Panoramica sulla poliammide-immide (PAI)
La poliammide-immide è riconosciuta come il polimero lavorabile per fusione dalle prestazioni più elevate. Dal punto di vista chimico fa parte della famiglia delle resine imidiche ed è strettamente correlata ad altri due polimeri imidici aromatici per alte temperature: la polieterimmide (PEI) e la poliimmide (PI). La poliimmide si differenzia però per il fatto che non può essere lavorata per fusione sotto forma di forme estruse e parti stampate a iniezione, mentre PAI e PEI possono farlo.
Tra i polimeri ad altissime prestazioni, il PAI offre una resistenza eccezionalmente elevata sotto carico ad alte temperature. Mantiene la sua rigidità anche quando si avvicina alla sua temperatura di transizione vetrosa (Tg) o punto di rammollimento di 537°F (280°C) e resiste alla deformazione sotto carico statico nel tempo grazie alla sua superiore resistenza alla compressione e al creep. La resistenza all’usura, l’ampia resistenza chimica e la resistenza alle radiazioni ad alta energia della poliammide si aggiungono al suo straordinario profilo prestazionale che la rende ideale per le applicazioni negli ambienti di servizio più difficili.
Fornitori, Prodotti
Solvay, il principale produttore mondiale di resine PAI, fornisce una gamma di formulazioni di poliammide-immide con il marchio Torlon® PAI. Le forme commerciali di poliammide-immide vendute con il nome Torlon® includono gradi pellettizzati per lo stampaggio a iniezione e per lo stampaggio a estrusione e compressione per la produzione di forme lavorabili. La resina polimerica è disponibile anche in polvere per l’utilizzo in adesivi per alte temperature, epossidici, rivestimenti e compositi.
La proliferazione delle applicazioni e il desiderio di ottenere livelli più elevati di proprietà fisiche hanno portato allo sviluppo di diversi gradi di PAI con prestazioni migliorate nei decenni successivi all’introduzione commerciale del polimero nel 1970.
Sono state sviluppate formulazioni rinforzate con fibre di vetro e di carbonio per aumentare la resistenza a temperature elevate, ampliando le possibilità di applicazione del PAI per i componenti strutturali. Questi gradi di resistenza più elevati presentano una rigidità paragonabile a quella di molti metalli, anche in presenza di notevoli carichi meccanici ripetitivi e sollecitazioni a temperature elevate.
Sebbene sia intrinsecamente resistente all’usura, le formulazioni di PAI sono state sviluppate con additivi che migliorano le proprietà del polimero in termini di cuscinetti e usura e prolungano la vita funzionale dei componenti mobili e rotanti sotto carico. In molti casi, il miglioramento della resistenza all’usura consente alle parti sottoposte a carichi dinamici di funzionare in modo affidabile a lungo termine senza bisogno di lubrificazione esterna. I vantaggi per le attrezzature e i macchinari che incorporano componenti in poliammide-immide includono costi di manutenzione e sostituzione inferiori, cicli di produzione più lunghi e l’eliminazione del rischio di contaminazione da parte dei lubrificanti.
La possibilità di lavorare i diversi gradi di poliammide-immide per estrusione e stampaggio a iniezione ha portato a innumerevoli applicazioni per questo polimero ad altissime prestazioni. Drake Plastics fornisce alle aziende di lavorazione e ai distributori di tutto il mondo gradi di PAI non rinforzati, rinforzati con fibre e gradi per cuscinetti e usura in una gamma impareggiabile di forme e configurazioni di barre estruse, lastre e tubi Seamless®. Gli investimenti dell’azienda nella tecnologia di processo hanno portato anche allo sviluppo di dimensioni e forme uniche che ampliano la gamma di applicazioni del PAI. A titolo di esempio, Drake offre la barra di diametro PAI più grande al mondo, con dimensioni fino a 10,125 pollici (257,275 mm), e spessori di lastre ineguagliabili fino a 4,0 pollici (101,6 mm). Drake fornisce anche componenti PAI di precisione lavorati a partire dalle sue forme a stock ed è ampiamente riconosciuta per le sue capacità di stampaggio a iniezione di poliammide-immide.
Forme a stock fornite come Torlon® PAI, Drake PAI e altre denominazioni
Le pratiche commerciali per identificare le forme dello stock di PAI differiscono tra il numero limitato di produttori dedicati. Alcuni utilizzano il proprio marchio per tutti i prodotti PAI. Le forme a stock di Drake Plastics realizzate con i gradi PAI di Torlon® disponibili in commercio sotto forma di pellet per la lavorazione in fusione sono identificate con il marchio Torlon®.
Drake fornisce anche prodotti in poliammide-immide con la denominazione Drake PAI quando non sono disponibili gradi commerciali per l’estrusione dei prodotti richiesti dai clienti. Nei casi in cui tali prodotti erano richiesti sotto forma di forme a stock, Drake ha sviluppato una tecnologia per convertire la polvere di Torlon® PAI nella forma pellettizzata necessaria per l’estrusione. L’investimento si basava sulla necessità di soddisfare la domanda dei clienti di forme in stock di una qualità specifica, quando il fornitore aveva interrotto la produzione di pellet estrudibili.
I prodotti a base di poliammide-immide offerti in commercio con la denominazione Drake PAI includono le forme in stock Drake 4200 PAI. La formulazione elimina le impurità ioniche associate all’ossido di titanio utilizzato nelle formulazioni PAI standard ed è necessaria per i componenti utilizzati nella produzione di semiconduttori. Altri esempi sono le lastre e i film Drake PAI, configurazioni per le quali non sono disponibili resine standard per l’estrusione.
Attributi prestazionali della poliammide-immide
Elevata resistenza e stabilità dimensionale a temperature estreme
Una delle caratteristiche più notevoli del PAI è il mantenimento di un modulo di flessione e di una resistenza alla trazione molto elevati a temperature elevate, ben oltre le capacità di tutti gli altri materiali termoplastici. Infatti, il PAI ha una resistenza e una rigidità maggiori a 400°F (205°C) rispetto alla maggior parte dei tecnopolimeri a temperatura ambiente. Mantiene le sue proprietà anche dopo un’esposizione prolungata alle alte temperature.
Rispetto a molti metalli, i gradi di poliammide-immide rinforzati con fibre di carbonio o di vetro dimostrano una rigidità e un’elasticità equivalenti con un peso notevolmente inferiore. Questo è un motivo convincente per il loro utilizzo in sostituzione dei metalli nelle applicazioni aerospaziali e di difesa, ad esempio, dove la leggerezza e la resistenza strutturale alle alte temperature sono prioritarie sia per le prestazioni che per l’economia.
All’estremo opposto della temperatura, il PAI mostra una maggiore resistenza agli urti e tenacità alle temperature criogeniche, dove la maggior parte degli altri polimeri ad alta resistenza diventano estremamente fragili e finiscono per cedere.
Il PAI offre anche un’eccellente stabilità dimensionale in caso di ampie variazioni di temperatura. I tipi rinforzati con vetro e carbonio, in particolare, presentano un CLTE (coefficiente di espansione termica del rivestimento) molto basso, paragonabile a quello dell’alluminio per aerei.
Forza di compressione e resistenza al creep del PAI
La poliammide-immide mantiene una resistenza alla compressione eccezionalmente elevata e resiste allo scorrimento sotto carico a temperature elevate. Infatti, in presenza di un elevato carico statico, i gradi non rinforzati di PAI resistono al creep che può causare la compressione di altre termoplastiche ad alte prestazioni rinforzate con fibre di vetro o di carbonio. Il suo comportamento di recupero elastico e le sue proprietà di compressione, combinate con la sua tenacità in un ampio intervallo di temperature, hanno portato all’utilizzo di diversi gradi di poliammide-immide in applicazioni come anelli di tenuta, poppets idraulici, punterie dei freni, sfere di controllo, rondelle di spinta e piastre per compressori. I gradi rinforzati e lubrificati di PAI aumentano il livello di prestazioni per i componenti di tenuta che richiedono maggiore forza e resistenza all’usura.
Conduttività termica PAI
Le applicazioni che richiedono isolamento termico, come gli scudi termici, beneficiano della bassa conduttività termica della poliammide-immide. Gli alloggiamenti e i pannelli PAI sono spesso utilizzati per proteggere i componenti interni critici dalle alte temperature che possono compromettere l’accuratezza della strumentazione sensibile.
Proprietà elettriche della poliammide-immide
La maggior parte dei tipi di PAI offre eccellenti proprietà di isolamento elettrico e alcuni tipi specifici offrono livelli di prestazioni superiori rispetto ad altri. I gradi offerti in commercio come Torlon 4203L e 5030 PAI, in particolare, offrono un’eccezionale rigidità dielettrica e un’elevata resistività di volume e di superficie. Tuttavia, alcuni gradi resistenti all’usura contengono grafite. Sebbene mostrino proprietà di resistività elevate secondo i metodi di test standard che utilizzano la corrente continua, possono mostrare una certa conduttività a livelli di tensione e frequenza più elevati.
Una qualità rinforzata con fibra di carbonio, denominata Torlon 7130 PAI, è infatti conduttiva, un vantaggio per le applicazioni che richiedono una schermatura contro le interferenze elettromagnetiche.
Poiché possono essere stampate a iniezione in configurazioni complesse e sono dimensionalmente stabili in parti lavorate con tolleranze strette, alcuni gradi di poliammide-immide sono ampiamente utilizzati per componenti elettrici ed elettronici di precisione che richiedono capacità superiori di isolamento e di protezione.
Resistenza chimica della poliammide-immide
Il PAI è praticamente inalterato dalla maggior parte degli acidi, degli idrocarburi alifatici e aromatici e degli idrocarburi clorurati e fluorurati a temperature moderate. Il polimero, tuttavia, può essere attaccato dal vapore saturo, dalle basi forti e da alcuni sistemi acidi ad alta temperatura.
Il post-curing di forme e parti in PAI dopo la lavorazione della fusione per estrusione o stampaggio a iniezione ne ottimizza la resistenza chimica e all’usura. Per questo motivo, Drake Plastics post-cura tutti i suoi estrusi in PAI e i pezzi stampati a iniezione. Per le applicazioni in poliammide-immide che richiedono il massimo livello di resistenza chimica, le parti lavorate possono essere post-curate una seconda volta per garantire prestazioni ottimali.
Resistenza del PAI all'esposizione alle radiazioni gamma
Pochi materiali termoplastici offrono la resistenza alla degradazione delle proprietà fisiche che il PAI offre.
Molti polimeri mostrano un brusco calo delle proprietà meccaniche a livelli di esposizione pari a103 rad . Il PAI, tuttavia, dimostra un’eccezionale stabilità alle radiazioni gamma a livelli di esposizione molto più elevati. Nei test certificati delle agenzie a109 rad , il livello più alto testato, un PAI rinforzato con il 30% di vetro ha mantenuto il 95% delle sue proprietà meccaniche dopo un’esposizione a lungo termine. Le sue prestazioni sono state un fattore importante per le specifiche del PAI come materiale per applicazioni nel campo dell’energia nucleare, compresi i componenti utilizzati nei sottomarini nucleari della Marina degli Stati Uniti.
Infiammabilità e generazione di fumo di gradi poliammide-immide
Le valutazioni certificate basate su test eseguiti da importanti agenzie e laboratori di tutto il mondo convalidano l’idoneità della poliammide-immide per applicazioni elettriche, elettroniche, aerospaziali e di altro tipo in cui l’infiammabilità è un fattore importante. La maggior parte dei tipi di PAI disponibili in commercio ha un’ottima classificazione di infiammabilità da parte di queste agenzie. Due gradi commerciali, disponibili sotto forma di pezzi stampati a iniezione e forme lavorabili, come Torlon 5030 PAI e Torlon 7130 PAI, superano i requisiti di infiammabilità, densità di fumo ed emissioni di gas tossici previsti dalla FAA per l’uso negli aerei commerciali.
Applicazioni tipiche del PAI
Dall’introduzione di questo polimero, lo sviluppo di diversi gradi di PAI con diversi profili di prestazioni ha dato vita a un’ampia gamma di applicazioni. Tutti sono caratterizzati dal dover resistere a lungo all’esposizione a varie combinazioni di temperature estreme, elevati carichi statici e dinamici e ambienti chimici aggressivi. Molte applicazioni si basano anche sulle proprietà di isolamento elettrico e termico della poliammide-immide.
Grazie a queste caratteristiche, la famiglia di formulazioni PAI si è dimostrata molto efficace nel soddisfare questi requisiti di altissime prestazioni nei cuscinetti e nell’usura, nelle guarnizioni, nei componenti strutturali, termici ed elettrici dove altri materiali tecnici hanno fallito. Un elenco parziale degli utilizzi nei principali settori industriali comprende componenti per aerei, navette spaziali e satelliti, trasmissioni automobilistiche, strumenti per la lavorazione dei metalli e il taglio al plasma, esplorazione di petrolio e gas in profondità, applicazioni per l’energia alternativa e l’accumulo di batterie, sistemi d’arma militari e di difesa. L’elevata stabilità dimensionale, la resistenza chimica e il basso livello di degassamento del PAI sono alla base del suo utilizzo nelle applicazioni di manipolazione dei wafer di semiconduttori, negli zoccoli di prova e nei nidi. Una qualità di forme lavorabili sviluppata da Drake senza TiO2e denominata Drake PAI 4200 risolve anche i problemi di contaminazione del titanio nei processi dei semiconduttori.
Sfide della lavorazione della poliammide-immide e vantaggi del post-curing
Il PAI è riconosciuto in tutto il settore come un materiale difficile da estrudere e da stampare a iniezione. Le caratteristiche intrinseche del PAI richiedono un alto grado di esperienza nella lavorazione per ottenere le proprietà ottimali del polimero in forme estruse e parti lavorate e stampate.
Tra le sfide della lavorazione ci sono l’elevata temperatura di transizione del vetro o punto di rammollimento (Tg), la velocità di taglio altamente sensibile e i parametri per il controllo della viscosità della massa fusa, nonché un intervallo di lavorazione ristretto a temperature superiori a 315°C (600°F).
La poliammide-immide è anche molto sensibile all’umidità. La pre-essiccazione è essenziale e le condizioni di processo devono essere rigorosamente monitorate e mantenute per evitare che l’umidità ne degradi il peso molecolare e le proprietà fisiche.
Dopo la lavorazione, la poliammide-immide necessita di un post-curing termico prolungato, con un ciclo di temperature precise fino a 500°F (260°C). Se attuato correttamente, questo passaggio essenziale completa il processo di imidizzazione e porta il peso molecolare del PAI a un livello tale da raggiungere le sue proprietà ottimali.
Capacità per soddisfare la crescente domanda di forme e parti in stock di PAI
Dall’introduzione commerciale della poliammide-immide nel 1970, è emerso un numero limitato di aziende specializzate in prodotti PAI estrusi e stampati. Drake, in particolare, continua a fare continui investimenti nello sviluppo di prodotti e processi e mantiene un’ampia capacità per sostenere la crescente domanda dei suoi clienti di forniture rapide e affidabili di forme e parti in stock di poliammide-immide in tutto il mondo.
