Polyimid (PI)

Polyimid (PI) ist eine Werkstoffklasse aromatischer Hochleistungskunststoffe, deren Ketten über Imidgruppen verknüpft sind. Deshalb hat das Polymer keinen Schmelzpunkt und zersetzt sich erst oberhalb seiner Glasübergangstemperatur von 360 bis 410 °C (DuPont). Als Folie hält Polyimid nach UL-Akte E39505 dauerhaft 220 bis 240 °C aus, kurzzeitig 400 °C, und erreicht bei 25 µm eine Durchschlagfestigkeit von 303 kV/mm bei einer Dichte von 1,42 g/cm³. Dieser Beitrag erklärt die Chemie und die Kennwerte der Werkstoffklasse, ordnet Marken und Handelsformen ein und zeigt, wie GOBA Polyimidfolie aus dem Sortiment der Isoliermaterialien ab 25 µm Dicke stanzt und auf Breiten von 5 bis 1.600 mm mit einer Toleranz von plus minus 0,1 mm schneidet.

• Kapton ist die Marke von DuPont, Upilex die von UBE, Apical die von Kaneka. Vespel und Tecasint sind gesinterte Platten, Aurum ist ein thermoplastisches Polyimid, und Ultem ist ein Polyetherimid, also nur ein Verwandter.
• Die Schwachstelle von Polyimid ist Wasser: Die Folie nimmt bei 50 % Luftfeuchte 1,8 % Feuchte auf, und Dampf oder Lauge bauen das Kondensationspolymer ab.
• Polyimid lohnt sich erst oberhalb von 180 °C oder bei Teilentladung, darunter sind PET, PEN oder Aramidpapier die wirtschaftlichere Wahl.

Polyimidfolie bei GOBA: Lieferformen, Dicken und Anfrage

GOBA liefert Polyimidfolie ab einem Stück, als Material oder als fertiges Teil nach Ihrer Zeichnung.

Lieferformen

Rolle und Schnittrolle, Zuschnitt, Stanzteil nach Zeichnung, Formteil (gefalzt, geprägt oder gebogen)

Dicken

Folie ab 7,5 µm, Stanzteile ab 25 µm

Ausführungen

Kapton als Standard. Andere Polyimidfolien wie Upilex oder Apical beschaffen wir auf Kundenwunsch.

Schnittrollen

Breiten von 5 bis 1.600 mm, Toleranz ±0,1 mm, Kerne mit 25, 55, 76 oder 152 mm

Stanz- und Formteile

Materialdicke 0,023 bis 3,0 mm, Abmessungen bis 1.000 × 2.000 mm

Menge

Ab 1 Stück, vom Muster bis zur Serie

Lieferzeit

Höchstens 2 Wochen, wenn das Material vorrätig ist

Das brauchen wir für Ihr Angebot

• Zeichnung oder Maße
• Menge
• Werkstoff und Dicke

Bei Rollen zusätzlich Breite, Lauflänge, Kerndurchmesser, Kernmaterial (zum Beispiel Kunststoff) und Toleranzen.

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Ihr Ansprechpartner

Giuseppe Juliano, Technische Beratung

+49 7153 9439 16 · juliano@goba.de

Warum Polyimid keinen Schmelzpunkt hat

Die Imidgruppe, die der Werkstoffklasse ihren Namen gibt, ist ein Stickstoffatom, das an zwei Carbonylgruppen hängt, und in Polyimiden sitzt sie fast immer in einem fünfgliedrigen Ring zwischen zwei aromatischen Ringen. Diese Ringe sind steif, sie lassen den Ketten kaum Bewegungsfreiheit, und genau daraus folgt die Verbindung aus Temperaturgrenze und elektrischer Festigkeit, die keine andere Folie erreicht.

Hergestellt wird Polyimid durch Polykondensation aus einem aromatischen Dianhydrid und einem aromatischen Diamin. Der Kapton-Typ entsteht aus Pyromellitsäuredianhydrid (PMDA) und 4,4'-Diaminodiphenylether (ODA), so beschreibt es DuPont in der Spezifikation GS-96-7. UBE baut Upilex-S dagegen auf Biphenyltetracarbonsäuredianhydrid (BPDA) auf, meist mit p-Phenylendiamin (PPD) als Diamin. Beide sind Polyimide, aber die steifere BPDA-Kette liefert eine Folie mit mehr als doppelter Zugfestigkeit, einem Ausdehnungskoeffizienten von 12 statt 20 ppm/°C und weniger als halber Wasseraufnahme. Wer Polyimid als einen Werkstoff mit einem Datenblatt behandelt, übersieht diesen Unterschied.

Die Folie entsteht in drei Schritten, und auf den letzten kommt es an:

1. Dianhydrid und Diamin reagieren in einem polaren Lösemittel wie N-Methylpyrrolidon oder Dimethylacetamid zur Polyamidsäure, einem noch löslichen Vorprodukt.
2. Diese Lösung wird als dünne Schicht auf ein Band gegossen und getrocknet.
3. Beim Imidisieren, thermisch bei über 300 °C oder chemisch mit Essigsäureanhydrid, schließt sich der Imidring unter Wasserabspaltung. Ab jetzt ist das Polymer unlöslich und unschmelzbar.

Daraus folgt der Satz, der in Datenblättern unter Schmelzpunkt steht: keiner. Ein rein aromatisches Polyimid hat einen Glasübergang, aber es fließt oberhalb davon nicht, es zersetzt sich. Deshalb lassen sich Folie und gesinterte Platte nach der Herstellung weder umschmelzen noch schweißen. Das trennt die klassischen Polyimide von den Thermoplasten, obwohl sie chemisch nicht vernetzt sind wie ein Duroplast. Sie stehen zwischen beiden Gruppen.

Welche Eigenschaften hat Polyimid?

Die Tabelle stellt die beiden Folientypen und ein gesintertes Halbzeug nebeneinander. Alle Werte stammen aus Herstellerunterlagen: DuPont Kapton HN Technical Data Sheet und Summary of Properties, UBE Upilex-Broschüre, DuPont Vespel SP-1 Product Information Sheet.

Drei Zeilen verdienen einen zweiten Blick. Die Durchschlagfestigkeit von rund 300 kV/mm gilt für 25 µm und fällt mit der Dicke, bei 125 µm nennt DuPont noch 154 kV/mm. Die Zugfestigkeit von Upilex-S liegt gut beim Doppelten von Kapton HN, was in flexiblen Leiterplatten und bei dünnen Bandagen zählt. Und die gesinterte Platte ist mechanisch das schwächste Glied der Familie: 72 MPa Zugfestigkeit sind ein Drittel der Folie, weil beim Sintern keine Kettenorientierung entsteht. Wer Polyimid als Platte kauft, kauft Temperaturbeständigkeit und Gleiteigenschaften, keine Festigkeit.

Die Temperaturangabe braucht dieselbe Einordnung wie bei jedem Kunststoff. Im Handel steht meist „bis 400 °C“, und das ist ein Kurzzeitwert. Für die Auslegung zählt der Thermal Index, den UL unter der Akte E39505 mit 200 bis 220 °C für die mechanischen und 220 bis 240 °C für die elektrischen Eigenschaften führt. DuPont liefert dazu die Standzeit einer 25-µm-Folie an Luft, bis die Bruchdehnung von 70 auf 1 % gefallen ist:

• 250 °C: 8 Jahre
• 275 °C: 1 Jahr
• 300 °C: 3 Monate
• 350 °C: 6 Tage
• 400 °C: 12 Stunden

UBE nennt für Upilex-S einen Heat-Life-Wert von 290 °C über 20.000 Stunden, gemessen an der Zugfestigkeit. Nach IEC 60085 ordnet sich Polyimidfolie damit in die Isolierstoffklasse R mit 220 °C ein, in der GOBA-Materialübersicht steht sie in der höchsten Klasse mit 220 °C und darüber. Sauerstoff ist dabei der begrenzende Faktor: In Helium hielt die Folie in DuPonts Versuchen mindestens zehnmal länger.

Chemisch ist Polyimid gegen organische Lösemittel praktisch unangreifbar, DuPont kennt kein Lösemittel für die fertige Folie. Gegen 2-normale Salzsäure behält Kapton HN 82 % seiner Zugfestigkeit, gegen Natronlauge und Dampf dagegen baut es ab. Gammastrahlung von 10⁷ Gy senkt die Zugfestigkeit von 207 auf 152 MPa und die Dehnung von 80 auf 42 %, was für Nuklear- und Raumfahrtanwendungen ein hoher Wert ist. UV-Licht im Vakuum lässt der Folie nach 1.000 Stunden die volle Zugfestigkeit, UV zusammen mit Sauerstoff und Wasser dagegen versprödet sie: In Florida-Bewitterung fiel die Dehnung nach rund 4.000 Stunden auf nahe null. Für Freiluft ohne Abdeckung ist Polyimid deshalb die falsche Wahl.

Feuchte und Hydrolyse: die Schwachstelle von Polyimid

DuPont schreibt es selbst in die Summary of Properties: Kapton entsteht durch eine Kondensationsreaktion, deshalb beeinflusst Wasser seine Eigenschaften. Der Satz steht in keinem deutschen Händlerratgeber, obwohl er für Waschmaschinenmotoren, Pumpen und Wasserstoffsysteme die wichtigste Einzelinformation ist.

Die Zahlen für eine 25-µm-Folie vom Typ HN: Bei 0 % Luftfeuchte liegt die Durchschlagfestigkeit bei 339 kV/mm, bei 50 % bei 303 kV/mm, bei 100 % bei 268 kV/mm. Die Dielektrizitätszahl steigt im selben Bereich von 3,0 auf 3,8, der Verlustfaktor von 0,0015 auf 0,0035. Die Folie dehnt sich um 22 ppm je Prozent Luftfeuchte, was bei Präzisionsteilen mehr ausmacht als die thermische Ausdehnung im Alltag. In kochendem Wasser fällt die Zugfestigkeit innerhalb von 400 Stunden von 231 auf rund 175 MPa und bleibt dann stabil, die Dehnung sinkt von 70 auf 40 % und danach langsam weiter auf rund 25 % nach 2.300 Stunden. Natronlauge und Dampf bauen das Polymer weiter ab, weshalb Kernkraftwerke Kapton in Störfallzonen abdecken müssen.

Die BPDA-Chemie ist hier im Vorteil. UBE gibt für Upilex-S 0,8 % Feuchte im Gleichgewicht an und nennt die Folie in kochendem Wasser über lange Zeit praktisch unverändert. Für ein Isolierteil, das in einem feuchten Gehäuse oder unter Kondensat arbeitet, ist das ein sachlicher Grund für den Typwechsel, und ein Grund, PET oder Aramidpapier in Betracht zu ziehen, wo die Temperatur es zulässt.

Polyimid als Folie, Platte, Lack und Formmasse: die Handelsformen

Die Suchanfragen zu Polyimid meinen sehr verschiedene Produkte. Die Tabelle ordnet sie und sagt für jede Form, ob GOBA sie liefert.

Wer nach einer Polyimid-Platte sucht, landet fast immer bei gesintertem Material. DuPont formt Vespel SP-1 aus Polyimidpulver unter Druck und Temperatur, Ensinger nennt Tecasint ausdrücklich nicht schmelzbar und nur über Sintern verarbeitbar. Diese Halbzeuge halten nach Ensinger dauerhaft bis 300 °C und sind mit Graphit, PTFE oder Molybdändisulfid gefüllt erhältlich, Vespel SP-1 verformt sich nach DuPont unter 14 MPa Last bei 50 °C um 0,20 %. Ihr Einsatzgebiet sind Gleitlager, Ventilsitze und Vakuumteile, also Konstruktionsteile, keine Flächenisolierung.

Thermoplastisches Polyimid ist die Ausnahme, die die Regel bestätigt. Mitsui hat mit Aurum eine Kette gebaut, deren Glasübergang bei 245 °C liegt und die sich trotzdem spritzgießen und extrudieren lässt, weil flexible Ethergruppen in die Hauptkette eingebaut sind. Der Preis dafür ist die Temperaturgrenze: Dauergebrauch bis 240 °C statt der Standzeit, die eine gegossene Folie bei 250 °C noch über Jahre hat. Polyetherimid (PEI, Ultem von SABIC) treibt diesen Gedanken weiter und ist mit einer Glasübergangstemperatur von rund 217 °C ein amorpher Hochleistungsthermoplast, der zur Verwandtschaft gehört, aber kein Polyimid im engeren Sinn ist. Polyamidimid (PAI, Torlon) sitzt ebenfalls daneben. Wer in einer Spezifikation „Polyimid“ liest, sollte prüfen, welche der drei Klassen gemeint ist.

Heizfolien und Etiketten sind Fertigprodukte, in denen Polyimid als Trägerfolie steckt. In einer Heizfolie liegt ein geätztes Widerstandsgitter zwischen zwei Polyimidlagen, die Hersteller geben dafür Dauertemperaturen bis 200 °C und Leistungsdichten bis 0,8 W/cm² an. Ein Polyimid-Etikett übersteht fünf Minuten bei 260 °C im Reflow-Ofen und läuft danach bis 180 °C weiter. GOBA liefert für beides den Isolierstoff als Zuschnitt, nicht das fertige Heizelement und nicht das bedruckte Etikett.

Kapton ist die Marke, Polyimid der Werkstoff

Kapton ist das eingetragene Warenzeichen von DuPont für Polyimidfolie und seit 1955 in Serie. Der Name hat sich so eingebürgert, dass viele Zeichnungen „Kapton“ schreiben und Polyimid meinen. Für den Einkauf hat das Folgen: Eine generische PI-Folie ist nicht automatisch gleichwertig. Händler bewerben Eigenmarken offen als Ersatz und räumen dabei ein, dass die Folie nur einachsig gereckt ist, wie SynFlex es für SynTherm H tut. Wer eine UL-Zulassung, eine Kundenfreigabe oder eine Zeichnung mit Markenvorgabe hat, braucht die Marke. Wer nur die Werkstoffklasse braucht, kann mit Apical von Kaneka oder Upilex von UBE arbeiten, die beide nach UL 94 mit V-0 eingestuft sind. Die Typenreihe HN, VN, FN, CR und MT mit ihren Kennwerten und das Klebeband stehen im Artikel zu Kapton. GOBA führt Kapton als Marke von DuPont in seiner Materialübersicht und tauscht bei einer Markenvorgabe nicht still gegen Generika.

Polyimid im Vergleich mit PET, PEN, Aramidpapier, PTFE und PEEK

Polyimid steht am oberen Ende einer Reihe. Die Frage ist selten, ob es besser ist. Die Frage ist, ob die Anwendung seine Reserven abruft. Die Tabelle stellt die Alternativen gegenüber, mit dem Grund, aus dem man in der Praxis wechselt.

Quellen: DuPont Kapton HN TDS, cmc.de für Teonex, DuPont für Nomex 410, Hersteller- und Literaturwerte für PTFE und PEEK, wie sie auch im Beitrag zu Thermoplasten stehen. Die Aramid-Zeile zeigt das eigentliche Argument: Nomex hält fast dieselbe Temperatur wie Polyimid, aber nur ein Zehntel der Feldstärke je Millimeter. Wo die Nut eng ist und die Spannung hoch, gewinnt die Polyimidfolie über die Bauhöhe, wo Platz ist und die Lage mechanisch arbeiten muss, gewinnt das Aramidpapier. Zwischen 130 und 155 °C ist PEN die Folie, die viele Konstrukteure übersehen. Die Übersicht über alle Werkstoffe oberhalb von 180 °C liefert der Beitrag zur Hochtemperatur-Isolierung.

Wann Polyimid wirklich nötig ist

Unsere Empfehlung ist eindeutig: Bis 130 °C nehmen Sie PET-Folie, bis 155 °C PEN, bis 180 °C Aramidpapier oder ein Nomex-Laminat, und erst darüber lohnt Polyimid. Drei Fälle rechtfertigen den Griff zur Polyimidfolie unterhalb dieser Grenze. Erstens die Bauhöhe: Wo eine PET-Folie 125 µm bräuchte und in der Nut nur 50 µm Platz sind, liefert Polyimid die Feldstärke auf der halben Dicke. Zweitens die Teilentladung an Umrichterantrieben, für die DuPont mit dem Typ CR eine Folie gebaut hat, die bei 20 kV/mm über 100.000 Stunden hält statt 200. Drittens Lötprozesse und Strahlung, wo kurzzeitig 260 bis 400 °C anliegen und keine andere Folie durchkommt.

Der Einwand aus dem Einkauf ist der Preis, und er trifft. Polyimidfolie kostet ein Vielfaches einer PET-Folie gleicher Dicke, und die Feuchteempfindlichkeit kommt oben drauf. Die Antwort heißt Laminat. Für die Wärmeklasse H führt GOBA NKN, einen Verbund aus Nomex, Kapton und Nomex, in dem die teure Polyimidlage nur in der Mitte sitzt und die Spannung sperrt, während das Aramidpapier außen die mechanische Arbeit übernimmt und das Tränkharz aufnimmt. Diese Bauweise bringt Polyimid in Motoren der Elektromobilität, ohne dass die Kalkulation der Nutisolation kippt. Wie solche Verbunde aufgebaut sind, beschreibt der Beitrag zu Laminatverbunden.

Stanzteile und Zuschnitte aus Polyimidfolie bei GOBA

Polyimidfolie kommt bei uns als Mutterrolle ins Haus und verlässt es als Schnittrolle, Zuschnitt oder Stanzteil. Beim Stanzen und Formen liegt die untere Materialdicke bei 0,023 mm. Damit fällt die gängige 25-µm-Folie gerade in die Stanzfähigkeit, während 12,7 µm und 7,5 µm Rollenware bleiben oder vorher auf ein Trägermaterial laminiert werden. Nach oben reicht der Bereich bis 3,0 mm, was für Polyimid selbst keine Rolle spielt, für NKN- und andere Laminate mit Polyimidlage aber schon. Die maximale Abmessung eines Stanz- oder Biegeteils beträgt 1.000 x 2.000 mm.

Beim Werkzeug entscheiden Stückzahl und Toleranz. Für Muster und kleine Serien arbeiten wir mit Bandstahlschnitt, für enge Toleranzen und lange Standzeiten mit Vollstahlwerkzeugen auf dem Stanzautomaten. Falzkanten prägen wir im selben Hub vor, weil Polyimid an einer beschädigten Kante weiterreißt, wenn das Teil später gebogen wird. Typische Teile aus Polyimidfolie sind:

• Gestanzte Nutisolationen und Phasenisolationen für Traktions- und Hochtemperaturmotoren, oft als Mittellage im NKN-Laminat
• Deckschieber und Lagenisolation, wo die Bauhöhe unter 50 µm bleiben muss
• Trennlagen und Zellverbinder-Isolierungen in der Batterieisolation
• Isolierscheiben und Unterlagen zwischen Halbleiter und Kühlkörper in der Leistungselektronik, ausgelegt auf ein Vielfaches der Durchbruchspannung des Halbleiters
• Abdeckteile für Löt- und Beschichtungsprozesse, als Kiss-Cut auf dem Liner

Geschnitten wird im Scherschnitt zwischen zwei Kreismessern, in Breiten von 5 bis 1.600 mm und mit einer Breitentoleranz von plus minus 0,1 mm. Das ist enger, als DuPont die Folie ab Werk schneidet: Die Spezifikation GS-96-7 nennt plus minus 0,13 mm bis 38 mm Breite, plus minus 0,76 mm bis 102 mm und plus minus 1,5 mm darüber. Wer schmale Bandagen für Wickelköpfe oder Streifen für Stromschienen braucht, bekommt sie beim Lohnschneiden maßhaltiger als in der Standardrolle, gewickelt auf Kerne mit 25, 55, 76 oder 152 mm Innendurchmesser. Zwei Dinge beachten wir beim Handling: die Dickentoleranz der Folie selbst, die DuPont für 25 µm mit 21,6 bis 29,2 µm angibt und die sich beim Stapeln vieler Lagen summiert, und die Feuchte im Lager, weil eine Folie mit 2 % Wasser im Werkzeug anders läuft als eine trockene.

GOBA Fazit

Polyimid ist die Werkstoffklasse, die in der Flächenisolierung die Temperaturskala nach oben abschließt: kein Schmelzpunkt, 220 bis 240 °C dauerhaft, 300 kV/mm bei 25 µm. Sein Preis und seine Feuchteempfindlichkeit sind der Grund, es nur dort einzusetzen, wo diese Reserve wirklich abgerufen wird, und es sonst als dünne Mittellage in ein Laminat zu packen. Kapton ist die Marke, Polyimid der Werkstoff, und beides sollte die Zeichnung sauber unterscheiden.

Schicken Sie uns Zeichnung, Wärmeklasse, Spannung und Stückzahl, dann sagen wir Ihnen, ob Polyimidfolie, ein NKN-Laminat oder eine PET-Folie die wirtschaftlichere Wahl ist, und fertigen das Teil aus unseren Isoliermaterialien als Rolle, Zuschnitt oder Stanzteil.

FAQ zu Polyimid

Ist Polyimid ein Thermoplast oder ein Duroplast?

Weder eindeutig das eine noch das andere. Klassische aromatische Polyimide wie Kapton sind chemisch nicht vernetzt, lassen sich nach der Imidisierung aber weder schmelzen noch lösen, weil sie oberhalb ihrer Glasübergangstemperatur von 360 bis 410 °C zersetzen statt zu fließen. Sie werden als Folie gegossen oder als Pulver gesintert. Daneben gibt es thermoplastische Polyimide wie Aurum von Mitsui mit einer Glasübergangstemperatur von 245 °C, die sich spritzgießen lassen.

Was ist der Unterschied zwischen Polyimid und Kapton?

Polyimid ist die Werkstoffklasse, Kapton das eingetragene Warenzeichen von DuPont für seine Polyimidfolie. Jede Kapton-Folie ist Polyimid, aber Polyimidfolien anderer Hersteller wie Upilex von UBE oder Apical von Kaneka sind kein Kapton und weichen in Chemie, Festigkeit und Feuchteaufnahme ab. Bei einer Zeichnung mit Markenvorgabe liefert GOBA die Marke, bei einer reinen Werkstoffvorgabe kann ein anderes Polyimid die wirtschaftlichere Wahl sein.

Wie temperaturbeständig ist Polyimid?

Für die Auslegung gilt der UL-Thermal-Index von 220 bis 240 °C für die elektrischen Eigenschaften, das entspricht der Isolierstoffklasse R nach IEC 60085. Die oft genannten 400 °C sind ein Kurzzeitwert: Bei 400 °C ist eine 25-µm-Folie nach 12 Stunden spröde, bei 300 °C nach 3 Monaten, bei 250 °C nach 8 Jahren. Nach unten bleibt Polyimid bis minus 269 °C flexibel.

Ist Polyimid hygroskopisch?

Ja, deutlich. Kapton HN nimmt bei 50 % Luftfeuchte 1,8 % Wasser auf und nach 24 Stunden im Wasser 2,8 %. Dabei fällt die Durchschlagfestigkeit von 339 kV/mm bei 0 % auf 268 kV/mm bei 100 % Luftfeuchte, und die Folie dehnt sich um 22 ppm je Prozent Feuchte. Heißes Wasser, Dampf und Laugen greifen das Kondensationspolymer chemisch an. BPDA-Typen wie Upilex-S nehmen mit 0,8 % weniger als die Hälfte auf und gelten als hydrolysebeständig.

Kann man Polyimidfolie stanzen und wie dünn?

Ja. GOBA stanzt Polyimidfolie ab einer Materialdicke von 0,023 mm, damit sind die Standardfolien mit 25, 50, 75 und 125 µm stanzbar, die dünneren Typen mit 12,7 und 7,5 µm bleiben Rollenware. Teile bis 1.000 x 2.000 mm entstehen mit Bandstahlschnitt oder Vollstahlwerkzeug, Falzkanten werden im selben Hub vorgeprägt. Rollen schneiden wir auf 5 bis 1.600 mm Breite mit einer Toleranz von plus minus 0,1 mm.