Polyetherimid (PEI): Ein umfassender Leitfaden

Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht

Thermische und oxidative Stabilität

Hervorragende mechanische Eigenschaften

Hochtemperaturbeständigkeit usw.

Die charakteristische funktionelle Gruppe von Polyimid ist die Imidgruppe oder -C=ONC=O-.

Polyetherimid wurde entwickelt, um die mit Polyimid verbundenen Herausforderungen zu überwinden, nämlich dass diese Polymerreihe schwierig durch Schmelzen zu verarbeiten ist und fertige Teile oft recht teuer sind.

Die Einführung geeigneter Etherbindungen in die Molekülkette des Polyimids sorgt für ausreichende Flexibilität, um eine gute Schmelzverarbeitbarkeit zu ermöglichen und gleichzeitig die hervorragenden mechanischen und thermischen Eigenschaften aromatischer Imide beizubehalten.

Imide bieten Hochtemperaturleistung

Ethergruppen ermöglichen die Schmelzverarbeitung

Polyetherimide wurden erstmals 1982 von General Electric (heute bekannt als SABIC) unter dem Handelsnamen ULTEM™ Resin entwickelt.

Polyetherimid (PEI) ist ein amorpher technischer Thermoplast, der für seine hohe Temperaturbeständigkeit und hervorragende mechanische und elektrische Eigenschaften bekannt ist.

Summenformel: [C₃₇H₂₄O₆N₂]

Molekulargewicht: 592,61 g/mol

Dieses Hochleistungspolymer zeichnet sich außerdem durch eine hohe Zugfestigkeit, gute Flammhemmung und geringe Rauchentwicklung aus, was es zu einem idealen Material für Automobil-, Elektro-, Medizin- und andere Industrieanwendungen macht.

Die Hochtemperaturbeständigkeit von Polyetherimid kann mit der von Polyketonen, Polysulfonen und Polyphenylensulfiden mithalten.

Haupteigenschaften von PEI Die grundlegenden und Haupteigenschaften von Polyetherimid wurden bereits besprochen. Darüber hinaus müssen verschiedene andere Eigenschaften berücksichtigt werden, bevor ein spezifischer Thermoplast für eine gewünschte Endanwendung ausgewählt wird.

1. PEI ist ein amorphes thermoplastisches Harz mit bernsteinfarbener Transparenz

2. Dieses Harz zeichnet sich durch eine hohe Wärmeformbeständigkeit (200 °C bei 264 psi), eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Biegemodul (480.000 psi) sowie eine hervorragende Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen aus

3. Es bietet eine einzigartige Kombination aus hoher spezifischer Festigkeit, Steifigkeit, Flexibilität und außergewöhnlicher Dimensionsstabilität.

4. Darüber hinaus weist das Harz gute elektrische Eigenschaften auf und bleibt über einen weiten Temperatur- und Frequenzbereich, einschließlich Mikrowellen, stabil

5. Es bietet eine gute UV-Beständigkeit und Witterungsbeständigkeit

6. PEI ist von Natur aus flammhemmend und erfordert keine Zusatzstoffe

7. Es hat einen hohen Sauerstoffgrenzindex von 47; In Kombination mit den NBS-Rauchkammerergebnissen weist dies auf die niedrigste Rauchdichte aller ungefüllten Thermoplaste hin

8. Polyetherimid ist beständig gegen Alkohole, Säuren und Kohlenwasserstofflösungsmittel, ist jedoch in einigen halogenierten Lösungsmitteln löslich.

9. PEI weist außerdem eine gute hydrolytische Stabilität auf.

10. Die meisten PEI-Typen haben eine UL94-Flammschutzklasse von VTM-0 und entsprechen den FDA-Standards, EU-Lebensmittelkontaktstandards und ISO 10993 (natürliche Farbe).

Polyetherimidharze sind in unverstärkten Qualitäten erhältlich, die als transparente Harze in allgemeinen Verarbeitungsverfahren verwendet werden können und in Standard- und Sonderfarben erhältlich sind.

Sie sind auch erhältlich in:

Vier glasfaserverstärkte Typen (10 %, 20 %, 30 % und 40 % Glas),

Lagerklassen und

Mehrere Hochtemperaturqualitäten

Glasverstärkte Materialien bieten eine höhere Steifigkeit und Dimensionsstabilität und behalten gleichzeitig viele der nützlichen Eigenschaften von Basis-PEI bei. Glasverstärkte Materialien verleihen Produkten ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine höhere Zugfestigkeit.

Einschränkungen von PEI

1. Sehr hohe Kosten – geeignet für anspruchsvolle Anwendungen

2. Geringe Färbbarkeit

3. Anfällig für Angriffe durch polare chlorierte Lösungsmittel, aromatische Kohlenwasserstoffe, Acetatester usw., die zu Spannungsrissen führen können (siehe Tabelle unten zur chemischen Beständigkeit von PEI und Sulfonpolymeren)

4. Erfordert eine längere Trocknung vor der Verarbeitung

5. Heiße Formen beim Spritzgießen

Wie wird PEI verarbeitet? Im Gegensatz zu den meisten anderen Polyimiden eignet sich PEI für die Verarbeitung mit Standardmethoden wie:

Spritzguss

Extrusion

Thermoformen

Formpressen

Aufgrund der Anwesenheit von Etherbindungen im Polymerrückgrat kann Polyetherimid durch Schmelzen verarbeitet werden. Es behält jedoch ähnliche Hochtemperatureigenschaften wie Polyimid. Vor der Verarbeitung sollte das Polymer 4 bis 6 Stunden lang bei 140–150 °C getrocknet werden, mit einem maximalen Feuchtigkeitsgehalt von 0,01 % bis 0,02 %.

1. Verarbeitungstemperatur: 370–400 °C

2. Beim Materialwechsel muss der Lauf gereinigt werden (PC oder HDPE, 370–400°C)

3. Formtemperatur: 65–180 °C

4. Geeignet für das Spritzgießen sehr kleiner Teile mit engen Maßtoleranzen

Dieses Polymer kann mit herkömmlichen Metallbearbeitungswerkzeugen leicht bearbeitet, lackiert, heißgeprägt, bedruckt oder metallisiert werden.

PEI-Folien werden durch Schmelzextrusion und Lösungsmittelgussverfahren hergestellt, während PEI-Fasern durch Schmelzextrusion und Spinnen hergestellt werden.

PEI wird typischerweise mit den folgenden Methoden gebunden:

1. Fusionsbindung

2. Ultraschallschweißen

3. Lösungsmittelverklebung

4. Klebeverbindung

Darüber hinaus ist PEI heute ein weit verbreitetes Harzmaterial für die Herstellung funktionaler Prototypen und Produktionsteile per 3D-Druck für hochfeste, FST-zertifizierte und zertifizierte Anwendungen.

Anwendungen von Polyetherimid (PEI) im 5G-Bereich

Die hervorragende Dimensionsstabilität, Hochtemperaturbeständigkeit, Galvanikkompatibilität und optische Transparenz von PEI verschaffen ihm einen einzigartigen Vorteil im 5G-Kommunikationssektor.

1: Optische Kommunikation

Der deutlich zunehmende Einsatz von 5G-Basisstationen und Rechenzentren sowie die Notwendigkeit, große Datenmengen über Glasfaserverbindungen zu übertragen, bieten neue Chancen für den Markt für optische Kommunikation. Da optische Kommunikationssignale hauptsächlich im Infrarotspektrum übertragen werden, müssen Materialien eine hohe Infrarotdurchlässigkeit, geringe Verluste sowie eine hervorragende langfristige Dimensionsstabilität und Wetterbeständigkeit aufweisen.

PEI-Materialien sind führend in der optischen Kommunikation und werden häufig in Glasfaseranschlüssen, optischen Transceivermodulen und optischen Komponenten verwendet. PEI-Materialien bieten eine hervorragende Infrarotdurchlässigkeit mit einer Übertragungsrate von über 88 % im optischen Kommunikationsband von 850 nm bis 1550 nm. Ihr hoher Brechungsindex bleibt trotz Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsschwankungen konstant und sie halten bis zu 2.000 Stunden strengen „Double 85“-Tests (85 °C/85 % Luftfeuchtigkeit) stand; Darüber hinaus bietet PEI eine außergewöhnliche langfristige Dimensionsstabilität und gewährleistet eine zuverlässige optische Ausrichtung für die Signalübertragung. Aufgrund seiner hohen Festigkeit und seines hohen Moduls kann PEI Metall bei der Herstellung von Glasfasersteckern, Adaptern und anderen Strukturkomponenten ersetzen oder Glas bei der Herstellung von Linsen für optische Transceivermodule ersetzen. Dies ermöglicht eine strukturelle Optimierung, vereinfacht Herstellungs- und Montageprozesse und behält präzise Abmessungen bei, wodurch die Kosten des Endprodukts erheblich gesenkt werden.

Aufgrund der hohen Dimensionsstabilität, der hohen Festigkeit und der hervorragenden Witterungsbeständigkeit von PEI erfüllt seine Anwendung in Glasfaser-Verteilerboxen oder wasserdichten Steckverbindern für Basisstationen außerdem die Wasserdichtigkeitsanforderungen nach IP67, was die langfristige Luftdichtheit und Betriebszuverlässigkeit des Produkts erheblich verbessert.

2: HF-Anschlüsse

5G-Basisstationsantennen nutzen die Massive-MIMO-Technologie. Jede Basisstation verwendet 2 bis 3 Antennenarrays (AAUs), wobei jedes Array 64 bis 128 Kanäle unterstützen kann. Platinen-zu-Platinen-Steckverbinder werden verwendet, um die Antennenplatine mit der HF-Platine sowie die Speiseplatine mit der Hohlraumfilterplatine zu verbinden. Aufgrund der deutlich gestiegenen Nachfrage nach HF-Anschlüssen in 5G-Antennen ist der traditionelle Ansatz der Verwendung von duroplastischen Materialien (PTFE) und der CNC-Bearbeitung für die Massenproduktion zu einem Engpass in der Branche geworden.

Isolatoren für HF-Steckverbinder erfordern Materialien mit hervorragenden dielektrischen Eigenschaften, geringem und stabilem dielektrischen Verlust, guten mechanischen Eigenschaften, hervorragender Dimensionsstabilität für eine einfache Montage und zuverlässigen Massenproduktionsmöglichkeiten. PEI-Material erfüllt alle diese Anwendungsanforderungen und ist zum Material der Wahl für HF-Steckverbinderisolatoren geworden.

Ob für traditionelle dreiteilige Board-to-Board-Steckverbinder oder die neuesten Pogo-Pin-Designs, PEI-Materialien können die Kundenanforderungen erfüllen. Dies zeigt, dass PEI anderen technischen Kunststoffen hinsichtlich Dimensionsstabilität über einen weiten Temperaturbereich, stabilen dielektrischen Eigenschaften, hoher mechanischer Festigkeit, hoher Drahtbindungsfestigkeit und Hitzebeständigkeit überlegen ist und den Kunden eine stabilere Produktleistung und niedrigere Kosten bietet.

Neben Platinen-zu-Platine-Steckverbindern werden PEI-Materialien auch häufig als Ersatz für die Metallgehäuse von DIN-Steckverbindern eingesetzt, die in Zuleitungssteckverbindern sowie in herkömmlichen Isolatoren und Gehäusen für HF-Koaxialsteckverbinder verwendet werden.

3. Filter

Berichten zufolge werden 5G-Antennen angesichts der erheblichen Zunahme der Anzahl von 5G-Antennenkanälen und der Integration von Antennen und RRUs in AAUs 30 bis 80 % mehr wiegen als 4G-Antennen. Die Reduzierung des Gewichts von 5G-Antennen ist für große Antennenhersteller und Anbieter von Basisstationsausrüstung zu einem zentralen Anliegen geworden. Die Umstellung von Metall- auf Kunststofffilter ist für große Gerätehersteller erneut in den Fokus gerückt.

Filtergehäuseanwendungen erfordern Kunststoffmaterialien mit hoher Hitzebeständigkeit; Einige Antennenhersteller spezifizieren sogar Materialien, die Reflow-Lötprozessen bei hohen Temperaturen standhalten. Darüber hinaus muss das Material einen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der dem von Metall entspricht und bei steigender Temperatur konstant bleibt. Darüber hinaus muss es eine hervorragende Galvanikleistung aufweisen, um die Maßhaltigkeit des Gehäuses und eine starke Haftung der Oberflächenbeschichtung sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen sicherzustellen und so eine stabile Filterleistung während des Betriebs zu gewährleisten. Nach der Metallisierung wird das Kunststoffmaterial Umweltsimulationen und Zuverlässigkeitstests unterzogen – einschließlich Hoch-Tieftemperatur-Wechsel- und Feuchtwärmealterungstests –, die keine Verformung, kein Abblättern der Beschichtung und stabile mechanische Eigenschaften nachweisen.

Als amorphes Material mit einer hohen Glasübergangstemperatur weist PEI-Harz einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der dem einer Aluminiumlegierung ähnelt und bei steigender Temperatur konstant bleibt. Es bietet hervorragende Wärmebeständigkeit und Dimensionsstabilität, Langzeitzuverlässigkeit, geringen und stabilen dielektrischen Verlust, Galvanikfähigkeit und gute Metallhaftung. Diese Eigenschaften verschaffen PEI einen unübertroffenen Vorteil gegenüber anderen Kunststoffmaterialien in Hohlraumfilteranwendungen und ermöglichen eine Gewichtsreduzierung von bis zu 30 % für Hohlraumfiltereinheiten für 5G-Basisstationsantennen. Darüber hinaus kann durch Spritzgießen eine Großserienproduktion erreicht werden, wodurch Maßgenauigkeit über Chargen hinweg gewährleistet und die Produktionskosten gesenkt werden.

Aufgrund der überlegenen Eigenschaften von PEI wurde es in der 3G- und 4G-Ära häufig in filterbezogenen Komponenten wie Stimmschrauben, Flybar-Basen und Montageschrauben verwendet. Mit der Weiterentwicklung der 5G-Technologie sind die Produktabmessungen kleiner geworden und die Anforderungen an Präzision und mechanische Leistung sind strenger geworden, wodurch die Vorteile von PEI immer offensichtlicher werden.

4. Phasenschieber

In Basisstationsantennen wird PEI auch häufig in Phasenschiebern eingesetzt. Ganz gleich, ob es sich um die dielektrischen Platten in dielektrischen Phasenschiebern oder die Leiterplattenhalterungen in ringförmigen Phasenschiebern handelt, diese Anwendungen profitieren von der hervorragenden Dimensions- und dielektrischen Stabilität von PEI über einen weiten Temperaturbereich, dem geringen dielektrischen Verlust, der hohen mechanischen Festigkeit und der überlegenen Belastbarkeit. Mit der schrittweisen Kommerzialisierung von 5G-Basisstationen und dem Streben nach weiteren Reduzierungen des Energieverbrauchs und der Kosten stehen herkömmliche dielektrische Phasenschieber oder ringförmige Phasenschieber kurz davor, chipbasierte Phasenschieber zu ersetzen und weit verbreitete Anwendung in 5G-Massive-MIMO-Antennen zu finden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der spezielle technische Kunststoff PEI aufgrund seiner einzigartigen Vorteile gegenüber anderen technischen Kunststoffen hinsichtlich Hitzebeständigkeit, Dimensionsstabilität, dielektrischer Stabilität und Kompatibilität mit Metallen breite Anwendungsaussichten im 5G-Bereich bietet.