从折叠屏到太空探索，PI薄膜如何改变世界？

在这个信息爆炸的时代，你是否曾经想过，手中的智能手机屏幕为何可以像纸一样折叠而不损坏？又或者好奇那些遨游在浩瀚宇宙的卫星和飞船，是如何承受住极端温度的变化呢？答案就在一种叫做聚酰亚胺（Polyimide，PI）薄膜的高性能材料身上。它早已悄然融入我们生活的方方面面，甚至还在星际探索等许多高科技领域中扮演着不可或缺的角色。今天，就让我们一起贴近神奇的聚酰亚胺薄膜，看看它如何改变着世界。

PI薄膜，材料的“多面手”

聚酰亚胺是指分子结构主链中含有酰亚胺结构的高分子聚合物，由二酐和二胺聚合得到。二酐和二胺品种繁多，不同的组合就可以合成不同性能的聚酰亚胺。聚酰亚胺的合成方法可以分为两大类，第一类是在聚合过程中或在大分子反应中形成酰亚胺环，第二类是以含有酰亚胺环的单体合成聚酰亚胺。PI薄膜是PI最早商业化、最成熟、市场容量最大的产品形式，是PI材料最主要的应用形式。PI薄膜的加工成型主要有溶液流延、双向拉伸、挤出成型等几种方法。

图1：高分子材料金字塔©互联网

PI薄膜呈琥珀色，虽然薄如蝉翼，仅有15-20微米厚，但却有着惊人的耐热性、机械性能、化学稳定性及耐辐射性能，还有良好的介电性能，且这些性能在-269℃－400℃的广阔温度范围内都能保持稳定。PI膜是目前世界上性能最好的超级工程高分子材料之一，居于高分子材料金字塔的塔尖（图1），被誉为“黄金薄膜”。PI薄膜成为了电子工业、航空航天等多个领域的宠儿，在面对各种挑战时都能保持坚不可摧，甚至有人说“没有聚酰亚胺就不会有今天的微电子技术”！
 
材料虽好，制备不易

然而，要让PI膜这位“超级英雄”完美地出现，并非易事，其制备过程是一个集化学、材料、机械、控制等学科的系统工程，任何一方面出现短板都会影响PI膜的性能和品质，属于高技术壁垒行业，其主要技术壁垒在于设备定制周期较长、工艺难度大、定制化程度高、技术人才稀缺。聚酰亚胺薄膜与碳纤维、芳纶纤维一起，被长期认为是制约我国发展高技术产业的三大瓶颈性关键高分子材料，极易陷入“卡脖子”之窘境。

目前，制造高质量的聚酰亚胺薄膜面临着一些技术上的难题和挑战。首先是合成聚酰亚胺过程中需要精确控制反应条件，对工艺参数进行精确优化，以确保得到理想的分子量分布和粘度等性能。温度、压力、反应时间等任何一个因素的微小变化，都可能影响到聚酰亚胺的分子结构和性能。

图2：©互联网

其次是成型工艺复杂，特别是在制备高质量和超薄型产品时，要求极高的加工精度，需要先进的工艺和设备（图2）。目前，常见的制备方法有溶液流延法和双向拉伸法等，但这些方法都存在一些问题。例如，流延法是制备PI薄膜最常用的方法之一。先将聚酰胺酸溶液均匀涂布在支持基材上形成一层薄层，随后通过逐步升温的方式使聚酰胺酸发生酰亚胺化，最终固化成膜。这种方法适用于生产高质量、大面积的PI薄膜，但制备的薄膜厚度均匀性难以控制。而双向拉伸法可以提升薄膜的力学性能，在一定温度下对已经固化的薄膜施加拉力，使其分子链沿外力方向取向排列，从而提高薄膜的强度和尺寸稳定性。但此法对设备的要求较高，要想生产出高质量的PI薄膜，不仅需要先进的设备支持，还需要深厚的技术储备。对于一些特殊用途的PI材料，可以直接将预聚体熔融后通过模具挤出成型为薄膜，不过由于大多数聚酰亚胺在加工温度下具有较高的粘度，因此挤出成型方法相对较少使用。

图3：©PIAM

此外，PI膜的投资规模也不小，投资一条产线需要2-3亿元人民币，风险高、投资周期长，绝非一般企业能够承担。
随着对聚酰亚胺薄膜性能要求的不断提高，如何进一步提高其耐热性、柔韧性和机械性能，也是科研人员面临的一大难题。这就需要不断地进行技术创新和研发投入，探索新的材料配方和制备工艺。在制备过程中，如何实现绿色环保，减少对环境的影响，也是摆在我们面前的一大挑战。

国内外市场：群雄逐鹿，前景广阔

放眼全球市场，聚酰亚胺薄膜产业市场呈现出国内外企业共同竞争和两极分化的态势。

一方面，国际上美日韩等国少数几家大型企业如杜邦、宇部兴产、钟渊化学、SKPI等，掌握了高性能PI薄膜的核心技术和生产能力，占据了全球80%以上的高端PI膜市场份额，形成了一定程度上的垄断。PIAM（PI Advanced Materials，韩国公司，2023年12月，阿科玛Arkema完成了对PIAM 54%股份的收购）为全球PI薄膜行业龙头（图3），自2014年以来一直位居全球PI薄膜市场第一位，市占率长期稳定在30%以上，行业头部的钟渊化学和东丽杜邦市占率分别为13%、10.5%。

图4：瑞华泰©互联网

另一方面，中国等新兴经济体正在迅速崛起，通过不断加大在PI膜上的研发投入和技术革新力度，逐步缩小与国外先进水平之间的差距。中国大陆地区PI薄膜厂家约80家，涌现出了一批优秀的企业，如国风塑业、时代新材、瑞华泰（图4）、丹邦科技等。这些企业在技术上不断突破，产品质量逐渐提高，在中低端市场已经具备了较强的竞争力，逐渐实现进口替代。国内企业在满足国内市场快速增长需求的同时，也在积极拓展海外市场和高端市场，努力打造具有国际竞争力的品牌形象，缩小与国外企业的差距，有望逐步打破美日韩的垄断地位。中国已成为全球最大的PI膜生产国之一，国产PI薄膜90%以上以流延法工艺为主，应用于传统电工绝缘材料领域，年消费量达到3000-5000吨。有数据显示，2023年中国聚酰亚胺薄膜行业市场规模约为80亿元，到2027年市场规模预计将达到240亿元。

 
生活中的隐藏高手，航天界的超级英雄

PI薄膜的商业化进程始于20世纪50年代，最早应用于电工绝缘领域。随着5G通信、新能源汽车、柔性电子等新兴产业的快速发展，PI薄膜的市场需求也在不断增长。预计未来几年，PI膜市场将保持较高的增长率，前景十分广阔。无论是在生活中的电子产品，还是在高端的航天、半导体领域，PI膜都将发挥越来越重要的作用。

图5：华为Mate X©华为

说到具体的PI膜应用实例，不得不提到近年来风靡一时的成为很多科技达人和时尚高端消费者的新宠——折叠手机。你有没有想过，是什么让华为Mate X（图5）或三星Galaxy Fold等型号折叠手机的屏幕能够如此灵活地折叠，同时保持清晰的显示效果呢？这正是得益于超薄的PI薄膜提供的对屏幕保护层的柔性支撑。PI膜可以被制作成极薄的柔性基板，让屏幕能够轻松地折叠、展开，就像我们平时折叠纸张一样顺滑。而且，它还能在数万次的折叠后依然保持良好的性能，不会出现破裂、变形等受损问题，确保了折叠手机的使用寿命和用户体验。可以说，聚酰亚胺薄膜是折叠手机屏幕的“最佳拍档”与背后的 “无名英雄”——因为有了PI薄膜的加持，折叠屏手机实现了轻薄与坚固的完美结合，让折叠梦想成为现实，默默地为我们带来更加便捷、酷炫的科技体验。

当我们仰望星辰大海、探索宇宙的奥秘时，聚酰亚胺薄膜也在其中发挥着保驾护航的作用。在航天器中，各种设备都要面临极端的环境条件，如高温、低温、强辐射等。PI膜凭借其出色的电气绝缘性能和耐热性能，被广泛应用于电路板保护层、隔热罩以及太阳能电池基板等领域。比如，在卫星的太阳能电池板中，聚酰亚胺薄膜被用作基板材料。它不仅能够承受太空中高温和低温的剧烈交替变化，还能抵御宇宙射线的强烈辐射，保护电池板的正常工作。同时，由于聚酰亚胺薄膜重量轻，还能减轻卫星的整体重量，降低发射成本。此外，在航天器的隔热材料中，聚酰亚胺薄膜也发挥着重要作用——它就像一层 “隔热盾牌”，有效地阻挡热量的传递，确保航天器内部的设备和宇航员的安全。

图6：嫦娥四号登月成功©互联网

PI薄膜正助力我国航天事业的迅猛发展。2019年，嫦娥四号登月成功。为了应对月球强辐射、大温差的严酷环境，我国科学家最终选定聚酰亚胺作为五星红旗以及外层“黄金衣”（图6）的制作材料，不惧恶劣的月球环境，使得鲜红旗帜永不褪色，让那一抹中国红在月球上熠熠生辉！

另外，在光刻胶这个半导体制造的关键材料中，聚酰亚胺薄膜也有着独特的应用。在一些先进的光刻工艺中，聚酰亚胺薄膜可以作为光刻胶的衬底材料。由于其良好的平整度和稳定性，能够为光刻胶提供一个优质的附着表面，从而提高光刻图案的精度和质量，分辨率可达亚微米级，大大简化了加工工序。而且，聚酰亚胺薄膜的耐高温性能也使得它在光刻过程中的高温处理步骤中能够保持稳定，不影响光刻胶的性能。这就好比是为光刻胶找到了一个可靠的伙伴，共同助力芯片制造商生产出更加精密复杂的集成电路。受益于PI薄膜的优异性能，我国半导体产业快速发展，不再被人“卡脖子”，为全球半导体市场贡献着中国力量。
 
总结

聚酰亚胺（PI）薄膜作为一种高性能材料，将朝着高性能化、多功能化、环保与可持续发展的方向发展。随着该领域的研究深入和技术升级，其应用领域不断拓展，为我们生活的各个角落和尖端科技领域带来了诸多便利和支持。虽然它的制造面临着一些技术难题，但随着科研人员的不断努力和科学技术的不断发展进步，相信聚酰亚胺薄膜的性能会越来越好，应用领域也会越来越广泛。让我们一起期待这种神奇材料创造更多的奇迹吧！

来源：荣格-《国际塑料商情》

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