主题，汇聚光电光学显示产业链的各方精英，共同探讨行业未来应用发展、技术创新方向以及供应链材料及装备配套的挑战与机遇。我们有幸邀请到浙江中科玖源新材料公司的CTO曹河文先生分享关于CPI的最新研究成果。
PI产品生产技术特点主要企业
PI薄膜化学法
利用化学亚胺化试剂催化闭环反应，此法可在较低反应温度下进行，便于控制溶剂含量和牵伸比。美国杜邦、日本钟渊化学工业株式会社等
热法
通过高温提供能量以克服反应能垒，实现闭环反应。此法需在300~400℃以上高温下进行，牵伸难度相对较大。时代新材、中天科技等
PI纤维一步法
将二酐与二胺单体在酚类等溶剂中反应，直接制备纤维。此法PI强度高，但溶剂难以去除，且受结构限制。兰精公司等
两步法
在DMAc等非质子溶剂中，二酐与二胺单体进行缩合聚合，得到聚酰胺酸（PAA），再纺成PAA初生纤维，经热/化学亚胺化处理得到PI纤维。此法工艺控制较难，但可获得性能更稳定的PI纤维。江苏先诺新材料股份有限公司、长春高琦聚酰亚胺材料有限公司等
此外，聚酰亚胺在全球范围内拥有广阔的应用市场。当前，全球PI总产能约为10~15万吨/年，产量约为8-10万吨，产能利用率达80%。据MarketsandMarkets等机构测算，2021年全球PI市场总额为3亿美元，预计2022年将增至5亿美元。展望未来，到2028年，全球PI总产能预计将达到16-20万吨/年，市场总额有望达到124亿美元，年复合增长率约为2%。在各产品形式中，PI薄膜的市场表现尤为抢眼。2021年，其全球市场总额约为45亿美元，预计到2028年将增至6亿美元，年复合增长率为2%。总的来说，聚酰亚胺在电子微电子、航空航天、汽车、高铁、医疗等多个领域均实现了广泛应用。
其中，电子、微电子领域是PI材料的主要应用领域，其次是航空航天、汽车和高铁。在PI的下游应用中，电子微电子领域占据了60%的市场份额，主要使用PI薄膜、浆料、光刻胶等产品形式。而航空航天、汽车、高铁领域则占据了25%的市场份额，需求高导热膜、高尺寸稳定性薄膜、耐电晕薄膜、耐高温树脂等特殊产品。此外，聚酰亚胺还在其他领域占有一定的市场份额，共计15%。
目前，全球PI市场以美国和日本为主导，两者合计占据全球市场份额的60%左右。美国杜邦公司、日本宇部兴产、钟渊化学、东丽集团、三井化学、三菱瓦斯化学等企业，在PI薄膜、树脂、浆料等领域拥有核心技术。欧洲和韩国在PI市场中位于第二梯队，占据20%的份额，主要企业包括德国赢创、比利时苏威、韩国SKC等。
虽然国内PI企业数量不少，但产能和市场份额仍相对较小。目前，国内PI市场仍然受到国外企业的较大影响，部分高端产品仍然依赖进口。因此，聚酰亚胺在国内仍属于“卡脖子”产品，需要进一步加强研发和生产能力。
我国是世界范围内最早开展PI材料研究的国家之一。自二十世纪六十至七十年代起，上海合成树脂研究所、中科院长春应化所及第一机械工业部电器科学研究院（现为桂林电器科学研究院）等科研机构便已着手PI薄膜的研究工作，并探索出浸渍法、流延法等制备均苯型PI薄膜的工艺路线，同时建立了双轴定向PI薄膜的专用生产设备。近年来，我国PI薄膜市场呈现出迅猛增长的趋势，年均增长率高达10-15%，这一增速甚至超越了全球水平。2017年，我国PI材料的需求量约为1万吨，同时进口量约为6000吨；而到了2021年，需求量已增长至约4万吨，进口量也相应增加至9000吨。电子设备、高铁、风电以及新能源汽车等领域的快速发展，成为了推动PI需求增长的主要驱动力。展望未来，预计到2025年，国内PI的需求总量将接近2万吨。
然而，从整体来看，中国市场在PI材料方面仍高度依赖进口。因此，打破国外对我国核心基础材料的垄断和封锁，成为了亟待解决的问题。在此背景下，浙江中科玖源新材料有限公司应运而生。该公司专注于聚酰亚胺材料的产业化，致力于掌握核心技术并实现生产国产化。目前，公司已在光膜小镇启动了2500吨聚酰亚胺浆料和共计2000吨聚酰亚胺薄膜的生产项目，旨在解决高性能聚酰亚胺薄膜（PI薄膜）的生产工艺及关键技术被国外企业长期垄断的问题。
PI薄膜产业属于典型的高技术、高投资领域。浙江中科玖源新材料有限公司的迅速崛起与兰溪市优越的营商环境密不可分。”公司副总经理龚建贺指出，经过数年的发展与积累，中科玖源已成功掌握核心配方技术、合成与制膜工艺、装备制造及工程核心技术，稳坐国内柔性显示与柔性电子用高性能PI材料的领军地位。截至目前，公司已累计申请发明专利168件，其中74件已获授权。
中科玖源的核心产品包括黄色双向拉伸PI薄膜和无色透明PI薄膜，凭借其出色的耐高温性、优越的涂布性以及良好的绝缘性，广泛应用于柔性AMOLED基板、柔性AMOLED屏下摄像头基板、可折叠触摸屏基膜、可折叠手机CPI盖板等多个领域。
“我们生产的薄膜厚度多样，既有薄至25微米以下的款式，如5微米、5微米、5微米及3微米，也有厚度在50至100微米之间的产品。尽管制造如此薄且性能全面的薄膜极具挑战性，但正是这种探索未知、攻克难题的精神，驱使着我们的研发团队不断前行。”龚建贺表示。
中科玖源的创新之路硕果累累。通过持续的研发投入与市场跟踪反馈，公司始终保持量产一代、研发一代、储备一代的节奏，不断在柔性显示、新能源等新兴领域推出新产品。特别是在新能源汽车领域，中科玖源紧跟市场需求，成功研发出适用于电机和电池的聚酰亚胺浆料系列。
过去，高端聚酰亚胺浆料市场几乎被国外企业垄断。”浙江中科玖源新材料有限公司总经理许辉指出。新能源汽车电机和电池在高温高压环境下运行，对材料提出了严苛要求。然而，中科玖源推出的聚酰亚胺浆料凭借其耐高温、高绝缘的特性，迅速在市场上占据一席之地。其扁线电机绝缘清漆已通过新能源行业领军企业的供应链验证，成功实现进口替代。
许辉进一步解释道，使用中科玖源的聚酰亚胺浆料，能在锂电池电芯热失控时为车内人员争取更多逃生时间。尽管电芯热失控过程不可逆，但中科玖亚胺浆料的优异性能可以延缓其从失控到起火的时间。例如，普通新能源汽车电芯可能在几分钟内迅速起火，而使用聚酰亚胺浆料后，起火时间可能延长至半小时甚至更长。
目前，中科玖源正与国内新能源汽车行业领军企业合作，共同研发电池系统连接剂、隔膜涂料、粘结剂等产品，并提供电机系统耐高温绝缘解决方案。展望未来，公司产能预计将大幅增长。许辉表示，今年销售额预计将达到8000万至1亿元，明年则可能攀升至5至2亿元。他强调，技术是规模化发展的基石，中科玖源将继续以技术为驱动，扩大浆料生产线产能，力争在2025年实现爆发式增长。
END
来源：创意无限，迈爱德编辑整理
文章来源：新材料产业圈
注：本站转载的文章大部分收集于互联网，文章版权归原作者及原出处所有。文中观点仅供分享交流，如涉及版权等问题，请您告知，我将及时处理！
