Polymères résistants à la chaleur : Films de polyéthylène téréphtalate et de polyimide

Introduction

Les polymères résistants à la chaleur sont le pilier de l'ingénierie et de l'électronique modernes. Les films de polyéthylène téréphtalate et de polyimide sont les meilleurs amis des scientifiques et des ingénieurs depuis des décennies. Ces films sont extrêmement résistants, possèdent une meilleure résistance à la chaleur et sont extrêmement légers. Nous allons essayer de comprendre ce que sont ces films et comment ils protègent l'électronique.

Qu'est-ce que les films en polyéthylène téréphtalate et en polyimide ?

Les films en polyéthylène téréphtalate sont fabriqués à partir d'un polymère thermoplastique courant. Ils trouvent des applications dans l'emballage et même dans les écrans flexibles. Les films de polyéthylène téréphtalate peuvent supporter des températures modérées et possèdent de bonnes propriétés mécaniques. Ils présentent une résistance équilibrée à la transparence.

Lesfilms de polyimide possèdent une excellente stabilité thermique. Les films polyimides sont utilisés lorsque la température est supérieure à 400°C. Les films de polyimide sont généralement utilisés pour les circuits imprimés flexibles ou pour l'isolation de composants sensibles dans les véhicules spatiaux. Leur structure moléculaire leur confère une résistance exceptionnelle à la chaleur et aux produits chimiques.

Ces deux matériaux existent depuis des décennies. Leur histoire est celle d'une innovation continue. Leurs propriétés diffèrent en raison de leur composition moléculaire. Le polyéthylène téréphtalate est constitué de liaisons ester répétitives, tandis que le polyimide est composé d'anneaux imides uniques qui créent des liaisons plus fortes, ce qui lui confère des performances thermiques supérieures. Ces deux polymères sont très appréciés des ingénieurs en raison des avantages uniques qu'ils présentent.

Comment les films de polyimide et de polyéthylène téréphtalate protègent l'électronique

Les appareils électroniques génèrent de la chaleur pendant leur fonctionnement et une augmentation de température, même minime, affecte leurs performances. Les films de polyéthylène téréphtalate sont des couches d'isolation qui diffusent et réduisent la chaleur. Dans les applications froides, les films évitent les courts-circuits et protègent le câblage sensible.

Les films polyimides sont utilisés lorsque l'environnement est plus agressif. Ils sont utilisés comme boucliers thermiques. Les films polyimides isolent électriquement et thermiquement les composants électroniques flexibles. Les films polyimides possèdent un point de fusion élevé et peuvent donc supporter des conditions extrêmes. Ce type de protection est nécessaire dans des produits tels que les équipements de haute performance et même dans l'aérospatiale, où un dysfonctionnement entraînerait des conséquences coûteuses ou dangereuses.

Le rôle de ces films est évident. Ils isolent les composants de la chaleur tout en permettant une circulation suffisante des signaux. Ils protègent également contre le contact avec les produits chimiques et l'eau. La synthèse de ces propriétés fait qu'ils sont couramment utilisés dans toute une série d'industries.

Expérience STEM : Isolation thermique et électrique des films de polyéthylène téréphtalate et de polyimide

L'expérimentation est l'un des meilleurs moyens de comprendre ces polymères. En effectuant des tests de résistance thermique, d'isolation électrique et de résistance mécanique, vous pouvez voir comment chaque film réagit sous contrainte. Ces tests vous permettent d'apprendre par la pratique et de comparer les deux matériaux.

Physique et ingénierie

- Test de résistance thermique :

Placez un échantillon de chaque film sur une source de chaleur telle qu'une lampe ou une plaque chauffante. Mesurez la température de surface à l'aide d'un thermomètre en fonction du temps. Les films en polyéthylène téréphtalate enregistrent une augmentation de température plus rapidement. Les films en polyimide seront à des températures plus basses car la structure moléculaire empêche le transfert de chaleur. Observez les changements de température à intervalles réguliers. Ce test est une imitation de ce qui se passe dans un appareil électronique.

- Expérience sur l'isolation électrique :

Relevez la résistivité de chaque film à l'aide d'un multimètre. Placez l'appareil sur l'échelle des résistances élevées et enfoncez la sonde dans la surface du film. La valeur relevée donne une indication de la rigidité diélectrique. Les films polyimides auront une résistance plus élevée. Cet exercice permet de comprendre pourquoi ils sont utilisés dans les circuits qui doivent résister à une panne électrique.

- Comparaison de la résistance mécanique :

Effectuez un essai sur les deux films pour comparer la résistance à la traction. Fixez les deux films en position et appliquez des poids progressivement. Identifiez l'échantillon qui s'étend le moins lorsqu'il est soumis à une tension. Les films en polyéthylène téréphtalate peuvent être très souples, mais les films en polyimide conservent leur forme sous contrainte. Un test de traction peut en dire long sur l'intégrité des deux matériaux.

Chimie

- Étude de la structure moléculaire :

Construisez des modèles avec des outils simples tels que le papier ou l'argile. Chaque unité répétitive fait l'objet d'une démonstration. Les modèles de polyéthylène téréphtalate sont de longues chaînes reliées par des groupes d'esters. Les modèles de polyimide comportent des anneaux aromatiques et des groupes imides. La construction de ces modèles permet d'anticiper comment et pourquoi une structure donnée résiste mieux à la chaleur.

- Stabilité à la chaleur et décomposition

Montrez lentement comment chaque film réagit au-delà de sa tolérance à la chaleur. Le polyéthylène téréphtalate se dégrade à environ 250°C. Les films polyimides, en revanche, résistent à des températures supérieures à 400°C avant de se dégrader. Il s'agit d'une opération qui doit être effectuée avec précaution. Agissez dans un environnement contrôlé et avec tout l'équipement de protection nécessaire.

- Simulation de polymérisation :

Démontrez le processus de polymérisation en utilisant des objets réels tels que des trombones ou de minuscules perles reliées entre elles en une chaîne. Montrez comment les monomères individuels sont combinés pour produire de longues chaînes. La démonstration montre pourquoi la structure de la chaîne de polyimide est si robuste. Les solides modèles donnent une forme tangible à ces concepts abstraits.

Technologie et applications

- Connexions avec le monde réel

Les écrans et emballages flexibles de la vie quotidienne utilisent des films de polyéthylène téréphtalate. Vous lisez probablement à partir d'un écran tactile ou d'une bouteille en plastique qui utilise ces films. Les films polyimides sont utilisés dans des applications où les températures élevées sont la norme. Les cartes de circuits imprimés flexibles et les pièces d'isolation des engins spatiaux en sont un bon exemple.

- Défi STEM :

Concevez un défi dans lequel vous devez construire un "bouclier thermique" en utilisant des bandes de film polymère pour protéger un petit capteur d'une source de chaleur. Prenez des mesures pour déterminer quel film offre la meilleure protection. Ce défi est un mélange de conception et d'essais scientifiques et donne une idée réelle de ce qu'est l'ingénierie.

- Enregistrement des données

Introduisez des équipements tels que des thermocouples ou des capteurs Arduino de base pour enregistrer les variations de température dans les expériences. Cela donne une touche technologique aux expériences. Il est possible d'enseigner les principes de l'enregistrement des données. Il combine des éléments de physique, de chimie et de codage informatique en un seul exercice de laboratoire.

Conclusion

Les films de polyéthylène téréphtalate et de polyimide sont des matériaux essentiels utilisés dans l'électronique thermosensible actuelle. La structure moléculaire des films les rend aptes à de nombreuses applications en électronique. Deux expériences peuvent facilement montrer comment ils diffèrent l'un de l'autre en ce qui concerne la résistance thermique, l'isolation électrique et la résistance mécanique. Les expériences pratiques permettent de faire le lien entre la théorie et les applications du monde réel. Pour plus d'informations et d'expériences STEM, veuillez consulter le site Stanford Advanced Materials (SAM).

Questions fréquemment posées

F : Quelle est la principale différence entre les films de polyéthylène téréphtalate et de polyimide ?

Q : Les films en polyéthylène téréphtalate conviennent à une chaleur modérée, tandis que les films en polyimide conviennent à une chaleur élevée.

F : Ces deux films conviennent-ils à l'électronique souple ?

Q : Oui, le polyéthylène téréphtalate est utilisé dans les écrans flexibles et le polyimide dans les cartes de circuits imprimés.

F : Pourquoi les appareils électroniques ont-ils besoin de ces films ?

Q : Ils protègent les composants contre la chaleur, assurent l'isolation électrique et améliorent la fiabilité générale des appareils.