Hitzebeständige Polymere: Polyethylenterephthalat- und Polyimid-Folien

Einführung

Hitzebeständige Polymere sind die Säule der modernen Technik und Elektronik. Polyethylenterephthalat-Folien und Polyimid-Folien sind seit Jahrzehnten die besten Freunde der Wissenschaftler und Ingenieure. Diese Folien sind extrem widerstandsfähig, weisen eine verbesserte Hitzebeständigkeit auf und sind extrem leicht. Wir werden versuchen zu verstehen, was diese Folien sind und wie sie die Elektronik schützen.

Was sind Polyethylenterephthalat- und Polyimid-Folien?

Polyethylenterephthalat-Folien werden aus einem gängigen thermoplastischen Polymer hergestellt. Sie finden Anwendung in Verpackungen und sogar in flexiblen Displays. Polyethylenterephthalat-Folien können mäßigen Temperaturen standhalten und besitzen gute mechanische Eigenschaften. Sie besitzen eine ausgewogene Stärke und Transparenz.

Polyimid-Folien selbst besitzen eine ausgezeichnete thermische Stabilität. Polyimid-Folien werden bei Temperaturen von über 400 °C eingesetzt. Polyimidfolien sind in der Regel flexible gedruckte Schaltungen oder Isolierungen für empfindliche Komponenten in Raumfahrzeugen. Ihre Molekularstruktur verleiht ihnen eine außergewöhnliche Hitze- und Chemikalienbeständigkeit.

Beide Folienmaterialien gibt es schon seit Jahrzehnten. Ihre Geschichte ist von ständiger Innovation geprägt. Der Unterschied in ihren Eigenschaften besteht darin, dass sie sich in ihrem molekularen Aufbau unterscheiden. Einfach ausgedrückt, besteht Polyethylenterephthalat aus sich wiederholenden Esterbindungen, während Polyimid aus einzigartigen Imidringen besteht, die stärkere Bindungen schaffen und dadurch eine bessere Wärmeleistung ermöglichen. Beide Polymere werden von Ingenieuren wegen ihrer einzigartigen Vorteile sehr geschätzt.

Wie Polyimid- und Polyethylenterephthalat-Folien Elektronik abschirmen

Elektronische Geräte erzeugen während des Betriebs Wärme, und selbst ein minimaler Temperaturanstieg beeinträchtigt die Leistung. Polyethylenterephthalat-Folien sind wärmediffundierende und -reduzierende Isolierschichten. In kalten Anwendungen leiten die Folien Kurzschlüsse ab und schützen empfindliche Leitungen.

Polyimidfolien werden dort eingesetzt, wo die Umgebung aggressiver ist. Sie werden als Hitzeschild verwendet. Polyimidfolien isolieren elektrisch und thermisch in der flexiblen Elektronik. Polyimid-Folien besitzen einen hohen Schmelzpunkt und können daher extremen Bedingungen standhalten. Diese Art von Schutz ist bei Produkten wie Hochleistungsgeräten und sogar in der Luft- und Raumfahrt erforderlich, wo eine Fehlfunktion zu kostspieligen oder gefährlichen Ergebnissen führen würde.

Die Rolle solcher Folien ist offensichtlich. Sie isolieren die Bauteile vor Hitze, lassen aber einen ausreichenden Signalfluss zu. Außerdem schützen sie vor dem Kontakt mit Chemikalien und Wasser. Dank der Synthese ihrer Eigenschaften werden sie in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt.

MINT-Experiment: Thermische und elektrische Isolierung von Polyethylenterephthalat- und Polyimidfolien

Eine der besten Möglichkeiten, diese Polymere zu verstehen, ist das Experimentieren. Durch die Durchführung von Tests zum Wärmewiderstand, zur elektrischen Isolierung und zur mechanischen Festigkeit können Sie feststellen, wie die einzelnen Folien unter Belastung reagieren. Diese Tests ermöglichen es Ihnen, die beiden Materialien zu vergleichen und dabei zu lernen.

Physik und Technik

- Wärmewiderstandstest:

Legen Sie eine Probe jeder Folie über eine Wärmequelle, z. B. eine Lampe oder eine Heizplatte. Messen Sie die Oberflächentemperatur mit einem Thermometer im Zeitverlauf. Bei Polyethylenterephthalat-Folien wird der Temperaturanstieg früher registriert. Polyimid-Folien weisen niedrigere Temperaturen auf, da die Molekularstruktur die Wärmeübertragung verhindert. Beobachten Sie die Temperaturveränderungen in regelmäßigen Abständen. Der Test ist eine Nachahmung dessen, was in einem elektronischen Gerät passiert.

- Experiment zur elektrischen Isolierung:

Messen Sie den Widerstand jeder Folie mit einem Multimeter. Stellen Sie das Gerät auf die hohe Widerstandsskala und drücken Sie die Sonde in die Oberfläche der Folie. Der Messwert gibt einen Hinweis auf die Durchschlagsfestigkeit. Polyimid-Folien weisen einen höheren Widerstand auf. Diese Übung zeigt, warum sie in Schaltkreisen verwendet werden, die elektrischen Durchschlägen standhalten müssen.

- Vergleich der mechanischen Festigkeit:

Führen Sie einen Versuch mit beiden Folien durch, um die Zugfestigkeit zu vergleichen. Klemmen Sie beide Folien ein und belasten Sie sie nach und nach mit Gewichten. Ermitteln Sie, welche Probe sich bei Zugbeanspruchung weniger dehnt. Polyethylenterephthalat-Folien können recht biegsam sein, Polyimid-Folien hingegen behalten unter Belastung ihre Form. Ein Zugtest kann viel über die Integrität beider Materialien aussagen.

Chemie

- Untersuchung der Molekularstruktur:

Bauen Sie Modelle aus einfachen Werkzeugen wie Papier oder Ton. Jede sich wiederholende Einheit wird demonstriert. Modelle von Polyethylenterephthalat bestehen aus langen Ketten mit Estergruppen, die sie verbinden. Modelle von Polyimid haben aromatische Ringe und Imidgruppen. Anhand dieser Modelle lässt sich vorhersehen, wie und warum eine bestimmte Struktur besser hitzebeständig ist.

- Hitzestabilität und Zersetzung

Zeigen Sie langsam, wie jede Folie auf mehr als ihre Hitzetoleranz reagiert. Polyethylenterephthalat zersetzt sich bei etwa 250 °C. Polyimid-Folien hingegen halten Temperaturen von über 400 °C aus, bevor sie sich zersetzen. Dies ist etwas, das mit Vorsicht zu genießen ist. Arbeiten Sie in einer kontrollierten Umgebung und mit der entsprechenden Schutzausrüstung.

- Polymerisationssimulation:

Demonstrieren Sie den Polymerisationsprozess mit Hilfe von realen Objekten wie Büroklammern oder kleinen Perlen, die zu einer Kette verbunden sind. Zeigen Sie, wie einzelne Monomere miteinander verbunden werden, um lange Ketten zu bilden. Die Demonstration zeigt, warum die Kettenstruktur von Polyimid so robust ist. Modellfestkörper geben solchen abstrakten Konzepten eine greifbare Form.

Technologie und Anwendungen

- Real-World-Verbindungen

Flexible Displays und Verpackungen im täglichen Leben verwenden Polyethylenterephthalat-Folien. Wahrscheinlich lesen Sie gerade von einem Touchscreen oder einer Plastikflasche, in der diese Folien verwendet werden. Polyimidfolien werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Temperaturen die Norm sind. Ein gutes Beispiel sind flexible Leiterplatten sowie Isolationsteile für Raumfahrzeuge.

- MINT-Herausforderung:

Entwerfen Sie eine Aufgabe, bei der Sie einen "Hitzeschild" bauen müssen: Verwenden Sie Polymerfolienstreifen, um einen kleinen Sensor vor einer Wärmequelle zu schützen. Führen Sie Messungen durch, um festzustellen, welche Folie mehr Schutz bietet. Die Aufgabe ist eine Mischung aus Design und wissenschaftlichem Testen und bietet ein echtes Gefühl dafür, worum es im Ingenieurwesen geht.

- Datenaufzeichnung

Führen Sie Geräte wie Thermoelemente oder einfache Arduino-Sensoren ein, um Temperaturschwankungen in Experimenten aufzuzeichnen. Dies gibt den Experimenten einen technologischen Aspekt. Es ist möglich, die Grundsätze der Datenaufzeichnung zu vermitteln. Dabei werden Komponenten der Physik, Chemie und Computerprogrammierung in einer Laborübung kombiniert.

Fazit

Polyethylenterephthalat- und Polyimidfolien sind wesentliche Materialien, die in der wärmeempfindlichen Elektronik der Gegenwart eingesetzt werden. Die molekulare Struktur der Folien macht sie für zahlreiche Anwendungen in der Elektronik geeignet. Anhand von zwei Experimenten lässt sich leicht zeigen, wie sie sich in Bezug auf Wärmewiderstand, elektrische Isolierung und mechanische Festigkeit voneinander unterscheiden. Die praktischen Experimente helfen dabei, die Theorie mit realen Anwendungen zu verknüpfen. Weitere Informationen und MINT-Experimente finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Häufig gestellte Fragen

F: Was ist der Hauptunterschied zwischen Polyethylenterephthalat- und Polyimidfolien?

F: Polyethylenterephthalat-Folien sind für mäßige Hitze geeignet, während Polyimid-Folien für hohe Hitze geeignet sind.

F: Sind die beiden Folien für flexible Elektronik geeignet?

F: Ja, Polyethylenterephthalat wird häufig für flexible Displays und Polyimid für Leiterplatten verwendet.

F: Warum müssen die Folien in elektronischen Geräten verwendet werden?

F: Sie schützen die Bauteile vor Hitze, bieten elektrische Isolierung und verbessern die Zuverlässigkeit der Geräte insgesamt.