在這個信息爆炸的時代，你是否曾經(jīng)想過，手中的智能手機(jī)屏幕為何可以像紙一樣折疊而不損壞？又或者好奇那些遨游在浩瀚宇宙的衛(wèi)星和飛船，是如何承受住極端溫度的變化呢？答案就在一種叫做聚酰亞胺（Polyimide，PI）薄膜的高性能材料身上。它早已悄然融入我們生活的方方面面，甚至還在星際探索等許多高科技領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色。今天，就讓我們一起貼近神奇的聚酰亞胺薄膜，看看它如何改變著世界。

PI薄膜，材料的“多面手”

聚酰亞胺是指分子結(jié)構(gòu)主鏈中含有酰亞胺結(jié)構(gòu)的高分子聚合物，由二酐和二胺聚合得到。二酐和二胺品種繁多，不同的組合就可以合成不同性能的聚酰亞胺。聚酰亞胺的合成方法可以分為兩大類，第一類是在聚合過程中或在大分子反應(yīng)中形成酰亞胺環(huán)，第二類是以含有酰亞胺環(huán)的單體合成聚酰亞胺。PI薄膜是PI最早商業(yè)化、最成熟、市場容量最大的產(chǎn)品形式，是PI材料最主要的應(yīng)用形式。PI薄膜的加工成型主要有溶液流延、雙向拉伸、擠出成型等幾種方法。

圖1：高分子材料金字塔©互聯(lián)網(wǎng)

PI薄膜呈琥珀色，雖然薄如蟬翼，僅有15-20微米厚，但卻有著驚人的耐熱性、機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性及耐輻射性能，還有良好的介電性能，且這些性能在-269℃－400℃的廣闊溫度范圍內(nèi)都能保持穩(wěn)定。PI膜是目前世界上性能最好的超級工程高分子材料之一，居于高分子材料金字塔的塔尖（圖1），被譽(yù)為“黃金薄膜”。PI薄膜成為了電子工業(yè)、航空航天等多個領(lǐng)域的寵兒，在面對各種挑戰(zhàn)時都能保持堅不可摧，甚至有人說“沒有聚酰亞胺就不會有今天的微電子技術(shù)”！
 
材料雖好，制備不易

然而，要讓PI膜這位“超級英雄”完美地出現(xiàn)，并非易事，其制備過程是一個集化學(xué)、材料、機(jī)械、控制等學(xué)科的系統(tǒng)工程，任何一方面出現(xiàn)短板都會影響PI膜的性能和品質(zhì)，屬于高技術(shù)壁壘行業(yè)，其主要技術(shù)壁壘在于設(shè)備定制周期較長、工藝難度大、定制化程度高、技術(shù)人才稀缺。聚酰亞胺薄膜與碳纖維、芳綸纖維一起，被長期認(rèn)為是制約我國發(fā)展高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的三大瓶頸性關(guān)鍵高分子材料，極易陷入“卡脖子”之窘境。

目前，制造高質(zhì)量的聚酰亞胺薄膜面臨著一些技術(shù)上的難題和挑戰(zhàn)。首先是合成聚酰亞胺過程中需要精確控制反應(yīng)條件，對工藝參數(shù)進(jìn)行精確優(yōu)化，以確保得到理想的分子量分布和粘度等性能。溫度、壓力、反應(yīng)時間等任何一個因素的微小變化，都可能影響到聚酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)和性能。

圖2：©互聯(lián)網(wǎng)

其次是成型工藝復(fù)雜，特別是在制備高質(zhì)量和超薄型產(chǎn)品時，要求極高的加工精度，需要先進(jìn)的工藝和設(shè)備（圖2）。目前，常見的制備方法有溶液流延法和雙向拉伸法等，但這些方法都存在一些問題。例如，流延法是制備PI薄膜最常用的方法之一。先將聚酰胺酸溶液均勻涂布在支持基材上形成一層薄層，隨后通過逐步升溫的方式使聚酰胺酸發(fā)生酰亞胺化，最終固化成膜。這種方法適用于生產(chǎn)高質(zhì)量、大面積的PI薄膜，但制備的薄膜厚度均勻性難以控制。而雙向拉伸法可以提升薄膜的力學(xué)性能，在一定溫度下對已經(jīng)固化的薄膜施加拉力，使其分子鏈沿外力方向取向排列，從而提高薄膜的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。但此法對設(shè)備的要求較高，要想生產(chǎn)出高質(zhì)量的PI薄膜，不僅需要先進(jìn)的設(shè)備支持，還需要深厚的技術(shù)儲備。對于一些特殊用途的PI材料，可以直接將預(yù)聚體熔融后通過模具擠出成型為薄膜，不過由于大多數(shù)聚酰亞胺在加工溫度下具有較高的粘度，因此擠出成型方法相對較少使用。

圖3：©PIAM

此外，PI膜的投資規(guī)模也不小，投資一條產(chǎn)線需要2-3億元人民幣，風(fēng)險高、投資周期長，絕非一般企業(yè)能夠承擔(dān)。
隨著對聚酰亞胺薄膜性能要求的不斷提高，如何進(jìn)一步提高其耐熱性、柔韌性和機(jī)械性能，也是科研人員面臨的一大難題。這就需要不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)投入，探索新的材料配方和制備工藝。在制備過程中，如何實現(xiàn)綠色環(huán)保，減少對環(huán)境的影響，也是擺在我們面前的一大挑戰(zhàn)。

國內(nèi)外市場：群雄逐鹿，前景廣闊

放眼全球市場，聚酰亞胺薄膜產(chǎn)業(yè)市場呈現(xiàn)出國內(nèi)外企業(yè)共同競爭和兩極分化的態(tài)勢。

一方面，國際上美日韓等國少數(shù)幾家大型企業(yè)如杜邦、宇部興產(chǎn)、鐘淵化學(xué)、SKPI等，掌握了高性能PI薄膜的核心技術(shù)和生產(chǎn)能力，占據(jù)了全球80%以上的高端PI膜市場份額，形成了一定程度上的壟斷。PIAM（PI Advanced Materials，韓國公司，2023年12月，阿科瑪Arkema完成了對PIAM 54%股份的收購）為全球PI薄膜行業(yè)龍頭（圖3），自2014年以來一直位居全球PI薄膜市場第一位，市占率長期穩(wěn)定在30%以上，行業(yè)頭部的鐘淵化學(xué)和東麗杜邦市占率分別為13%、10.5%。

圖4：瑞華泰©互聯(lián)網(wǎng)

另一方面，中國等新興經(jīng)濟(jì)體正在迅速崛起，通過不斷加大在PI膜上的研發(fā)投入和技術(shù)革新力度，逐步縮小與國外先進(jìn)水平之間的差距。中國大陸地區(qū)PI薄膜廠家約80家，涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的企業(yè)，如國風(fēng)塑業(yè)、時代新材、瑞華泰（圖4）、丹邦科技等。這些企業(yè)在技術(shù)上不斷突破，產(chǎn)品質(zhì)量逐漸提高，在中低端市場已經(jīng)具備了較強(qiáng)的競爭力，逐漸實現(xiàn)進(jìn)口替代。國內(nèi)企業(yè)在滿足國內(nèi)市場快速增長需求的同時，也在積極拓展海外市場和高端市場，努力打造具有國際競爭力的品牌形象，縮小與國外企業(yè)的差距，有望逐步打破美日韓的壟斷地位。中國已成為全球最大的PI膜生產(chǎn)國之一，國產(chǎn)PI薄膜90%以上以流延法工藝為主，應(yīng)用于傳統(tǒng)電工絕緣材料領(lǐng)域，年消費(fèi)量達(dá)到3000-5000噸。有數(shù)據(jù)顯示，2023年中國聚酰亞胺薄膜行業(yè)市場規(guī)模約為80億元，到2027年市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到240億元。

 
生活中的隱藏高手，航天界的超級英雄

PI薄膜的商業(yè)化進(jìn)程始于20世紀(jì)50年代，最早應(yīng)用于電工絕緣領(lǐng)域。隨著5G通信、新能源汽車、柔性電子等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，PI薄膜的市場需求也在不斷增長。預(yù)計未來幾年，PI膜市場將保持較高的增長率，前景十分廣闊。無論是在生活中的電子產(chǎn)品，還是在高端的航天、半導(dǎo)體領(lǐng)域，PI膜都將發(fā)揮越來越重要的作用。

圖5：華為Mate X©華為

說到具體的PI膜應(yīng)用實例，不得不提到近年來風(fēng)靡一時的成為很多科技達(dá)人和時尚高端消費(fèi)者的新寵——折疊手機(jī)。你有沒有想過，是什么讓華為Mate X（圖5）或三星Galaxy Fold等型號折疊手機(jī)的屏幕能夠如此靈活地折疊，同時保持清晰的顯示效果呢？這正是得益于超薄的PI薄膜提供的對屏幕保護(hù)層的柔性支撐。PI膜可以被制作成極薄的柔性基板，讓屏幕能夠輕松地折疊、展開，就像我們平時折疊紙張一樣順滑。而且，它還能在數(shù)萬次的折疊后依然保持良好的性能，不會出現(xiàn)破裂、變形等受損問題，確保了折疊手機(jī)的使用壽命和用戶體驗?？梢哉f，聚酰亞胺薄膜是折疊手機(jī)屏幕的“最佳拍檔”與背后的 “無名英雄”——因為有了PI薄膜的加持，折疊屏手機(jī)實現(xiàn)了輕薄與堅固的完美結(jié)合，讓折疊夢想成為現(xiàn)實，默默地為我們帶來更加便捷、酷炫的科技體驗。

當(dāng)我們仰望星辰大海、探索宇宙的奧秘時，聚酰亞胺薄膜也在其中發(fā)揮著保駕護(hù)航的作用。在航天器中，各種設(shè)備都要面臨極端的環(huán)境條件，如高溫、低溫、強(qiáng)輻射等。PI膜憑借其出色的電氣絕緣性能和耐熱性能，被廣泛應(yīng)用于電路板保護(hù)層、隔熱罩以及太陽能電池基板等領(lǐng)域。比如，在衛(wèi)星的太陽能電池板中，聚酰亞胺薄膜被用作基板材料。它不僅能夠承受太空中高溫和低溫的劇烈交替變化，還能抵御宇宙射線的強(qiáng)烈輻射，保護(hù)電池板的正常工作。同時，由于聚酰亞胺薄膜重量輕，還能減輕衛(wèi)星的整體重量，降低發(fā)射成本。此外，在航天器的隔熱材料中，聚酰亞胺薄膜也發(fā)揮著重要作用——它就像一層 “隔熱盾牌”，有效地阻擋熱量的傳遞，確保航天器內(nèi)部的設(shè)備和宇航員的安全。

圖6：嫦娥四號登月成功©互聯(lián)網(wǎng)

PI薄膜正助力我國航天事業(yè)的迅猛發(fā)展。2019年，嫦娥四號登月成功。為了應(yīng)對月球強(qiáng)輻射、大溫差的嚴(yán)酷環(huán)境，我國科學(xué)家最終選定聚酰亞胺作為五星紅旗以及外層“黃金衣”（圖6）的制作材料，不懼惡劣的月球環(huán)境，使得鮮紅旗幟永不褪色，讓那一抹中國紅在月球上熠熠生輝！

另外，在光刻膠這個半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵材料中，聚酰亞胺薄膜也有著獨(dú)特的應(yīng)用。在一些先進(jìn)的光刻工藝中，聚酰亞胺薄膜可以作為光刻膠的襯底材料。由于其良好的平整度和穩(wěn)定性，能夠為光刻膠提供一個優(yōu)質(zhì)的附著表面，從而提高光刻圖案的精度和質(zhì)量，分辨率可達(dá)亞微米級，大大簡化了加工工序。而且，聚酰亞胺薄膜的耐高溫性能也使得它在光刻過程中的高溫處理步驟中能夠保持穩(wěn)定，不影響光刻膠的性能。這就好比是為光刻膠找到了一個可靠的伙伴，共同助力芯片制造商生產(chǎn)出更加精密復(fù)雜的集成電路。受益于PI薄膜的優(yōu)異性能，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，不再被人“卡脖子”，為全球半導(dǎo)體市場貢獻(xiàn)著中國力量。
 
總結(jié)

聚酰亞胺（PI）薄膜作為一種高性能材料，將朝著高性能化、多功能化、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的方向發(fā)展。隨著該領(lǐng)域的研究深入和技術(shù)升級，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，為我們生活的各個角落和尖端科技領(lǐng)域帶來了諸多便利和支持。雖然它的制造面臨著一些技術(shù)難題，但隨著科研人員的不斷努力和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，相信聚酰亞胺薄膜的性能會越來越好，應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣泛。讓我們一起期待這種神奇材料創(chuàng)造更多的奇跡吧！

來源：榮格-《國際塑料商情》

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