Polímeros resistentes ao calor: Filmes de polietileno tereftalato e poliimida

Introdução

Os polímeros resistentes ao calor são o pilar da engenharia e da eletrônica modernas. Os filmes de tereftalato de polietileno e os filmes de poliimida têm sido os melhores amigos dos cientistas e engenheiros há décadas. Esses filmes são extremamente resilientes, possuem maior resistência ao calor e são extremamente leves. Tentaremos entender o que são esses filmes e como eles protegem os produtos eletrônicos.

O que são filmes de politereftalato de etileno e poliimida

Os filmes de tereftalato de polietileno são feitos de um polímero termoplástico comum. Eles encontram aplicações em embalagens e até mesmo em displays flexíveis. Os filmes de tereftalato de polietileno podem suportar temperaturas moderadas e possuem boas propriedades mecânicas. Possuem equilíbrio entre resistência e transparência.

Os própriosfilmes de poliimida possuem excelente estabilidade térmica. Os filmes de poliimida são empregados quando a temperatura é superior a 400°C. Os filmes de poliimida são normalmente utilizados em circuitos impressos flexíveis ou no isolamento de componentes sensíveis em veículos espaciais. Sua estrutura molecular lhes confere excepcional resistência química e ao calor.

Esses dois materiais de filme existem há décadas. Sua história tem sido uma história de inovação contínua. A diferença em suas propriedades é que eles são diferentes em sua composição molecular. Em termos simples, o tereftalato de polietileno é construído a partir de ligações de ésteres repetitivos. A poliimida é composta por anéis de imida exclusivos que criam ligações mais fortes, fazendo com que ela tenha um desempenho térmico superior. Ambos os polímeros são muito apreciados pelos engenheiros devido às vantagens exclusivas que cada um possui.

Como os filmes de poliimida e de tereftalato de etileno protegem os eletrônicos

Os dispositivos eletrônicos geram calor durante a operação, e até mesmo um aumento mínimo de temperatura afeta o desempenho. Os filmes de tereftalato de polietileno são camadas de isolamento que difundem e reduzem o aumento de calor. Em aplicações frias, os filmes desviam curtos-circuitos e protegem a fiação sensível.

Os filmes de poliimida são usados quando o ambiente é mais agressivo. Eles são usados como escudos térmicos. Os filmes de poliimida isolam elétrica e termicamente os componentes eletrônicos flexíveis. Os filmes de poliimida possuem um alto ponto de fusão e, portanto, podem suportar condições extremas. Esse tipo de proteção é necessário em produtos como equipamentos de alto desempenho e até mesmo na indústria aeroespacial, onde um mau funcionamento levaria a resultados caros ou perigosos.

A função desses filmes é óbvia. Eles isolam os componentes do calor, mas permitem um fluxo suficiente de sinais. Eles também protegem contra o contato com produtos químicos e água. A síntese de propriedades faz com que sejam comumente aplicados em diversos setores.

Experimento STEM: Isolamento térmico e elétrico de filmes de politereftalato de etileno e poliimida

Uma das melhores maneiras de entender esses polímeros é por meio de experimentos. Ao realizar testes de resistência térmica, isolamento elétrico e resistência mecânica, você poderá ver como cada filme reage sob estresse. Esses testes permitem que você aprenda com a prática e compare os dois materiais.

Física e engenharia

- Teste de resistência térmica:

Coloque uma amostra de cada filme em uma fonte de calor, como uma lâmpada ou uma placa de aquecimento. Meça a temperatura da superfície com um termômetro em função do tempo. Os filmes de tereftalato de polietileno registrarão um aumento de temperatura mais cedo. Os filmes de poliimida estarão em temperaturas mais baixas, pois a estrutura molecular impede a transferência de calor. Observe as mudanças de temperatura em intervalos regulares. O teste é uma imitação do que acontece em um dispositivo eletrônico.

- Experimento de isolamento elétrico:

Faça uma leitura da resistividade de cada filme usando um multímetro. Coloque o dispositivo na escala de alta resistência e pressione a sonda na superfície do filme. A leitura dá uma indicação da força dielétrica. Os filmes de poliimida terão uma leitura de resistência mais alta. A lição que esse exercício ensina é o motivo pelo qual eles são usados em circuitos que precisam resistir a falhas elétricas.

- Comparação de resistência mecânica:

Faça um teste com os dois filmes para comparar a resistência à tração. Prenda os dois filmes em uma posição e aplique pesos gradualmente. Identifique qual amostra se estende menos quando submetida à tensão. Os filmes de tereftalato de polietileno podem ser bastante flexíveis, mas os filmes de poliimida manterão sua forma sob tensão. Um teste de tração pode revelar muito sobre a integridade de ambos os materiais.

Química

- Investigação da estrutura molecular:

Construa modelos de ferramentas simples, como papel ou argila. Cada unidade de repetição é demonstrada. Os modelos de tereftalato de polietileno são cadeias longas de grupos de ésteres que os conectam. Os modelos de poliimida têm anéis aromáticos e grupos imida. A construção desses modelos pode prever como e por que uma determinada estrutura é melhor para resistir ao calor.

- Estabilidade térmica e decomposição

Demonstre lentamente como cada filme reage a mais do que sua tolerância ao calor. O tereftalato de polietileno se degradará a aproximadamente 250°C. Os filmes de poliimida, entretanto, resistirão a temperaturas acima de 400°C antes de se degradarem. Isso é algo que deve ser feito com cuidado. Aja em um ambiente controlado e com todos os equipamentos de proteção.

- Simulação de polimerização:

Demonstre o processo de polimerização usando objetos reais, como clipes de papel ou contas minúsculas ligadas em uma cadeia. Mostre como os monômeros individuais são combinados para produzir cadeias longas. A demonstração mostra por que a estrutura da cadeia de poliimida é tão robusta. Os sólidos modelo fornecem uma forma tangível a esses conceitos abstratos.

Tecnologia e aplicativos

- Conexões com o mundo real

As telas e embalagens flexíveis da vida cotidiana utilizam filmes de tereftalato de polietileno. Você provavelmente está lendo em uma tela sensível ao toque ou em uma garrafa plástica que utiliza esses filmes. Os filmes de poliimida são usados em aplicações em que as altas temperaturas são a norma. Um bom exemplo são as placas de circuito impresso flexíveis, bem como as peças de isolamento de espaçonaves.

- Desafio STEM:

Use tiras de filme de polímero para proteger um pequeno sensor de uma fonte de calor. Faça medições para ver qual filme oferece mais proteção. O desafio é uma mistura de design e testes científicos e oferece uma noção real do que é a engenharia.

- Registro de dados

Introduza equipamentos como termopares ou sensores Arduino básicos para registrar as variações de temperatura nos experimentos. Isso dá um toque tecnológico aos experimentos. É possível instruir os princípios do registro de dados. Ele combina componentes de física, química e codificação de computador em um único exercício de laboratório.

Conclusão

Os filmes de tereftalato de polietileno e poliimida são materiais essenciais utilizados nos eletrônicos sensíveis ao calor do presente. A estrutura molecular dos filmes os torna adequados para inúmeras aplicações em eletrônica. Dois experimentos podem mostrar facilmente como eles são diferentes uns dos outros em relação à resistência térmica, ao isolamento elétrico e à resistência mecânica. Os experimentos práticos ajudam a fazer a ponte entre a teoria e as aplicações do mundo real. Para obter mais informações e experimentos STEM, consulte o Stanford Advanced Materials (SAM).

Perguntas frequentes

F: Qual é a principal diferença entre os filmes de tereftalato de polietileno e de poliimida?

P: Os filmes de tereftalato de polietileno são adequados para calor moderado, enquanto os filmes de poliimida são adequados para calor elevado.

F: Os dois filmes são adequados para eletrônicos flexíveis?

P: Sim, o tereftalato de polietileno é comum em telas flexíveis e a poliimida em placas de circuito impresso.

F: Por que os dispositivos eletrônicos precisam usar os filmes?

P: Eles fornecem proteção contra o calor para os componentes, proporcionam isolamento elétrico e melhoram a confiabilidade geral do dispositivo.