Le materie plastiche ad alta resistenza sono sempre più utilizzate in quanto gli ingegneri delle industrie ad alta tecnologia si trovano ad affrontare la duplice sfida di ridurre il peso eliminando i metalli e di prolungare la durata dei componenti che le compongono.
Le applicazioni nelle apparecchiature aerospaziali e spaziali sono oggetto di particolare attenzione, data l’importanza della leggerezza e dell’affidabilità senza compromessi. Nell’industria chimica, petrolifera e del gas, dove i guasti alle apparecchiature comportano costose interruzioni della produzione, la leggerezza e la resistenza ad ambienti operativi fortemente corrosivi sono i principali vantaggi che le materie plastiche ad alta resistenza possono offrire rispetto ai metalli. L’alleggerimento del carico fisico sui componenti accoppiati può anche ridurre l’usura da attrito e prolungare la vita funzionale oltre le capacità anche dei metalli lubrificati.
Torlon PAI ha il più alto rapporto resistenza/peso tra i polimeri lavorabili per fusione
Tra i polimeri termoplastici resistenti e leggeri che possono essere lavorati per fusione mediante stampaggio a iniezione ed estrusione, il PAI Torlon non caricato o “puro” è al primo posto con il più alto rapporto forza-peso. Uno dei vantaggi principali di tutti i Grades è la capacità di mantenere la loro resistenza alle alte temperature che riducono rapidamente le proprietà fisiche di altri polimeri. I diversi gradi di Torlon PAI rinforzati con fibre, cuscinetti e usura aggiungono livelli di resistenza ancora più elevati ai gradi non caricati.
Importanti proprietà meccaniche di Torlon PAI
I vari Grades di Torlon PAI eccellono nelle proprietà chiave che definiscono la resistenza e la rigidità rispetto a PEEK e Ultem PEI, altri due polimeri spesso considerati per queste proprietà (Tabella 1).
Il modulo di flessione del Torlon 4203 non caricato misura 5.030 MPa (730.000 psi), superando di oltre il 35% quello del PEEK non caricato. Nei Grades rinforzati con il 30% di fibra di vetro o di carbonio, i valori PAI del Torlon sono superiori di oltre il 13% rispetto alle formulazioni in PEEK. Rispetto a un altro polimero rinforzato con il 30% di fibra di vetro, il modulo di flessione di Torlon 5030 PAI, pari a 11.700 MPa (1.300.000 psi), supera quello di Ultem 2300 PEI, pari a 9.000 MPa (1.300.000 psi).
La resistenza alla compressione è una proprietà fondamentale per le applicazioni che prevedono carichi puntuali elevati. Confrontando i Grades rinforzati con il vetro al 30%, la resistenza alla compressione di Torlon 5030 è superiore di oltre il 55% rispetto a GF30 PEEK e del 19,5% rispetto a Ultem 2300.
La resistenza alla trazione è un’altra importante proprietà fisica per la quale Torlon PAI, in uno spettro di Grades, mostra prestazioni superiori a PEEK, Ultem PEI e PPS.
Torlon PAI mantiene la resistenza a temperature elevate
Alle alte temperature estreme, Torlon PAI mantiene livelli di resistenza e rigidità superiori alle capacità di altri materiali termoplastici. Questa caratteristica è particolarmente importante per i componenti associati ai motori a reazione, ai sistemi di propulsione dei razzi e ai processi di produzione dei semiconduttori che devono mantenere l’integrità strutturale in ambienti ad alta temperatura.
Nota tecnica: La temperatura di transizione vetrosa (Tg) o punto di rammollimento di un materiale è utile per confrontare il mantenimento della resistenza e della rigidità delle termoplastiche ad alte prestazioni a temperature estreme. La Tg di Torlon PAI è di 280º. C (536° F). A titolo di confronto, la Tg del PEEK è di 150º. C, mentre il grado di PEEK più resistente alle temperature ha una Tg di 170º. C. L’Ultem PEI, un’altra polyimides modificata, ha una Tg di 218º C, ancora molto inferiore a quello di Torlon PAI (Tabella 1).
La resistenza al creep, l'alta Tg e il basso CLTE contribuiscono alla stabilità dimensionale di Torlon PAI
Il Torlon PAI è noto per la sua resistenza al creep, ovvero alla deformazione sotto carico nel tempo, in particolare a temperature molto elevate. Questa caratteristica del materiale può essere messa in relazione con la sua resistenza alla compressione e la sua Tg, altre due proprietà in cui Torlon PAI eccelle. La resistenza allo scorrimento di Torlon PAI è particolarmente vantaggiosa per le applicazioni che devono mantenere la loro resistenza strutturale in presenza di carichi fisici elevati e temperature estreme a lungo termine.
Nota tecnica: Il basso coefficiente di espansione termica lineare di Torlon PAI in tutti i Grades è un vantaggio per le applicazioni esposte a variazioni estreme della temperatura di esercizio. È particolarmente importante per le guarnizioni e i componenti strutturali delle apparecchiature criogeniche per i sistemi di propulsione, dove è necessario mantenere dimensioni precise pur attraversando sbalzi di temperatura estremi.
Torlon PAI ha un'elevata forza e resistenza ai cuscinetti e all'usura
Il Torlon PAI non caricato prodotto da Syensqo (ex Solvay) offre una forza e una resistenza intrinseca all’usura da attrito nei componenti accoppiati. Diversi Grades contengono anche additivi che prolungano la durata dell’usura e aumentano la resistenza meccanica.
Per supportare i clienti su alcuni gradi non più forniti da Syensqo, Drake Plastics compone formulazioni ad alta resistenza per cuscinetti e usura con resina PAI 100% Torlon e le offre come forme lavorabili a magazzino e pezzi stampati a iniezione. Sono basate sui gradi originali di Syensqo e sono state sviluppate in collaborazione con il produttore della resina.
Torlon 4301 PAI è una poliammide-imide ad alto modulo contenente grafite e PTFE per una maggiore resistenza all’usura. Questo grado di Torlon PAI per cuscinetti e usura di uso generale presenta un eccellente equilibrio tra forza e resistenza agli urti. Offre una resistenza all’usura 10 volte superiore rispetto al Torlon 4203 non rinforzato e ha un CLTE che si avvicina a quello di molti metalli.
Torlon 4275 PAI ha una formulazione a base di grafite e PTFE che produce un tasso di usura inferiore a quello di Torlon 4301 PAI nella maggior parte delle condizioni PV. Le sue prestazioni in termini di cuscinetti e di usura rispetto a Torlon 4301 sono particolarmente evidenti con PV elevati, il che lo rende una scelta frequente per le applicazioni ad alta velocità.
Drake 4435 PAI, precedentemente offerto da Syensqo come Torlon 4435 PAI, contiene PTFE e fibra di carbonio grafitata che ne aumenta la resistenza strutturale. Viene spesso richiesto per applicazioni di usura radente. Il grado ad alto modulo presenta una bassa usura nella maggior parte delle condizioni di PV e si comporta molto bene con PV elevati. Il suo tasso di espansione termica (CLTE) è anche il più basso tra i gradi di usura PAI.
Drake 4630 PAI, ex Torlon 4630 PAI, supera tutti gli altri Grades PAI per quanto riguarda la resistenza all’usura nelle applicazioni non lubrificate ad alto PV. La sua combinazione brevettata di grafite e PTFE garantisce l’usura più bassa a velocità superiori a 100 piedi al minuto (FPM) e si comporta bene anche con PV superiori a 150.000 psi-FPM.
Drake 4645 PAI, precedentemente offerto con il nome di Torlon 4645 PAI, si classifica come il grado 4630 per quanto riguarda l’elevata resistenza all’usura, ma è un’opzione particolarmente valida per le applicazioni ad alto PV che vengono lubrificate esternamente per dissipare il calore. Grazie alla sua formulazione proprietaria in fibra di carbonio e PTFE, Drake’s 4645 PAI ha ottenuto buoni risultati con PV di 600.000 psi-FPM.
Resistenza chimica e alle radiazioni di Torlon PAI
Le applicazioni termoplastiche nei settori ad alta tecnologia comportano spesso l’esposizione ad ambienti difficili che possono degradare le proprietà. Torlon PAI ha dimostrato la sua capacità di resistere a molte di queste condizioni.
Le applicazioni includono componenti strutturali, cuscinetti e componenti soggetti a usura per i satelliti spaziali che richiedono un’affidabilità a lungo termine quando sono esposti alle radiazioni. I gradi di Torlon PAI sono anche specificati per i componenti ad alta resistenza esposti al plasma e alle sostanze chimiche nei processi di produzione dei semiconduttori. Le guarnizioni, le sedi delle valvole e i componenti strutturali e di usura simili realizzati in Torlon PAI garantiscono un’affidabilità a lungo termine anche nelle apparecchiature per l’estrazione di petrolio e gas.
Come nel caso di qualsiasi materiale, le variabili applicative come la concentrazione chimica, le temperature e le sollecitazioni dovute ai carichi applicati possono variare notevolmente. Sebbene siano disponibili delle linee guida, è essenziale che le applicazioni con qualsiasi materiale, compreso il PAI di Torlon, vengano testate per convalidare le prestazioni in condizioni d’uso reali.
Applicazioni di Torlon PAI
Una famiglia di Grades PAI di Torlon di Syensqo, leader mondiale nella produzione di resine PAI, offre profili di proprietà unici per diverse applicazioni che devono funzionare a lungo in una varietà di condizioni estreme. Le altissime prestazioni di queste formulazioni hanno portato al loro utilizzo come sostituti dei metalli, soprattutto quando la leggerezza e la longevità in ambienti difficili sono fattori importanti. Lo sviluppo di barre estruse di diametri eccezionalmente grandi, spessori di lastre e combinazioni OD/ID di tubi rigidi senza saldatura da parte di Drake Plastics ha anche ampliato la gamma di applicazioni dei vari gradi di Torlon PAI nelle parti lavorate.
Le principali applicazioni di questo polimero avanzato ad alta resistenza, sia in forme stampate a iniezione che lavorate, includono:
Apparecchiature aerospaziali e per veicoli spaziali
L’ambiente in cui si trovano i componenti delle apparecchiature può variare da condizioni criogeniche a temperature estremamente elevate, oltre a includere sollecitazioni elevate e l’esposizione a fluidi idraulici, carburanti per jet, propellenti per razzi e altre sostanze chimiche corrosive. Torlon PAI ha numerose applicazioni strutturali e per cuscinetti e usura che si comportano bene in queste condizioni, tra cui cuscinetti, boccole, guarnizioni e dispositivi di fissaggio.
Produzione di semiconduttori e apparecchiature di test
Le applicazioni in questo settore traggono vantaggio dalla stabilità dimensionale, dalla resistenza alla compressione, dalla resistenza agli agenti chimici di processo e al plasma e dal mantenimento della resistenza alle alte temperature di Torlon PAI. I vari gradi di polimero ad altissime prestazioni, rinforzati con fibre e non, eliminano inoltre il rischio di contaminazione metallica. Le applicazioni tipiche includono zoccoli di prova, sonde di camera, strumenti di manipolazione dei wafer e dispositivi.
Attrezzature per il petrolio e il gas
Torlon PAI si comporta bene nell’ambiente caldo, corrosivo e ad alta pressione del down-hole, dove una maggiore durata funzionale dei componenti si traduce in una maggiore produttività grazie alla riduzione delle interruzioni per riparazioni e sostituzioni. La gamma di applicazioni di Torlon PAI in questo ambiente di servizio severo include componenti strutturali, guarnizioni e sedi di valvole e una serie di altri cuscinetti e componenti soggetti a usura.
Torlon PAI può essere lavorato o stampato a iniezione
Grazie alla loro disponibilità in resina pellettizzata e in un’ampia gamma di forme e dimensioni, i Grades PAI di Torlon possono essere convertiti in una gamma illimitata di configurazioni di componenti.
Lo sviluppo da parte di Drake Plastics di barre estruse di diametri eccezionalmente grandi, spessori di lastre e combinazioni OD/ID di tubi rigidi senza saldatura ha anche ampliato la gamma di applicazioni dei vari gradi di Torlon PAI nelle parti lavorate.
Lo stampaggio a iniezione è in genere più pratico per la produzione di alti volumi. La lavorazione di forme in stock permette di ottenere una maggiore complessità e tolleranze più precise. È anche adatta a volumi di produzione che non giustificano l’investimento in utensili per lo stampaggio a iniezione. Senza la necessità di cambiare gli utensili, è possibile lavorare in tempi brevi anche i prototipi per testare le modifiche al progetto. Inoltre, la post-lavorazione dei pezzi stampati a iniezione può aggiungere caratteristiche troppo complesse da realizzare con gli stampi a iniezione.
Entrambi i metodi di produzione, in combinazione con le proprietà del PAI di Torlon, possono dare vita a parti di precisione complesse con una resistenza che rivaleggia con quella di alcuni metalli. Ogni metodo ha le sue caratteristiche specifiche:
Efficienza: Con lo stampaggio a iniezione, le caratteristiche del progetto sono integrate negli stampi. I pezzi espulsi dallo stampo di solito richiedono poche o nessuna operazione secondaria. La lavorazione CNC ad alta velocità di un pezzo avviene automaticamente in più fasi. Tuttavia, per quantità di produzione adeguate o per motivi di complessità del pezzo, la lavorazione può essere un metodo di produzione più conveniente rispetto all’investimento richiesto per l’attrezzaggio dello stampaggio a iniezione.
Lo stampaggio a iniezione minimizza anche il consumo di materiale per pezzo rispetto alla lavorazione. La perdita di materiale nella lavorazione, tuttavia, può essere ridotta al minimo utilizzando una dimensione efficiente della forma del magazzino rispetto alla configurazione del pezzo finito.
Ad esempio, Drake Plastics produce pezzi in Torlon PAI mediante stampaggio a iniezione e lavorazione. L’azienda massimizza l’efficienza dei materiali nella lavorazione per le proprie attività e per quelle dei clienti, estrudendo una gamma eccezionalmente ampia di dimensioni di barre, Plate e tubi rigidi in Torlon PAI. Offre anche dimensioni personalizzate. Questa capacità aiuta a bilanciare i costi tra lo stampaggio a iniezione e la lavorazione e può rinviare o annullare la necessità di investire in stampi a iniezione di produzione.
I pezzi hanno tolleranze costantemente precise e qualità ripetibile
Lo stampaggio a iniezione e la lavorazione meccanica consentono di ottenere componenti in tutti i Grades di Torlon PAI con dimensioni costanti e tolleranze precise. La lavorazione meccanica è in vantaggio per quanto riguarda le tolleranze di precisione che si possono ottenere. In alcuni casi, la lavorazione meccanica viene utilizzata anche per aggiungere caratteristiche di precisione a un pezzo stampato.
La progettazione dello stampo può aggiungere caratteristiche che facilitano la sostituzione del metallo
Con un costruttore di stampi capace, è possibile progettare utensili per inserti stampati e altre caratteristiche che aggiungono struttura e funzionalità ai componenti in PAI di Torlon. Le stesse caratteristiche possono essere aggiunte ai pezzi lavorati in post-produzione. In entrambi i casi, queste caratteristiche aggiunte aiutano a ottenere pezzi più leggeri e resistenti all’usura e all’ambiente di Torlon PAI rispetto ai metalli, senza compromettere la resistenza strutturale richiesta.
Torlon PAI offre molteplici vantaggi in termini di prestazioni per applicazioni ad alta resistenza
I Grades PAI di Torlon combinano un’elevata resistenza con la stabilità dimensionale, le proprietà dei cuscinetti e dell’usura e la resistenza ambientale a temperature che vanno oltre le capacità di altri materiali termoplastici. Disponibile sotto forma di pellet per lo stampaggio a iniezione e di forme lavorabili, questo polimero ad altissime prestazioni può essere trasformato in configurazioni di pezzi virtualmente illimitate. Le sue caratteristiche lo hanno portato a essere indicato per componenti che devono funzionare in modo affidabile e duraturo in condizioni estreme.
Il PAI di Torlon presenta una maggiore rigidità strutturale nei gradi non caricati e in quelli rinforzati con fibre, misurata dal modulo di flessione di tutti e tre i materiali.
La Tg è la temperatura alla quale un materiale si ammorbidisce. È particolarmente importante per i componenti strutturali che sono esposti a temperature elevate anche per brevi periodi. La Tg di Torlon PAI è più alta di qualsiasi altra termoplastica lavorabile per fusione.
Drake compone alcuni gradi di PAI utilizzando il 100% di resina Torlon in base a un accordo con Syensqo, il produttore di resina PAI. Questo permette ai clienti di mantenere la disponibilità dei gradi di resina PAI speciali dopo che Syensqo ne ha interrotto la produzione.
Grazie alla sua resistenza alle radiazioni e alle sue prestazioni a temperature criogeniche e molto elevate, Torlon PAI è già stato utilizzato con successo nei sistemi di telescopi per lo spazio profondo e nelle apparecchiature di propulsione per satelliti e razzi.
Le forme a stock in gradi non caricati, con cuscinetti e rinforzati con fibre e usura, realizzati con resine Torlon al 100%, sono disponibili con i marchi Torlon PAI e Drake PAI. Drake Plastics è un estrusore di polimeri avanzati leader nel settore che dispone di numerosi formati di barre e piastre e di Seamless Tube® in molte combinazioni OD/ID.