Le poliammidi-immidi (PAI) sono polimeri ad alte prestazioni che combinano un’eccellente resistenza alle alte temperature con la tenacità alle basse temperature e la resistenza agli urti, offrendo al contempo un’eccezionale resistenza chimica come polimero amorfo a un’ampia gamma di sostanze chimiche comuni. Sono strettamente correlati ad altri due polimeri imidici aromatici per alte temperature, le polieterimmidi (PEI) e le poliimmidi (PI). Il polimero poliammide-immide più conosciuto è il Torlon, introdotto negli anni ’70 da Amoco come estensione di un polimero a basso contenuto molecolare offerto per migliorare l’adesione del fluoropolimero in pentole come Silverstone® e come rivestimenti per fili. Le poliammidi-immidi sono termoplastiche e possono essere lavorate per fusione e riciclate come il PEI, ma offrono maggiore forza, rigidità e resistenza all’usura. A differenza dei PI, che non possono essere lavorati per fusione come i termoplastici, le PAI offrono la flessibilità della lavorazione per fusione con un migliore equilibrio tra forza, rigidità e resistenza all’usura, massimizzata da una polimerizzazione termica secondaria. Il PAI offre una resistenza superiore a 400°F rispetto alla maggior parte degli altri materiali termoplastici, compreso il PEEK, a temperatura ambiente, oltre a un coefficiente di espansione termica lineare (CLTE) simile a quello dell’alluminio. Questo insieme unico di proprietà e la lavorabilità della fusione lo rendono perfetto per diversi settori industriali esigenti, tra cui:
In questi settori, il Torlon ricopre molti ruoli, in quanto la sua lavorabilità in fusione offre ai produttori opzioni di conversione per produrre forme intricate con tolleranze elevate.
Un termoplastico amorfo
La poliammide-immide (PAI) è una termoplastica amorfa e opaca che può essere lavorata per fusione con le tradizionali tecniche di stampaggio a iniezione, estrusione o compressione. Solvay Specialty Polymers è leader mondiale nella produzione di resina PAI con il nome commerciale di Torlon, con meno di 100 aziende in tutto il mondo che la trasformano in vari componenti. Le forme estruse sono prodotte da Drake Plastics e Mitsubishi Chemical, che forniscono barre, piastre, tubi e profili che vengono lavorati in pezzi finiti. Meno di cinque aziende in tutto il mondo stampano il Torlon a compressione in forme molto grandi, utilizzate come guarnizioni per i grandi turbocompressori. Il Torlon occupa la posizione più alta nell’industria termoplastica grazie al suo equilibrio tra rigidità, tenacità, forza e proprietà termiche, offrendo al contempo un’eccezionale resistenza chimica e stabilità dimensionale, nonostante sia un polimero amorfo.
Sfide di elaborazione
Quando il Torlon viene lavorato per fusione, la sua elevata temperatura di transizione vetrosa, il flusso non newtoniano in un ampio intervallo di taglio di lavorazione e la sua morfologia amorfa pongono molte sfide significative. Tra i più impegnativi ci sono:
- Finestra di lavorazione ristretta con temperature di lavorazione superiori a 600 F
- Viscosità della massa fusa altamente sensibile alla temperatura e alla velocità di taglio
- Essendo un polimero di policondensazione, il PAI è altamente sensibile all’umidità e deve essere accuratamente asciugato e mantenuto durante la lavorazione della fusione per evitare la degradazione del peso molecolare e delle proprietà termomeccaniche.
- Polimerizzazione termica per 20 o più giorni a 500 F per ottimizzare le proprietà dopo la lavorazione in fusione.
Per ottenere proprietà ottimali, il PAI deve essere lavorato in condizioni strettamente controllate e poi polimerizzato termicamente per aumentare il suo peso molecolare attraverso un ciclo di riscaldamento a tappe fino a 500 F. Il processo di polimerizzazione completa il processo di imidizzazione e aumenta il peso molecolare attraverso la policondensazione. L’acqua è il sottoprodotto della condensazione che deve essere rimosso per far avanzare il MW e la Tg. Poiché la policondensazione è una reazione bidirezionale, è fondamentale rimuovere l’acqua per far avanzare la reazione. Se l’acqua è presente a temperature pari o superiori alla temperatura di transizione vetrosa, possono verificarsi idrolisi e perdita di proprietà.
Negli ultimi 50 anni, aziende specializzate hanno imparato a lavorare il Torlon PAI. Richiede una maggiore esperienza di processo rispetto alla maggior parte dei termoplastici; pertanto, non è stato adottato così ampiamente come altri polimeri ad alte prestazioni come il PEEK. Ingegneri e progettisti hanno tuttavia molte opzioni di conversione per procurarsi componenti in poliammide-immide, sfruttando così l’unicità di questo polimero.
Opzioni di lavorazione dei pezzi
Lavorazione
– I componenti in poliammide possono essere lavorati da forme a design complessi, con tolleranze estremamente strette, a partire da otto gradi unici che vanno dalla poliammide non caricata al PAI rinforzato con fibre di vetro e di carbonio, oltre a gradi a basso attrito e usura. Tolleranze strette e superfici lisce sono caratteristiche del PAI lavorato. La lavorazione è una scelta economicamente vantaggiosa quando le quantità di produzione sono basse e la precisione è elevata, poiché non è necessaria alcuna attrezzatura iniziale. È ideale anche quando il progetto di un componente è ancora in fase di sviluppo. Le forme in stock da lavorare provengono da una serie di metodi di lavorazione della fusione, tra cui l’estrusione, lo stampaggio a compressione e/o lo stampaggio a iniezione.
- L’estrusione offre il miglior equilibrio tra le proprietà del mondo reale.
- Diametri delle aste da .125 a 10 pollici, con lunghezze fino a 8 piedi.
- Tubi con combinazioni di OD/ID da 1″ x .5″ a 7.625″ x 3.5″.
- Piastre con larghezze fino a 14 pollici e spessori fino a 1,75″.
- Forme stampate a compressione – Ideali per anelli di grandi dimensioni (fino a 36 pollici di diametro) e miscele uniche.
- Forme stampate ad iniezione – Ideale per tubi a parete sottile e forme quasi nette (NNS)
Stampaggio a iniezione
– La poliammide-immide Torlon può essere stampata a iniezione fino alla forma finale utilizzando attrezzature di stampaggio convenzionali dotate di riscaldatori ad alta temperatura, di una forza di chiusura sufficiente (quattro tonnellate/in2 di area proiettata del pezzo) e di un cilindro dimensionato in modo appropriato per la ripresa. La vite di iniezione deve essere a bassa compressione con un rapporto di compressione di 1-1,5:1 e i controlli della macchina devono essere in grado di regolare con precisione la velocità di riempimento e la pressione. È necessario utilizzare viti monoblocco; non è possibile utilizzare le punte delle viti della valvola di ritegno. Le macchine idrauliche più vecchie possono trarre vantaggio dalla capacità di iniezione assistita dal gas.
Le caratteristiche di bassa fluidità della poliammide-immide fusa rendono quasi impossibile ottenere la finitura ad alta brillantezza possibile con altri materiali termoplastici. La massa fusa fluisce nella cavità dello stampo sotto forma di “corda” che si fonde durante il ciclo di impaccamento e mantenimento. La finitura superficiale del Torlon stampato è stata spesso paragonata a quella delle fusioni metalliche o addirittura del legno, con confini distinti tra i fronti di fusione adiacenti. L’aspetto è solo in superficie e, una volta lavorato, espone un PAI uniforme e completamente denso sotto la pelle. Inoltre, l’alta viscosità e le caratteristiche di bassa contrazione del PAI fuso rendono difficile lo stampaggio di sezioni sottili (inferiori a 0,030″), soprattutto quando la lunghezza dell’elemento è superiore a 1″. I sottosquadri richiedono azioni laterali e la maggior parte dei pezzi beneficia di materozze, guide e porte di grandi dimensioni e di lunghezza inferiore rispetto ad altri polimeri. Non si possono usare sistemi a canale caldo, ma si possono incorporare materozze calde. Il controllo della temperatura dello stampo è limitato all’utilizzo di circuiti di olio caldo o di resistenze elettriche. Il vapore è usato raramente.
La resina deve essere accuratamente essiccata prima dello stampaggio utilizzando essiccatori con un punto di rugiada di -40°F. I livelli di umidità prima dello stampaggio sono consigliati al di sotto di 500 ppm e si consiglia vivamente di verificarli prima dell’esecuzione.
Prima di poter essere utilizzati o lavorati, i pezzi stampati devono essere polimerizzati. Questo processo di polimerizzazione è fondamentale affinché i pezzi stampati in Torlon sviluppino tutte le proprietà, in particolare la resistenza alla temperatura e la tenacità. Questo ciclo termico varia a seconda della sezione trasversale dei pezzi, ma in genere è compreso tra 17 e 21 giorni. L’importanza del ciclo di cura non può essere sopravvalutata. Il ciclo di polimerizzazione tipico prevede una serie di fasi di 24 ore (5-7) tra 300°F e 485°F prima che i pezzi vengano esposti a 500°F per 10 giorni.
Solvay in genere approva i trasformatori prima di consentire loro di lavorare la poliammide-immide Torlon. I trasformatori certificati di Torlon sono trasformatori controllati da Solvay che hanno dimostrato la capacità di lavorare questo materiale unico. Utilizzano forni programmabili e controllati da PLC e dispongono del know-how necessario per ottenere le proprietà di questo materiale unico.
