Was macht dieses Material mit einer um 100 °C höheren Temperaturbeständigkeit als PEEK und der Fähigkeit, wiederholter Verarbeitung standzuhalten, zum neuen Liebling der High-End-Fertigung?
Innerhalb der Familie der Polyimide (PI) ist das thermoplastische Polyimid (TPI) ein einzigartiges Mitglied, das sowohl „hohe Leistung“ als auch „einfache Verarbeitung“ vereint. Durch die synergistische Wechselwirkung zwischen starren Imidringen und flexiblen Etherbindungen innerhalb seiner Molekülstruktur überwindet es das traditionelle Materialdilemma, bei dem „hohe Temperaturbeständigkeit die Verarbeitbarkeit beeinträchtigt, während die einfache Verarbeitung die Temperaturbeständigkeit beeinträchtigt“.
Diese Eigenschaft führte zu seiner langjährigen Monopolstellung durch ausländische Unternehmen. Mit den technologischen Durchbrüchen in China hat TPI nun eine groß angelegte Anwendung in kritischen Sektoren wie Großflugzeugen, Fahrzeugen mit neuer Energie und Biomedizin erreicht und ist zu einem der Kernmaterialien geworden, die die Weiterentwicklung von „Made in China“ zu „Intelligent Manufacturing in China“ unterstützen.
Kernmerkmale und Vorbereitungsprozess
Die Leistungsvorteile von TPI manifestieren sich in vier Schlüsseldimensionen: Hochtemperaturbeständigkeit, mechanische Festigkeit, funktionelle Eigenschaften und Nachhaltigkeit, wobei mehrere Metriken branchenführende Standards erreichen.
Was die Hochtemperaturbeständigkeit betrifft, so erreicht die Glasübergangstemperatur (Tg) 254 °C – über 100 °C höher als bei PEEK – und ermöglicht so einen langzeitstabilen Betrieb bei 240 °C bei gleichzeitiger Beibehaltung der Dimensionsstabilität bei 260 °C. Von der NASA entwickelte Verbundkabelbäume für Luft- und Raumfahrttriebwerke aus TPI können 50.000 Stunden lang ununterbrochen bei 200 °C betrieben werden.
In Bezug auf die mechanische Festigkeit liegen seine mechanischen Eigenschaften mit einer Zugfestigkeit von 85 MPa und einem Modul von 2,4 GPa auf dem Niveau von Titanlegierungen. Die Anti-Torque-Box des C919 verwendet Kohlefaser/TPI-Prepreg-Band, wodurch eine Gewichtsreduzierung von 40 % im Vergleich zu einer Aluminiumlegierung erreicht wird und gleichzeitig die Ermüdungslebensdauer um das Achtfache erhöht wird.
Hinsichtlich der funktionellen Eigenschaften weist es den höchsten kritischen PV-Wert unter den Thermoplasten in ölfreien Umgebungen auf, mit einem Reibungskoeffizienten, der mit ölimprägnierten Lagern vergleichbar ist. Gleichzeitig weist es unter Bedingungen hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit stabile Dielektrizitätskonstanten mit einer Durchbruchspannung von über 30 kV/mm auf. Bei der Isolierung elektromagnetischer Leitungen in 800-V-Hochspannungsmotoren reduziert es das Ausfallrisiko um 90 %.
Im Hinblick auf die Nachhaltigkeit kann das Material erneut erhitzt und wiederverarbeitet werden, wobei über 90 % des Abfalls recycelt werden. Es weist nach 2.000 Stunden Eintauchen in starke Säuren keine Korrosion auf. Siemens Gamesa nutzt es zur Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen und erreicht dabei ein 100-prozentiges chemisches Recycling.
Die TPI-Synthese verwendet hauptsächlich einstufige und zweistufige Methoden.
Beim einstufigen Ansatz werden das Dianhydrid und das Diamin in einem polaren, nicht protonischen Lösungsmittel gelöst, wobei das Erhitzen eine gleichzeitige Polymerisation und Imidisierung ermöglicht. Durch die azeotrope Destillation wird Wasser entfernt, wodurch ein Produkt mit hoher Kristallinität entsteht. Allerdings ist diese Methode nur für flexible Monomere geeignet, was ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränkt.
Der zweistufige Prozess ist der industrielle Mainstream-Prozess, bei dem zunächst Polyamidsäure (PAA) durch Polykondensation von Diaminen mit Dianhydriden gebildet wird. Nach dem Spinnen wird durch thermische oder chemische Imidisierung und Dehydratisierung TPI erzeugt. Dieser Ansatz bietet eine starke Anpassungsfähigkeit an Monomere und ermöglicht die maßgeschneiderte Anpassung der Produkteigenschaften nach Bedarf.
Dank seiner herausragenden umfassenden Leistung wurde TPI in mehreren Sektoren in großem Umfang eingesetzt.
Im Luft- und Raumfahrtbereich wird es neben Motorkabelbäumen und Anti-Torque-Boxen auch in Innenraumkomponenten und hochtemperaturbeständigen Kabeln eingesetzt. Durch den Einsatz seiner Isolierschicht in Flugzeugkabelbäumen wird eine Gewichtsreduzierung von 40 % erreicht, was einer Gewichtseinsparung von 1,2 Tonnen pro Großraumflugzeug und einer jährlichen Treibstoffeinsparung von über einer Million US-Dollar entspricht.
Um im Bereich der neuen Energiefahrzeuge die Anforderungen an 800-V-Hochspannungsmotor- und Batteriedichtungen zu erfüllen, hat der Austausch von Getriebeanlaufscheiben die Lebensdauer um das Dreifache verlängert und die Wartungskosten um 60 % gesenkt.
Im biomedizinischen Bereich ist der Verschleißkoeffizient künstlicher Gelenke mit TPI drei Größenordnungen niedriger als der von Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht und einer Lebensdauer von 25 Jahren. Die 3D-gedruckte biomimetische trabekuläre Knochenstruktur kann die Knochenzellproliferationsrate um 50 % steigern.
Im Bereich der industriellen Fertigung hat die Zhejiang Sci-Tech University Formgedächtnislegierungen (SMA) in TPI-basierte Verbundblattfedern integriert. Beim Einschalten weisen diese Federn eine Festigkeitsabfallrate von lediglich 7,38 % auf und verfügen über Selbstheilungskräfte, wodurch sie für schwere Lkw-Aufhängungssysteme geeignet sind. Darüber hinaus bieten die von der Universität entwickelten Feinpulverbeschichtungen eine hervorragende Isolations- und Korrosionsbeständigkeit und finden umfangreiche Anwendung in chemischen Korrosionsschutzmaßnahmen und in der mechanischen Fertigung.
Marktfortschritt und zukünftige Richtung
Der globale Markt für thermoplastische Verbundwerkstoffe erreichte im Jahr 2020 ein Volumen von 9,9 Milliarden US-Dollar, wobei der Transportsektor über 40 % ausmachte. Technologisch hat die Chinesische Akademie der Wissenschaften die Wärmeleitfähigkeit durch Graphenmodifikation auf 6,8 W/(m·K) erhöht. Inländische Unternehmen forcieren die Forschung zu Carbonfaser-/TPI-Prepreg-Bändern, obwohl das japanische Unternehmen Toray Industries ein Embargo verhängt hat.
Im Hinblick auf die Industrialisierung hat Shengnuo Technology eine Massenproduktion im Tonnagenmaßstab erreicht, wobei seine Produkte den Temperaturbeständigkeitsindex von AURUM™ von Mitsui Chemicals erreichen. Das Unternehmen hat Extrusionstechnologieversuche im Orbit an Bord der Internationalen Raumstation durchgeführt und damit den Weg für die zukünftige Herstellung von Ersatzkomponenten im Weltraum geebnet.
Zukünftige TPI-Forschung wird sich auf vier Schlüsselbereiche konzentrieren:
Entwicklung von Produkten mit höheren Glasübergangstemperaturen und thermischer Stabilität, Verbesserung der Schmelzkristallisationsraten, Lösung von Herausforderungen bei der 3D-Druckverarbeitung und Reduzierung der Produktionskosten. Mit steigender industrieller Nachfrage werden weitere Entwicklungspotenziale in Bereichen wie Reibungsbeständigkeit und Strahlungsbeständigkeit erschlossen. Die Durchbrüche Chinas auf diesem Gebiet erhöhen kontinuierlich die weltweiten Leistungsstandards für Fertigungsmaterialien und treiben die Weiterentwicklung der High-End-Fertigung voran.
Da die Industrialisierungsanforderungen in verschiedenen Sektoren zunehmen, wird die Entwicklung von TPI weiter voranschreiten. Derzeit gibt es noch Verbesserungspotenzial bei der Anwendung und Nutzung hinsichtlich Eigenschaften wie Gleitfähigkeit, Strahlungsbeständigkeit und Flammschutz. Die Nutzung der Industrialisierungserfahrung anderer thermoplastischer Materialien und die weitere Weiterentwicklung der industriellen Forschung zu TPI werden eine wichtige Richtung für seine Entwicklung darstellen.
