Polímeros resistentes al calor: Películas de tereftalato de polietileno y poliimida

Introducción

Los polímeros resistentes al calor son el pilar de la ingeniería y la electrónica modernas. Las películas de tereftalato de polietileno y de poliimida son desde hace décadas las mejores aliadas de científicos e ingenieros. Estas películas son extremadamente resistentes, poseen una mayor resistencia al calor y son extremadamente ligeras. Intentaremos comprender qué son estas películas y cómo protegen los componentes electrónicos.

¿Qué son las películas de tereftalato de polietileno y poliimida?

Las películas de tereftalato de polietileno están hechas de un polímero termoplástico común. Se utilizan en envases e incluso en expositores flexibles. Las películas de tereftalato de polietileno pueden soportar temperaturas moderadas y poseen buenas propiedades mecánicas. Poseen un equilibrio entre resistencia y transparencia.

Los films depoliimida poseen una excelente estabilidad térmica. Los films de poliimida se emplean cuando la temperatura es superior a 400°C. Las películas de poliimida suelen ser circuitos impresos flexibles o aislantes de componentes sensibles en vehículos espaciales. Su estructura molecular les confiere una resistencia térmica y química excepcional.

Ambos materiales existen desde hace décadas. Su historia ha estado marcada por la innovación continua. La diferencia en sus propiedades radica en su composición molecular. En pocas palabras, el tereftalato de polietileno se construye a partir de enlaces éster repetitivos, mientras que la poliimida se compone de anillos de imida únicos que crean enlaces más fuertes, lo que le confiere un rendimiento térmico superior. Ambos polímeros son muy apreciados por los ingenieros debido a las ventajas únicas que cada uno posee.

Cómo protegen la electrónica las películas de poliimida y tereftalato de polietileno

Los dispositivos electrónicos generan calor durante su funcionamiento, e incluso un aumento mínimo de la temperatura afecta a su rendimiento. Las películas de tereftalato de polietileno son capas aislantes reductoras y difusoras del calor. En aplicaciones en frío, las películas desvían los cortocircuitos y protegen el cableado sensible.

Las películas de poliimida se utilizan en entornos más agresivos. Se utilizan como escudos térmicos. Las películas de poliimida aíslan eléctrica y térmicamente en la electrónica flexible. Las láminas de poliimida tienen un punto de fusión elevado, por lo que pueden soportar condiciones extremas. Este tipo de protección es necesaria en productos como equipos de alto rendimiento e incluso en la industria aeroespacial, donde un mal funcionamiento podría tener consecuencias costosas o peligrosas.

La función de estas láminas es obvia. Aíslan los componentes del calor pero permiten un flujo suficiente de señales. También protegen del contacto con productos químicos y agua. La síntesis de sus propiedades hace que se apliquen comúnmente en una gran variedad de industrias.

Experimento STEM: Aislamiento térmico y eléctrico de películas de tereftalato de polietileno y poliimida

Una de las mejores maneras de entender estos polímeros es a través de la experimentación. Llevando a cabo pruebas de resistencia térmica, aislamiento eléctrico y resistencia mecánica, podrás ver cómo reacciona cada película bajo tensión. Estas pruebas permiten aprender con la práctica y comparar los dos materiales.

Física e ingeniería

- Prueba de resistencia térmica:

Coloca una muestra de cada lámina sobre una fuente de calor, como una lámpara o una placa calefactora. Mide la temperatura de la superficie con un termómetro en función del tiempo. Las películas de tereftalato de polietileno registrarán antes un aumento de la temperatura. Las películas de poliimida registrarán temperaturas más bajas, ya que su estructura molecular impide la transferencia de calor. Observe los cambios de temperatura a intervalos regulares. La prueba es una imitación de lo que ocurre en un dispositivo electrónico.

- Experimento de aislamiento eléctrico:

Toma una lectura de la resistividad de cada película utilizando un multímetro. Coloca el aparato en la escala de alta resistencia y presiona la sonda en la superficie de la película. La lectura da una indicación de la rigidez dieléctrica. Las películas de poliimida tendrán una lectura de mayor resistencia. La lección que enseña este ejercicio es por qué se utilizan en circuitos que deben soportar averías eléctricas.

- Comparación de la resistencia mecánica:

Realice una prueba en ambas películas para contrastar la resistencia a la tracción. Sujete ambas películas en posición y aplique pesos gradualmente. Identifique qué muestra se extiende menos cuando se somete a tensión. Las películas de tereftalato de polietileno pueden ser bastante flexibles, pero las películas de poliimida mantendrán su forma bajo tensión. Una prueba de tracción puede revelar mucho sobre la integridad de ambos materiales.

Química

- Investigación de la estructura molecular:

Construye modelos con herramientas sencillas, como papel o arcilla. Se demuestra cada unidad de repetición. Los modelos de tereftalato de polietileno tienen largas cadenas conectadas por grupos éster. Los modelos de poliimida tienen anillos aromáticos y grupos imida. La construcción de estos modelos puede anticipar cómo y por qué una estructura determinada es mejor para soportar el calor.

- Estabilidad al calor y descomposición

Demuestre lentamente cómo reacciona cada película más allá de su tolerancia al calor. El tereftalato de polietileno se degradará aproximadamente a 250°C. Las películas de poliimida, sin embargo, resistirán temperaturas superiores a 400°C antes de degradarse. Esto es algo que debe hacerse con cuidado. Actúe en un entorno controlado y con todo el equipo de protección.

- Simulación de polimerización:

Demuestre el proceso de polimerización utilizando objetos reales como clips de papel o pequeñas cuentas unidas en cadena. Muestre cómo se combinan los monómeros individuales para producir cadenas largas. La demostración muestra por qué la estructura de la cadena de poliimida es tan robusta. Los sólidos modelo proporcionan una forma tangible a conceptos tan abstractos.

Tecnología y aplicaciones

- Conexiones con el mundo real

Las pantallas y envases flexibles de la vida cotidiana utilizan películas de tereftalato de polietileno. Probablemente usted esté leyendo en una pantalla táctil o en una botella de plástico que utiliza estas películas. Las películas de poliimida se utilizan en aplicaciones en las que las altas temperaturas son la norma. Un buen ejemplo son las placas de circuitos impresos flexibles, así como las piezas aislantes de las naves espaciales.

- Desafío STEM:

Diseña un reto en el que tengas que construir un "escudo térmico". Utiliza tiras de película de polímero para proteger un pequeño sensor de una fuente de calor. Toma medidas para ver qué película ofrece más protección. El reto es una mezcla de diseño y pruebas científicas y ofrece un verdadero sentido de lo que es la ingeniería.

- Registro de datos

Introduce equipos como termopares o sensores básicos Arduino para registrar las variaciones de temperatura en los experimentos. Esto da un giro tecnológico a los experimentos. Es factible instruir en los principios del registro de datos. Combina componentes de física, química y codificación informática en un ejercicio de laboratorio.

Conclusión

Las películas de tereftalato de polietileno y poliimida son materiales esenciales utilizados en la electrónica sensible al calor del presente. La estructura molecular de las películas las hace adecuadas para numerosas aplicaciones en electrónica. Dos experimentos pueden mostrar fácilmente cómo se diferencian entre sí en cuanto a resistencia térmica, aislamiento eléctrico y resistencia mecánica. Los experimentos prácticos ayudan a unir la teoría con las aplicaciones del mundo real. Para más información y experimentos STEM, consulte Materiales Avanzados de Stanford (SAM).

Preguntas más frecuentes

F: ¿Cuál es la principal diferencia entre las películas de tereftalato de polietileno y las de poliimida?

P: Las películas de tereftalato de polietileno son adecuadas para calor moderado, mientras que las películas de poliimida son adecuadas para calor elevado.

F: ¿Son adecuadas ambas películas para la electrónica flexible?

P: Sí, el tereftalato de polietileno es habitual en pantallas flexibles y la poliimida en placas de circuitos impresos.

F: ¿Por qué los dispositivos electrónicos necesitan utilizar estas películas?

P: Ofrecen protección contra el calor para los componentes, proporcionan aislamiento eléctrico y mejoran la fiabilidad general del dispositivo.