Solfuro di polifenilene (PPS) Panoramica
Il solfuro di polifenilene, comunemente chiamato PPS, è un materiale termoplastico semicristallino con una struttura polimerica che gli conferisce un notevole grado di resistenza chimica. In effetti, non esistono solventi noti per questa termoplastica ad alte prestazioni al di sotto dei 392°F (200°C). Altre caratteristiche degne di nota sono la resistenza alla fiamma, le proprietà elettriche e l’elevata resistenza meccanica. La maggior parte dei gradi commerciali di PPS raggiunge la classificazione di infiammabilità UL 94 V-0 senza additivi ritardanti di fiamma.
Mentre il polimero PPS non modificato presenta buone prestazioni generali, l’aggiunta di fibre di rinforzo ne aumenta significativamente la tenacità e le proprietà strutturali e termiche. Un aumento di due volte della temperatura di deflessione termica e un modulo di flessione più che triplicato sono le ragioni principali del maggiore utilizzo del PPS rinforzato con il 40% di fibra di vetro rispetto ai gradi non caricati per le parti stampate e lavorate che sopportano il carico, esposte a condizioni termiche elevate.
Resina PPS Fornitori, gradi
Il PPS è stato sviluppato e commercializzato da Phillips Petroleum con il marchio Rytonâ nel 1972 ed è stato considerato il termoplastico tecnico originale ad alte prestazioni. L’acquisizione da parte di Solvay del settore PPS da Chevron Phillips ha ampliato il portafoglio di polimeri dell’azienda con un’ampia famiglia di gradi Ryton® PPS che comprende formulazioni con rinforzo in fibra di vetro e carbonio e altri additivi per migliorare le prestazioni. Il più comune dei gradi Ryton è il Ryton R-4 PPS rinforzato al 40% con fibre di vetro.
La varietà di gradi di PPS disponibili a livello globale è aumentata in modo significativo da quando il polimero è stato sviluppato e commercializzato. Sono state sviluppate formulazioni di resine con caratteristiche di fusione adatte allo stampaggio a iniezione, al soffiaggio, al rivestimento in polvere e all’estrusione. Le modifiche ai prodotti in PPS che consentono di migliorare le prestazioni rispetto alle proprietà del polimero PPS non caricato includono l’aggiunta di rinforzi in vetro e minerali per una maggiore resistenza e di additivi antiusura.
Oggi Solvay continua a essere uno dei principali fornitori mondiali di resine e compound di PPS per lostampaggio a iniezione e l’estrusione. La sua gamma di prodotti comprende gradi non caricati e diverse formulazioni rinforzate con fibre di vetro e combinazioni di fibre minerali e di vetro.
Celanese, un altro produttore mondiale di polimeri ad alte prestazioni, offre diversi gradi di solfuro di polifenilene con il marchio Forton®. La sua linea di prodotti comprende gradi non caricati, rinforzati con fibre di vetro e minerali e altre formulazioni per migliorare le proprietà specifiche del polimero PPS di base. Oltre ai materiali PPS con prestazioni migliorate, la linea di prodotti Fortron comprende anche gradi sviluppati per lo stampaggio a iniezione, l’estrusione e altri processi di fusione.
Altri fornitori globali di resine PPS, come Toray, offrono una varietà di gradi di solfuro di polifenilene destinati principalmente allo stampaggio a iniezione di applicazioni industriali, automobilistiche ed elettriche in grandi volumi.
Sviluppo da parte di Drake di forme di stock lavorabili in Ryton R-4 PPS
Il Ryton R-4 rinforzato con il 40% di vetro di Solvay è stato un cavallo di battaglia dominante tra i materiali tecnici PPS, servendo innumerevoli applicazioni in una vasta gamma di settori per cinque decenni. Tuttavia, per la maggior parte della sua storia, l’uso principale è stato quello di pezzi stampati a iniezione. Il suo potenziale era molto più limitato nelle applicazioni di lavorazione in cui le configurazioni dei pezzi erano troppo complesse o le cui quantità erano troppo ridotte per gli investimenti in utensili per lo stampaggio a iniezione. Il fattore limitante è stato la mancanza di forme lavorabili di alta qualità, che presentassero le certificazioni di resina per i pezzi lavorati e i prototipi richiesti da molte industrie.
Per soddisfare questa esigenza, Drake ha investito nella tecnologia per produrre Ryton R-4 PPS rinforzato con il 40% di vetro in un’ampia gamma di dimensioni di barre e piastre lavorabili. Poiché le forme di Ryton R-4 PPS di Drake sono estruse da resina Ryton R-4 240 vergine al 100%, le proprietà del materiale sono a un livello ottimale e sono disponibili certificazioni del materiale secondo ASTM D-4067 PPS 000G40 e ASTM D-6358 PPS 011G40.
Le miscele di PPS caricate con fibre di vetro sono comunemente offerte sotto forma di forme stampate a compressione o di barre estruse. La polvere di PPS viene miscelata con fibre di vetro corte all’interno dell’azienda. Le fibre corte sono utilizzate per evitare l’accorpamento delle fibre e gli agglomerati di vetro nella miscela. Queste fibre corte fungono più da riempitivo rispetto al rinforzo che le fibre lunghe apportano. La miscela PPS-fibra di vetro viene quindi riscaldata vicino al punto di fusione del PPS (545⁰F/ 285⁰C). Sottoposta ad alta pressione, la miscela di fibre di vetro e polveri viene consolidata e fusa nella forma desiderata.
Poiché la materia prima del PPS utilizzata nello stampaggio a compressione e nell’estrusione a ram è una miscela di polveri variabili, non può essere certificata come tale secondo gli standard ASTM per la resina PPS. Inoltre, le miscele di polveri e fibre di vetro corte non soddisferebbero probabilmente i requisiti di proprietà ASTM per il PPS rinforzato con il 40% di vetro.
Un punto debole caratteristico dell’asta estrusa è il basso allungamento. Il processo tende a formare stratificazioni di “fiches” tra ogni ciclo di pressatura, poiché viene aggiunta altra miscela di polveri e premuta contro il materiale solidificato precedente. L’effetto è evidente quando si flette un’asta estrusa in forma circolare. In genere si rompe lungo una stratificazione e ne espone altre.
Oltre allo svantaggio delle lunghezze ridotte, il processo di stampaggio a compressione è soggetto a variazioni che portano a qualità e proprietà fisiche incoerenti. Tra questi, le discrepanze nei rapporti di miscela, la miscelazione non uniforme, i problemi di essiccazione e di controllo dell’umidità, l’intrappolamento dell’aria e il controllo impreciso di pressioni e temperature. Inoltre, data la bassa conducibilità termica intrinseca dei polimeri e la bassa densità di massa delle miscele polvere-fibra di vetro, il riscaldamento alle temperature di stampaggio richiede spesso lunghi cicli termici che possono degradare il polimero PPS. Questo vale soprattutto per la produzione di formati più grandi. Inoltre, le variazioni delle pressioni di formatura dovute alle perdite per attrito lungo la parete laterale dello stampo spesso producono forme stampate a compressione con densità e proprietà fisiche diverse nella sezione superiore e inferiore rispetto a quella centrale.
L’estrusione per fusione, invece, è un processo continuo che utilizza la resina Ryton R-4 precomposta uniformemente e rinforzata al 40% con fibre di vetro, testata e certificata in forma di pellet. I pellet vengono fusi uniformemente nel cilindro dell’estrusore. In base alle rigide condizioni di Drake per il controllo della pressione interna e della velocità di uscita, la vite dell’estrusore sposta il Ryton R-4 PPS fuso attraverso una matrice nella forma desiderata. La forma estrusa viene quindi solidificata in modo uniforme in condizioni di raffreddamento strettamente controllate che riducono al minimo le sollecitazioni interne.
Le forme di stock di Ryton R-4 PPS prodotte dal processo di estrusione di Drake presentano proprietà costanti e lavorabilità uniforme su tutta la sezione trasversale e da dimensione a dimensione.
Profilo prestazionale di Ryton R-4 PPS
Alta resistenza
Una delle caratteristiche più impressionanti del Ryton R-4 rinforzato con il 40% di fibra di vetro rispetto ai gradi di PPS non caricati è la sua resistenza strutturale eccezionalmente elevata. In base ai valori delle proprietà ricavati dalle forme di stock Drake Ryton R-4 estruse, il rinforzo in fibra di vetro di Ryton R-4 240 PPS aumenta il modulo di flessione di questo polimero ad altissime prestazioni di quasi quattro volte rispetto al grado non rinforzato.
Anche per quanto riguarda le proprietà di resistenza, il prodotto è paragonabile ad altri materiali termoplastici ad altissime prestazioni. Nei test fisici condotti da Solvay, il produttore della resina Ryton PPS, il modulo di flessione di Ryton R-4 240 PPS è superiore del 30% rispetto al KetaSpire PEEK rinforzato con vetro di Solvay a temperatura ambiente. Questa elevata resistenza, unita all’intrinseca resistenza chimica e termica di Ryton R-4, ha portato all’uso estensivo di questo materiale ad alte prestazioni per componenti lavorati e stampati a iniezione, come le guide delle aste e i componenti delle pompe nelle apparecchiature dell’industria petrolifera e del gas.
Resistenza alla temperatura
Il PPS non caricato ha una temperatura di distorsione termica e un punto di rammollimento relativamente bassi. Questi fattori limitano l’uso del materiale in molte applicazioni di servizio severe che richiedono resistenza strutturale ad alte temperature. Il 40% di rinforzo in fibra di vetro nel PPS Ryton R-4, tuttavia, migliora significativamente le proprietà termiche del polimero e apre i vantaggi intrinseci di questo termoplastico ad altissime prestazioni a una gamma molto più ampia di applicazioni.
Le proprietà della scheda tecnica mostrano che la temperatura di distorsione termica (HDT) della resina Ryton R-4 misura ben 509°F (265°C) rispetto al PPS non caricato a 203°F (95°C). È importante notare che l’HDT deriva da campioni stampati con le fibre orientate in modo ottimale per le prove. I pezzi stampati a iniezione o lavorati a partire da forme di stock non raggiungeranno probabilmente questo risultato ottimale. Tuttavia, l’elevato HDT colloca Ryton R-4 PPS in una classe di prestazioni con molti altri materiali termoplastici ad altissime prestazioni da utilizzare nei connettori elettrici, nei componenti dei motori automobilistici e nelle applicazioni di estrazione del petrolio e del gas esposte a lunghi periodi di temperature elevate sotto carico statico.
Resistenza chimica
Il PPS vanta uno straordinario livello di resistenza chimica tra i materiali ad altissime prestazioni: non viene intaccato da alcun solvente conosciuto a temperature inferiori a 392°F (200°C).
Insieme all’elevata resistenza a temperature elevate, questo attributo intrinseco del PPS consente agli ingegneri di progettare componenti stampati a iniezione ed estrusi in grado di mantenere un’integrità strutturale e una funzionalità affidabili negli ambienti operativi estremi delle apparecchiature di lavorazione chimica e di estrazione di petrolio e gas.
Proprietà elettriche, valori di infiammabilità
Le proprietà dielettriche di Ryton R-4 e di altri gradi di PPS sono tra le migliori dei polimeri resistenti a temperature estreme. Il materiale ad alte prestazioni ha una rigidità dielettrica di 22kV/mm, una bassa costante dielettrica di 3,90 a 25°C e 1kHz e un basso fattore di dissipazione in una gamma di temperature e frequenze.
Questo profilo di proprietà elettriche, unito alle classificazioni di infiammabilità UL 94 V-0 e 5VA, è alla base del suo impiego nei connettori elettrici e nei corpi dei connettori stampati a iniezione e lavorati con precisione, utilizzati in applicazioni che vanno dai sottomarini nucleari ai componenti dell’industria petrolifera e del gas.
Applicazioni tipiche di Ryton R-4 PPS
L’impressionante equilibrio complessivo di resistenza strutturale alle alte temperature, le eccellenti proprietà elettriche, le valutazioni di infiammabilità e la resistenza chimica hanno portato a innumerevoli applicazioni di stampaggio a iniezione per Ryton R-4 PPS. Lo sviluppo da parte di Drake Plastics di forme a stock dimensionalmente stabili e affidabili in una gamma di dimensioni ha aperto l’affidabilità a lungo termine del materiale in condizioni di utilizzo finale aggressive anche ai componenti lavorati con precisione. Questi sono esempi dei numerosi componenti in PPS Ryton R-4 che Drake Plastics produce mediante stampaggio a iniezione e lavorazione CNC di precisione:
- Innumerevoli applicazioni in cui i requisiti chiave sono l’elevata resistenza, l’impermeabilità all’umidità e agli agenti chimici e l’eccezionale isolamento elettrico a un costo ragionevole.
- Gli isolatori per torce al plasma lavorati con le barre di Ryton R-4 PPS di Drake si basano sull’elevata resistenza strutturale e sulla stabilità del materiale in caso di picchi estremi delle temperature di esercizio.
- I connettori e gli isolatori elettrici per navi e pozzi sfruttano le proprietà di isolamento elettrico e termico di Ryton R-4 PPS, la resistenza chimica e la classificazione di infiammabilità UL.
- Le sedi delle valvole e gli anelli di tenuta in Ryton R-4 hanno la stabilità dimensionale e la resistenza necessarie per resistere a carichi statici e temperature elevate negli ambienti di perforazione.
