Polyimidfolien - Hochleistungsprodukte aus Spitzenpolymeren

Polyimidfolien sind Hochleistungs-Kunststofffolien, die sich durch eine herausragende Kombination aus thermischer Stabilität, elektrischer Isolationsfähigkeit und chemischer Beständigkeit auszeichnen. Ihre außergewöhnlichen Eigenschaften machen sie zu einem unverzichtbaren Material in anspruchsvollen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, Elektronik und im Automobilbau.

Außergewöhnliche Eigenschaften von Polyimidfolien 

Polyimidfolien bestehen aus Polymeren, die Imidringe in ihrer Hauptkette enthalten. Diese molekulare Struktur verleiht ihnen eine bemerkenswerte Stabilität. Die wichtigsten Eigenschaften sind:

Thermische Stabilität: Polyimidfolien behalten ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften über einen extrem breiten Temperaturbereich, typischerweise von −269°C bis über +350°C. Sie können kurzzeitig sogar noch höheren Temperaturen standhalten.

• Elektrische Isolation: Sie weisen eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit auf, was sie zu exzellenten Isolatoren in Elektromotoren, Transformatoren und bei flexiblen Leiterplatten macht.
• Chemische Beständigkeit: Polyimide sind gegenüber vielen Lösungsmitteln, Ölen und Fetten inert, was ihre Langlebigkeit in rauen Umgebungen sicherstellt.
• Mechanische Festigkeit: Sie besitzen eine hohe Zugfestigkeit und Abriebbeständigkeit bei geringem Gewicht.
• Flammwidrigkeit: Die Materialien sind von Natur aus flammwidrig (z.B. UL 94 V0) und geben im Brandfall nur wenig Rauch ab.
• Strahlenbeständigkeit: Sie widerstehen UV-Strahlen, Röntgenstrahlen und anderen ionisierenden Strahlungen.
• Spezialversionen: Zahlreiche Varianten sind am Markt erhältlich, die z.B. wärmeleitend sind, besonders beständig gegenüber Teilentladungen (Corona) oder mit speziellen Klebebeschichtungen versehen sind. Auch Variationen in der Farbe sind von spezialisierten Anbietern verfügbar.
• Weiter Bereich an Materialstärken: 5µm (0,005 Millimeter) - 250µm; noch dickere Folien bis 0,8 mm (z.B. CS Hyde Company) werden durch Stapeln erreicht.

Herstellungsprozess: Chemische vs. Thermische Polymerisierung 

Die Herstellung von Polyimidfolien erfolgt in der Regel in zwei Hauptschritten: der Synthese eines Vorläuferpolymers (Polyamidsäure) und dessen anschließende Imidierung (Umwandlung in das fertige Polyimid). Die beiden häufigsten Verfahren zur Imidierung sind die chemische und die thermische Polymerisierung.

Chemische Imidierung 

Bei der chemischen Imidierung wird die Polyamidsäure (das Vorläuferpolymer) in einem Lösungsmittel wie Dimethylacetamid (DMAc) gelöst und dann durch Zugabe von Dehydratisierungsmitteln, wie Essigsäureanhydrid, in Anwesenheit eines Katalysators wie Triethylamin in Polyimid umgewandelt.

• Vorteile: Dieses Verfahren ermöglicht eine gute Kontrolle über die Planlage der Folie, da die Polymerisierung in der flüssigen Phase stattfindet, bevor die Folie geformt wird. Die fertigen Folien weisen eine hohe Oberflächengüte und einen geringen Schrumpf auf. Die Methode ist vergleichsweise schnell und benötigt keine hohen Temperaturen (Energiekosten).
• Nachteile: Rückstände der Lösungsmittel und Katalysatoren können in der Folie verbleiben und die Reinheit beeinflussen, was u.a. zu einer geringeren elektrischen Spannungsfestigkeit führen kann.

Thermische Imidierung 

Die thermische Imidierung beginnt ebenfalls mit einer Polyamidsäurelösung, die auf eine Unterlage gegossen oder aufgesprüht wird. Anschließend wird die Lösung erhitzt, um das Lösungsmittel zu verdampfen und die Polyamidsäure zu Polyimid zu polymerisieren. Dieser Prozess findet direkt auf der Produktionsanlage statt, typischerweise in einem Ofen mit gestufter Temperaturerhöhung (bis zu +400∘C).

• Vorteile: Da keine zusätzlichen Hilfsstoffe benötigt werden, entstehen keine Rückstände von chemischen Katalysatoren, was zu einer höheren Reinheit der Folie und damit u.a. zu einer verbesserten elektrischen Spannungsfestigkeit führen kann.
• Nachteile: Der Prozess ist energieintensiv und langsamer. Aufgrund des Verdampfens der Lösungsmittel und der Dehydrierung während des Erhitzens kann es zu Spannungen in der Folie kommen, was die Planlage und Planheit negativ beeinflusst. Der Schrumpf kann höher sein als bei der chemischen Methode, was Präzisionsanwendungen erschweren kann. Diesen potentiellen Erscheinungen wirken Anbieter hochwertiger Folien durch eine entsprechend präzise gesteuerte Produktion entgegen.

Auswirkungen der Herstellmethoden auf die Folieneigenschaften 

Die zuvor dargestellte chemische Polymerisierung und die thermische Polymerisierung sind die beiden Hauptmethoden zur Herstellung von Polyimid-Folien. Sie wirken sich auf die resultierenden Materialeigenschaften aus.

• Planlage und Schrumpf: Die chemische Methode (Solution Casting) führt zu einer sehr guten Planlage und einem geringen Schrumpf. Das liegt daran, dass die Polymerisierung in der flüssigen Phase kontrollierter abläuft, was die dimensionsstabilität verbessert. Im Gegensatz dazu kann die thermische Methode die Planlage beeinträchtigen und führt zu einem hohen Schrumpf aufgrund stärker molekular Umordnungen durch die Hitzebehandlung.
• Reinheit und elektrische Spannungsfestigkeit: Die thermische Polymerisierung erzeugt eine sehr hohe Reinheit, da keine Katalysatoren oder Lösungsmittel verwendet werden. Das macht die Folien ideal für die Elektronikindustrie. Die chemische Methode kann Rückstände von Katalysatoren enthalten, was die Reinheit mindert und die elektrische Spannungsfestigkeit beeinträchtigen kann.
• Chemische und thermische Beständigkeit: Beide Herstellungsmethoden, die chemische und die thermische Polymerisierung, führen zu Polyimid-Folien mit hervorragender chemischer und thermischer Beständigkeit. Diese Eigenschaften sind primär durch die inhärente Polyimid-Molekülstruktur bestimmt und werden durch die Wahl des Herstellungsverfahrens nicht wesentlich beeinflusst.

Die größeren Unterschiede in der Folienqualität (und dem Preis) basieren eher in der sorgfältigen und reproduzierbaren Fertigung. Das beginnt bei der Reinheit der Ausgangsstoffe (Monomere), der hochpräzisen Kontrolle des Polymerisationsprozesses bis hin zur kontinuierlichen Forschung und Weiterentwicklung. Solche hochwertigen Folien sind dann auch eher für Hochleistungsanwendungen (Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, 5G-Antennen, OLED-Displays und Elektrofahrzeugen) ausgelegt und zeichnen sich durch eine vzuverlässige und gleichbleibend gute elektrische Isolation, die chemische Beständigkeit gegen bestimmte Lösungsmittel oder die Langlebigkeit unter starker mechanischer Beanspruchung aus.

Günstige, mit weniger Zeitaufwand gefertigte Polyimidfolien mit größeren Dickentoleranzen, einer höheren Dichte an Fehlstellen, einer schlechteren Planlage und einem höheren Gehalt an Restbestandteilen aus der schnellen chemischen Imidisierung werden eher für allgemeine Aufgaben verwendet, in denen die hohe thermische Belastbarkeit von Vorteil ist.

Verkürzt könnte man sagen: Qualität hat ihren Preis, aber je nach Anwendung auch ihre Berechtigung!

Bekannte Hersteller weltweit sind: 

• DuPont /Qnity: Das US-amerikanische Unternehmen ist bekannt für seine Kapton®-Folien, die als Industriestandard gelten und in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Elektronik weit verbreitet sind.
• Kaneka Corporation: Ein japanischer Hersteller, der mit seiner APICAL®-Reihe für seine Polyimidfolien mit hoher Hitzebeständigkeit und chemischer Beständigkeit bekannt ist.
• ARKEMA/PI Advanced Materials: Ein südkoreanisches Unternehmen, das sich auf die Produktion von ZENIMID®-Polyimidfolien spezialisiert hat und ein wichtiger Zulieferer für die Elektronikindustrie ist.
• Ube Corporation: Ein japanisches Chemieunternehmen, das sich durch seine hitzebeständigen Folien und Materialien (Upilex®) für die elektrische Isolierung auszeichnet.
• Taimide Tech Inc.: Ein taiwanesisches Unternehmen, das sich auf die Herstellung von Taimide®-Polyimidfolien für flexible Leiterplatten und Displays konzentriert.
• Kolon Industries: Ein südkoreanisches Unternehmen, das eine Vielzahl von Industriematerialien herstellt, einschließlich der transparenten Polyimid-Folie Kolon CPI™.