Polimeri resistenti al calore: Film di polietilene tereftalato e poliimmide

Introduzione

I polimeri resistenti al calore sono il pilastro della moderna ingegneria ed elettronica. Le pellicole di polietilene tereftalato e di poliimmide sono state per decenni le migliori amiche di scienziati e ingegneri. Queste pellicole sono estremamente resistenti, possiedono una migliore resistenza al calore e sono estremamente leggere. Cercheremo di capire cosa sono queste pellicole e come proteggono l'elettronica.

Cosa sono le pellicole di polietilene tereftalato e di poliimmide

Le pellicole di polietilene tereftalato sono costituite da un comune polimero termoplastico. Trovano applicazione negli imballaggi e persino nei display flessibili. I film di polietilene tereftalato possono sostenere temperature moderate e possiedono buone proprietà meccaniche. Possiedono un equilibrio di resistenza e trasparenza.

Ifilm di poliimmide possiedono un'eccellente stabilità termica. Le pellicole di poliimmide vengono utilizzate quando la temperatura supera i 400°C. I film di poliimmide sono tipicamente circuiti stampati flessibili o isolanti di componenti sensibili nei veicoli spaziali. La loro struttura molecolare conferisce un'eccezionale resistenza termica e chimica.

Entrambi questi materiali esistono da decenni. La loro storia è stata una continua innovazione. La differenza nelle loro proprietà è data dalla diversa composizione molecolare. In parole povere, il polietilene tereftalato è costituito da legami ripetitivi di estere, mentre la poliimmide è composta da anelli imidici unici che creano legami più forti e quindi hanno prestazioni termiche superiori. Entrambi i polimeri sono molto apprezzati dagli ingegneri per i vantaggi unici che ciascuno di essi possiede.

Come i film di poliimmide e di polietilene tereftalato proteggono l'elettronica

I dispositivi elettronici generano calore durante il funzionamento e anche un minimo aumento della temperatura influisce sulle prestazioni. I film di polietilene tereftalato sono strati isolanti che diffondono e riducono l'aumento di calore. Nelle applicazioni a freddo, i film deviano i cortocircuiti e proteggono i cavi sensibili.

I film di poliimmide sono utilizzati in ambienti più aggressivi. Vengono utilizzati come schermi termici. I film di poliimmide isolano elettricamente e termicamente l'elettronica flessibile. Le pellicole di poliimmide hanno un elevato punto di fusione e possono quindi resistere a condizioni estreme. Questo tipo di protezione è richiesto in prodotti come le apparecchiature ad alte prestazioni e persino nel settore aerospaziale, dove un malfunzionamento potrebbe portare a risultati costosi o pericolosi.

Il ruolo di questi film è ovvio. Isolano i componenti dal calore, ma consentono un flusso sufficiente di segnali. Inoltre, proteggono dal contatto con sostanze chimiche e acqua. La sintesi di queste proprietà le rende comunemente applicate in una varietà di settori.

Esperimento STEM: Isolamento termico ed elettrico dei film di polietilene tereftalato e di poliimmide

Uno dei modi migliori per comprendere questi polimeri è la sperimentazione. Eseguendo test di resistenza termica, isolamento elettrico e resistenza meccanica, si può vedere come reagisce ogni film sotto sforzo. Questi test consentono di imparare facendo e di confrontare i due materiali.

Fisica e ingegneria

- Test di resistenza termica:

Posizionare un campione di ogni pellicola su una fonte di calore come una lampada o una piastra riscaldante. Misurare la temperatura superficiale con un termometro in funzione del tempo. Le pellicole di polietilene tereftalato registreranno un aumento di temperatura prima. Le pellicole di poliimmide registreranno temperature più basse, poiché la struttura molecolare impedisce il trasferimento di calore. Osservare le variazioni di temperatura a intervalli regolari. Il test è un'imitazione di ciò che accade in un dispositivo elettronico.

- Esperimento di isolamento elettrico:

Leggere la resistività di ogni pellicola con un multimetro. Posizionare il dispositivo sulla scala di resistenza alta e premere la sonda sulla superficie della pellicola. La lettura fornisce un'indicazione della rigidità dielettrica. Le pellicole di poliimmide avranno una lettura di resistenza più alta. L'insegnamento di questo esercizio è il motivo per cui vengono utilizzati nei circuiti che devono sopportare guasti elettrici.

- Confronto della resistenza meccanica:

Eseguire una prova su entrambe le pellicole per confrontare la resistenza alla trazione: fissare entrambe le pellicole in posizione e applicare gradualmente dei pesi. Individuare quale campione si estende meno quando viene sottoposto a tensione. Le pellicole di polietilene tereftalato possono essere molto flessibili, mentre quelle di poliimmide mantengono la loro forma sotto sforzo. Il test di trazione può rivelare molto sull'integrità di entrambi i materiali.

Chimica

- Indagine sulla struttura molecolare:

Costruire modelli di strumenti semplici come la carta o l'argilla. Ogni unità di ripetizione viene dimostrata. I modelli di polietilene tereftalato sono lunghe catene collegate da gruppi estere. I modelli di poliimmide hanno anelli aromatici e gruppi imidici. La costruzione di questi modelli può anticipare come e perché una determinata struttura resiste meglio al calore.

- Stabilità al calore e decomposizione

Dimostrare lentamente come ogni film reagisce a più della sua tolleranza al calore. Il polietilene tereftalato si degrada a circa 250°C. Le pellicole di poliimmide, invece, resistono a temperature superiori a 400°C prima di degradarsi. Si tratta di un'operazione che deve essere eseguita con attenzione. Agite in un ambiente controllato e con tutti i dispositivi di protezione.

- Simulazione di polimerizzazione:

Dimostrare il processo di polimerizzazione utilizzando oggetti reali come graffette o piccole perline collegate tra loro in una catena. Mostrare come i singoli monomeri si combinano per produrre lunghe catene. La dimostrazione mostra perché la struttura a catena della poliimmide è così robusta. I solidi modello forniscono una forma tangibile a questi concetti astratti.

Tecnologia e applicazioni

- Connessioni con il mondo reale

I display flessibili e gli imballaggi della vita quotidiana utilizzano film di polietilene tereftalato. Probabilmente state leggendo da un touch screen o da una bottiglia di plastica che utilizza queste pellicole. I film di poliimmide sono utilizzati in applicazioni in cui le alte temperature sono la norma. Un buon esempio sono i circuiti stampati flessibili e le parti isolanti dei veicoli spaziali.

- Sfida STEM:

Progettate una sfida in cui dovete costruire uno "scudo termico", utilizzando strisce di pellicola polimerica per proteggere un piccolo sensore da una fonte di calore. Prendete le misure per vedere quale pellicola offre maggiore protezione. Questa sfida è un mix di progettazione e test scientifici e offre un'idea concreta di cosa sia l'ingegneria.

- Registrazione dei dati

Introducete apparecchiature come termocoppie o sensori di base Arduino per registrare le variazioni di temperatura negli esperimenti. Questo dà un tocco tecnologico agli esperimenti. È possibile insegnare i principi della registrazione dei dati. Combina componenti di fisica, chimica e codifica informatica in un unico esercizio di laboratorio.

Conclusione

I film di polietilene tereftalato e di poliimmide sono materiali essenziali utilizzati nell'elettronica sensibile al calore del presente. La struttura molecolare dei film li rende adatti a numerose applicazioni in elettronica. Due esperimenti possono facilmente mostrare come si differenziano l'uno dall'altro per quanto riguarda la resistenza termica, l'isolamento elettrico e la resistenza meccanica. Gli esperimenti pratici aiutano a collegare la teoria con le applicazioni del mondo reale. Per ulteriori informazioni ed esperimenti STEM, consultare il sito Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

F: Qual è la differenza principale tra i film di polietilene tereftalato e di poliimmide?

D: Le pellicole di polietilene tereftalato sono adatte al calore moderato, mentre quelle di poliimmide sono adatte al calore elevato.

F: I due film sono adatti all'elettronica flessibile?

D: Sì, il polietilene tereftalato è comune nei display flessibili e la poliimmide nei circuiti stampati.

F: Perché i dispositivi elettronici devono utilizzare queste pellicole?

D: Proteggono i componenti dal calore, garantiscono l'isolamento elettrico e migliorano l'affidabilità del dispositivo nel suo complesso.