概要
| 材料名 | ポリイミド |
|---|---|
| 略記号 | PI |
| 英語名 | Polyimide |
| 分類 | スーパーエンプラ、熱硬化又は熱可塑性イミド系樹脂 |
| 構造・主成分 | 芳香族イミド結合を主鎖に持つ高耐熱樹脂 |
| 主な用途 | フィルム、絶縁材、耐熱部品、航空宇宙、半導体工程材 |
ポリイミドは、芳香族イミド結合を主鎖に持つ高耐熱樹脂である。極めて高い耐熱性、電気特性、耐放射線性、寸法安定性。
材料選定では、加工性が難しく高価、強アルカリに注意。用途、温度、荷重、薬品、成形方法に応じてグレードを選定する必要がある。
特徴
- 耐熱性が高く、200℃の環境下の引張強さは120MPaと強い。
- 電気的特性は、300℃まで変化のない特性を持つ。
- 最大耐熱温度が815℃と言われている。
- 熱膨張率が2.0×10-5（ASTM-D696）とかなり小さい。
- 耐放射線性、寸法安定性がある。
- 熱伝導率が高い。
- 耐燃性がある。
- 耐有機溶剤にはすぐれている。
- 濃い酸、アルカリには侵される。
- 加工性が難しく高価。
- グレード、充填材、共重合成分、硬化条件により物性が大きく変化する。
- 実使用では温度、湿度、応力、薬品接触時間を含めて評価する必要がある。
- 耐熱性のある電気関連に使用されている。
長所
- 極めて高い耐熱性、電気特性、耐放射線性、寸法安定性
- 用途に応じたグレード展開がある。
- 金属、ガラス、汎用樹脂の代替材料として使える場合がある。
短所
- 加工性が難しく高価、強アルカリに注意
- 高温、応力、薬品、吸水、添加剤の影響で性能が変化する。
- 量産前にはメーカー物性表と実使用条件での確認が必要である。
成形加工
ポリイミドの加工性は種類とグレードにより異なる。熱可塑性樹脂では射出成形・押出成形が中心となり、熱硬化性樹脂では注型、圧縮、積層、硬化成形が中心となる。
| 加工方法 | 適性 | 主な製品例 |
|---|---|---|
| 射出成形 | ○ | グレードにより成形部品、電気電子部品、機械部品に使用する |
| 押出成形 | ○ | シート、フィルム、チューブ、板材に使用する |
| 圧縮・注型・硬化成形 | △〜◎ | 熱硬化性樹脂や高粘度材料では主要加工法となる |
| 切削加工 | ○ | 丸棒、板材、試作部品、治具に使用する |
構造式
芳香族イミド環を含む剛直な高分子構造。構造中の官能基、結晶性、架橋密度、芳香族骨格、充填材の有無により、耐熱性、耐薬品性、機械的性質、成形性が変化する。
種類
標準グレード
| 名称 | 標準ポリイミド |
|---|---|
| 構成 | 芳香族イミド結合を主鎖に持つ高耐熱樹脂 |
| 特徴 | 極めて高い耐熱性、電気特性、耐放射線性、寸法安定性 |
| 主な用途 | フィルム、絶縁材、耐熱部品、航空宇宙、半導体工程材 |
特徴
- 標準的な物性バランスを持つ。
- 汎用的な成形・加工用途に使いやすい。
強化・改質グレード
| 名称 | 強化・改質ポリイミド |
|---|---|
| 構成 | ガラス繊維、炭素繊維、難燃剤、耐候剤、潤滑剤、共重合成分などで改質したグレード |
| 特徴 | 剛性、耐熱性、耐候性、難燃性、摺動性、寸法安定性などを改善する |
| 主な用途 | 電気電子部品、自動車部品、機械部品、構造部品、機能部材 |
特徴
- 標準グレードより特定性能を高めた材料である。
- 充填材により比重、成形収縮、異方性、耐薬品性が変化する。
代表的な物性値又は機械的性質
| 項目 | 単位 | 標準PI | GF強化PI | CF強化PI | 熱可塑性PI |
|---|---|---|---|---|---|
| 比重 | なし | 1.35〜1.45 | 1.50〜1.75 | 1.35〜1.55 | 1.30〜1.45 |
| 引張強さ | MPa | 70〜120 | 100〜180 | 120〜220 | 80〜150 |
| 引張伸び | % | 5〜50 | 2〜10 | 1〜8 | 10〜80 |
| 曲げ強さ | MPa | 120〜200 | 180〜300 | 200〜350 | 130〜220 |
| 曲げ弾性率 | GPa | 2.5〜4.5 | 6〜12 | 10〜25 | 2.5〜5.0 |
| 圧縮強さ | MPa | 150〜300 | 200〜400 | 250〜500 | 150〜300 |
| アイゾット衝撃強さ ノッチ付き | kJ/m2 | 3〜8 | 4〜10 | 3〜8 | 5〜12 |
| ロックウェル硬さ | なし | M90〜M115 | M100〜M120 | M105〜M125 | M90〜M115 |
| ガラス転移温度 | ℃ | 250〜400以上 | 250〜400以上 | 250〜400以上 | 240〜330 |
| 融点 | ℃ | 明確な融点なし | 明確な融点なし | 明確な融点なし | グレード依存 |
| 連続使用温度 | ℃ | 220〜300 | 240〜320 | 240〜320 | 200〜260 |
| 荷重たわみ温度 | ℃ | 250〜350以上 | 280〜360以上 | 280〜360以上 | 200〜300 |
| 線膨張係数 | ×10-5/K | 2〜5 | 1〜3 | 0.5〜2 | 3〜6 |
| 成形収縮率 | % | 0.2〜0.8 | 0.1〜0.5 | 0.1〜0.4 | 0.3〜1.0 |
| 吸水率 | % | 0.2〜1.5 | 0.2〜1.0 | 0.1〜0.8 | 0.2〜1.2 |
| 体積固有抵抗 | Ω・cm | 1015〜1017 | 1014〜1016 | 102〜108 | 1015〜1017 |
| 絶縁破壊強さ | kV/mm | 15〜30 | 10〜25 | 導電グレードは低下 | 15〜30 |
| 比誘電率 | なし | 3.2〜3.8 | 3.5〜4.5 | 導電性により変動 | 3.2〜3.8 |
| 誘電正接 | なし | 0.002〜0.01 | 0.003〜0.015 | 導電性により変動 | 0.002〜0.01 |
| 熱伝導率 | W/m・K | 0.2〜0.4 | 0.3〜0.8 | 0.5〜2.0 | 0.2〜0.4 |
| 難燃性 | UL94 | V-0相当 | V-0相当 | V-0相当 | V-0相当 |
| 耐薬品性 | なし | ○〜◎ | ○〜◎ | ○〜◎ | ○〜◎ |
| 耐放射線性 | なし | ◎ | ◎ | ◎ | ○〜◎ |
| 耐候性 | なし | ○〜◎ | ○〜◎ | ○〜◎ | ○〜◎ |
| 透明性 | なし | 黄色〜褐色透明/不透明 | 不透明 | 不透明 | 黄色〜褐色透明/不透明 |
特性比較
| 性質 | 単位 | ポリイミドフィルム （カプトン） | ポリエステルフィルム （マイラー） |
|---|---|---|---|
| 比重 （25℃） | 1.42 | 1.39 | |
| 引張強さ （25℃） | MPa | 175 | 160 |
| 引張強さ （200℃） | MPa | 120 | 50 |
| 引張伸び （25℃） | % | 70 | 100 |
| 引張伸び （200℃） | % | 90 | |
| 絶縁破壊強さ （25℃） | kV/mm | 280 | 280 |
| 絶縁破壊強さ （200℃） | kV/mm | 240 | 200 |
| 誘電率 (25℃） | 103 | 3.5 | 3.1 |
| 誘電率 (200℃） | 103 | 3.0 | |
| 体積固有抵抗 (25℃） | Ω･cm | 1014 | 1018 |
| 体積固有抵抗 (200℃） | Ω･cm | 1018 | 1011 |
ポリイミド熱劣化比較
| 温度（℃） | 熱劣化寿命 | 熱劣化寿命 |
|---|---|---|
| ポリイミドフィルム | ポリエステルフィルム （マイラー） | |
| 200 | 無限 | 1ヶ月 |
| 250 | 8年 | 溶解 |
| 275 | １年 | – |
| 300 | 3ヵ月 | – |
| 400 | 12時間 | – |
耐薬品性
多くの溶剤に強い。強アルカリや加水分解条件に注意。
| 薬品・溶剤 | 耐性 | 備考 |
|---|---|---|
| 水 | ○ | 多くは常温で比較的安定であるが、吸水・加水分解型材料では注意する |
| 酸 | △〜○ | 強酸では劣化する材料がある |
| アルカリ | △〜○ | ポリエステル、PC、熱硬化性樹脂では高温・高濃度に注意する |
| アルコール | ○〜△ | 応力クラックや膨潤は材料により異なる |
| ケトン | △〜× | 非晶性樹脂や塗料系樹脂では膨潤・溶解に注意する |
| 芳香族溶剤 | △〜× | 膨潤、白化、クラックの可能性がある |
| 油・燃料 | ○〜△ | ポリアミド、POM、PBT、PPS、PEEKなどは比較的良好な場合が多い |
更に詳しくはプラスチックの耐薬品性一覧表を参照。
SP値（溶解度パラメータ）
ポリイミドのSP値はグレード、結晶化度、架橋密度、充填材により変動する。溶解性はSP値だけでなく、温度、応力、薬品濃度、接触時間で判断する必要がある。
| 材料 | SP値（δ） | 特徴 |
|---|---|---|
| ポリイミド（PI） | 約22〜26 MPa1/2 | 超耐熱性、耐薬品性、電気特性を持つ芳香族高機能樹脂である |
| 熱可塑性ポリイミド（TPI） | 約21〜25 MPa1/2 | 溶融成形可能な高耐熱ポリイミドである |
| ポリアミドイミド（PAI） | 約23〜27 MPa1/2 | 高強度、高耐熱、耐摩耗性を持つスーパーエンプラである |
溶解性の目安
| Δδ | 挙動 |
|---|---|
| 0〜2 | 溶解しやすい |
| 2〜5 | 膨潤・軟化 |
| 5以上 | 溶解しにくい |
SP値から見る耐溶剤性
| 溶媒・薬品 | SP値（δ） MPa1/2 | 耐性 | 備考 |
|---|---|---|---|
| 水 | 47.9 | ◎ | 耐加水分解性は比較的高い |
| 熱水 | 47.9 | ○〜◎ | 高温長期では物性低下に注意が必要である |
| エタノール | 26.0 | ◎ | アルコール系には強い |
| IPA | 23.5 | ◎ | 一般的な洗浄用途に使用可能である |
| メタノール | 29.7 | ◎ | 短期では安定である |
| アセトン | 19.9 | ○ | 多くのPIは比較的安定である |
| MEK | 19.0 | ○ | 高温長期では確認が必要である |
| 酢酸エチル | 18.6 | ○ | 架橋度や結晶性で差が出る |
| THF | 18.5 | △ | 一部PIでは膨潤する場合がある |
| クロロホルム | 19.0 | △〜× | 塩素系溶剤では影響を受ける場合がある |
| ジクロロメタン | 20.2 | △〜× | 長時間では膨潤やクラックの可能性がある |
| トルエン | 18.2 | ◎ | 芳香族溶剤には比較的強い |
| キシレン | 18.0 | ◎ | 高温長期を除き安定である |
| ヘキサン | 14.9 | ◎ | 脂肪族炭化水素には安定である |
| ガソリン | 15〜18程度 | ◎ | 耐燃料性は高い |
| 鉱物油 | 15〜17程度 | ◎ | 耐油性に優れる |
| フェノール | 24〜25 | △〜× | 高極性芳香族化合物では影響を受ける場合がある |
| NMP | 23.1 | × | PI前駆体溶媒として使用されるほど溶解性が高い |
| DMF | 24.8 | × | 高極性アミド系溶剤であり影響が大きい |
| DMAc | 22.7 | × | PI前駆体溶媒として用いられる |
| 希酸 | – | ◎ | 一般的な酸には比較的強い |
| 濃硫酸 | 高極性 | △〜× | 一部PIは濃硫酸に溶解する |
| 弱アルカリ | – | ○〜◎ | 短期では比較的安定である |
| 強アルカリ | – | △〜× | イミド結合の加水分解に注意する |
| 次亜塩素酸ナトリウム | – | △ | 酸化劣化する可能性がある |
| 過酸化水素 | – | △ | 高濃度酸化剤では注意が必要である |
◎：非常に良好 ○：概ね良好 △：注意が必要 ×：不適
実務上の注意
- SP値は溶解・膨潤予測の一次判断であり、耐久性そのものではない。
- 成形残留応力がある場合は、短時間の薬品接触でもクラックが発生する場合がある。
- 最終判断は実使用条件での浸漬試験、応力負荷試験、温度サイクル試験で行う。
製法
ジアミンと酸二無水物からポリアミック酸を経てイミド化。
詳細な利用用途
代表用途
- フィルム
- 絶縁材
- 耐熱部品
- 航空宇宙
- 半導体工程材
工業用途
- 電気電子部品
- 自動車部品
- 機械部品
- 耐熱・耐薬品部材
- フィルム、シート、塗料、接着、複合材用途
関連材料との比較
代表的なメーカー
| メーカー | 代表的な製品・商品名 | 備考 |
|---|---|---|
| DuPont Kapton/Vespel | 代表グレード又は関連製品 | 詳細はメーカー技術資料で確認する |
| 宇部 UPILEX | 代表グレード又は関連製品 | 詳細はメーカー技術資料で確認する |
| カネカ Apical | 代表グレード又は関連製品 | 詳細はメーカー技術資料で確認する |