Sulfuro de polifenileno (PPS) Visión general
El sulfuro de polifenileno, comúnmente conocido como PPS, es un termoplástico semicristalino con una estructura polimérica que le confiere un notable grado de resistencia química. De hecho, no se conocen disolventes para este termoplástico de alto rendimiento por debajo de los 392°F (200°C). Otros atributos notables son su resistencia inherente a la llama, sus propiedades eléctricas y su alta resistencia mecánica. La mayoría de los grados comerciales de PPS alcanzan una clasificación de inflamabilidad UL 94 V-0 sin aditivos ignífugos.
Mientras que el polímero PPS sin modificar presenta un buen rendimiento general, la adición del refuerzo de fibra aumenta significativamente su tenacidad y sus propiedades estructurales y térmicas. Un aumento del doble de la temperatura de deflexión por calor y más del triple del módulo de flexión son las principales razones por las que se utiliza mucho más el PPS reforzado con un 40% de fibra de vidrio que los grados sin relleno para las piezas moldeadas y mecanizadas que soportan cargas y están expuestas a condiciones térmicas más elevadas.
Proveedores de resina de PPS, grados
El PPS fue desarrollado y comercializado por Phillips Petroleum bajo la marca Rytonâ en 1972 y fue considerado el termoplástico original de ingeniería de alto rendimiento. La adquisición por parte de Solvay del negocio de PPS de Chevron Phillips amplió la cartera de polímeros de la empresa con una amplia familia de grados de PPS Ryton® que incluía formulaciones con refuerzo de fibra de vidrio y carbono y otros aditivos para mejorar el rendimiento. El más común de los grados de Ryton es el Ryton R-4 PPS reforzado con un 40% de fibra de vidrio.
La variedad de grados de PPS disponibles en todo el mundo ha aumentado considerablemente desde el desarrollo y la comercialización del polímero. Se han desarrollado formulaciones de resina con características de procesamiento de la masa fundida adaptadas para el procesamiento por moldeo por inyección, moldeo por soplado, recubrimiento de polvo y extrusión. Las modificaciones de los productos de PPS que permiten mejorar el rendimiento más allá de las propiedades del polímero PPS sin relleno incluyen la adición de refuerzos de vidrio y minerales para una mayor resistencia y aditivos resistentes al desgaste.
En la actualidad, Solvay sigue siendo uno de los principales proveedores mundiales de resinas y compuestos de PPS para elmoldeo por inyección y la extrusión. Su gama de productos incluye grados sin relleno y varias formulaciones reforzadas con fibras de vidrio y combinaciones de fibras minerales y de vidrio.
Celanese, otro productor mundial de polímeros de alto rendimiento, ofrece varios grados de sulfuro de polifenileno bajo la marca Forton®. Su línea de productos abarca grados sin relleno, reforzados con fibra de vidrio y minerales y otras formulaciones para mejorar las propiedades específicas del polímero básico PPS. Además de los materiales de PPS de mayor rendimiento, la línea de productos de resina Fortron también incluye grados desarrollados para el moldeo por inyección, la extrusión y otros procesos de fusión.
Otros proveedores mundiales de resina de PPS, como Toray, ofrecen una variedad de grados de sulfuro de polifenileno principalmente para el moldeo por inyección de aplicaciones industriales, automovilísticas y eléctricas de gran volumen.
Desarrollo de Drake de las formas de stock mecanizables de Ryton R-4 PPS
El Ryton R-4 de Solvay, reforzado con un 40% de vidrio, ha sido un caballo de batalla dominante entre los materiales de ingeniería de PPS, sirviendo a innumerables aplicaciones en una amplia gama de industrias durante cinco décadas. Sin embargo, durante la mayor parte de su historia, su uso principal ha sido el de las piezas moldeadas por inyección. Su potencial era mucho más limitado en aplicaciones de mecanizado en las que las configuraciones de las piezas eran demasiado complejas o cuyas cantidades eran demasiado pequeñas para las inversiones en herramientas de moldeo por inyección. El factor limitante había sido la falta de formas de stock mecanizables de alta calidad que tuvieran las certificaciones de resina para las piezas mecanizadas y los prototipos requeridos por muchas industrias.
Para cubrir esta necesidad, Drake invirtió en la tecnología para producir PPS Ryton R-4 reforzado con vidrio en una amplia gama de tamaños de varillas y placas mecanizables. Dado que las formas de PPS Ryton R-4 de Drake se extruyen a partir de resina Ryton R-4 240 100% virgen, las propiedades del material se encuentran en un nivel óptimo, y se dispone de certificaciones de material según ASTM D-4067 PPS 000G40 y ASTM D-6358 PPS 011G40.
Las mezclas de PPS rellenas de fibra de vidrio se ofrecen comúnmente en forma de formas moldeadas por compresión o de varillas extruidas por el pistón. El polvo de PPS se mezcla con fibras de vidrio cortas en la empresa. Las fibras cortas se utilizan para evitar la agrupación de fibras y las aglomeraciones de vidrio en la mezcla. Estas fibras cortas actúan más como relleno que el refuerzo que aportan las fibras largas. A continuación, la mezcla de PPS y fibra de vidrio se calienta cerca del punto de fusión del PPS (545⁰F/ 285⁰C). Bajo alta presión, la mezcla de fibra de vidrio y polvo se consolida y funde en la forma deseada.
Dado que la forma de la materia prima del PPS utilizada en el moldeo por compresión y en la extrusión de ariete es una mezcla de polvo variable, no puede certificarse como tal según las normas ASTM para la resina de PPS. Además, es probable que las mezclas de polvo y fibra de vidrio corta no cumplan los requisitos de propiedades de la ASTM para el PPS reforzado con vidrio en un 40%.
Un punto débil característico de la varilla extruida de carnero es el bajo alargamiento. El proceso tiende a formar estratificaciones de «fichas de póquer» entre cada ciclo de prensado, ya que se añade más mezcla de polvo y se presiona contra el material solidificado que hay delante. El efecto es evidente cuando se flexiona una varilla extruida de carnero en forma circular. Por lo general, se romperá a lo largo de una estratificación y expondrá otras.
Además del inconveniente de las longitudes cortas, el proceso de moldeo por compresión es propenso a las variaciones que conducen a una calidad y propiedades físicas inconsistentes. Entre ellos se encuentran las discrepancias en la proporción de las mezclas, la falta de uniformidad en el mezclado, los problemas de secado y control de la humedad, el atrapamiento de aire y el control inexacto de las presiones y las temperaturas. Además, dada la baja conductividad térmica inherente a los polímeros y la baja densidad aparente de las mezclas de polvo y fibra de vidrio, calentarlas hasta sus temperaturas de moldeo suele requerir largos ciclos térmicos que pueden degradar el polímero PPS. Esto es especialmente cierto cuando se producen tamaños más grandes. Además, las variaciones en las presiones de conformación debidas a las pérdidas por fricción a lo largo de la pared lateral del molde suelen dar lugar a formas moldeadas por compresión con diferentes densidades y propiedades físicas en la parte superior e inferior frente a la sección central.
Por el contrario, la extrusión de la masa fundida es un proceso continuo que utiliza la resina Ryton R-4 precompuesta de manera uniforme y reforzada con un 40% de fibra de vidrio, que ha sido probada y certificada en forma de gránulos. Los gránulos se funden uniformemente en el barril de la extrusora. Bajo las rígidas condiciones de Drake para controlar la presión interna y la velocidad de salida, el tornillo de la extrusora mueve el Ryton R-4 PPS fundido a través de una matriz con la forma deseada. A continuación, la forma extruida se solidifica uniformemente en condiciones de enfriamiento muy controladas que minimizan las tensiones internas.
Las formas resultantes del stock de PPS Ryton R-4 producidas por el proceso de extrusión de Drake presentan propiedades consistentes y una maquinabilidad uniforme en toda la sección transversal y de un tamaño a otro.
Perfil de rendimiento de Ryton R-4 PPS
Alta resistencia
Una de las características más impresionantes del Ryton R-4 reforzado con un 40% de fibra de vidrio en comparación con los grados de PPS sin relleno es su resistencia estructural excepcionalmente alta. Basado en los valores de las propiedades tomadas de las formas de stock de Drake Ryton R-4, el refuerzo de fibra de vidrio en Ryton R-4 240 PPS aumenta el módulo de flexión de este polímero de ultra alto rendimiento casi cuatro veces sobre el grado no reforzado.
También se compara de manera impresionante con otros termoplásticos de ultra alto rendimiento en cuanto a propiedades de resistencia. En las pruebas físicas realizadas por Solvay, el productor de la resina Ryton PPS, el módulo de flexión de Ryton R-4 240 PPS mide un 30% más que el KetaSpire PEEK reforzado con vidrio de Solvay a temperatura ambiente. Esta alta resistencia, junto con la resistencia inherente a los productos químicos y a la temperatura del Ryton R-4, ha conducido a un amplio uso de este material de alto rendimiento para componentes mecanizados y moldeados por inyección, como guías de varillas y componentes de bombas en equipos de la industria del petróleo y el gas de fondo.
Resistencia a la temperatura
El PPS sin relleno tiene una temperatura de distorsión térmica y un punto de reblandecimiento relativamente bajos. Estos factores restringen el uso del material en muchas aplicaciones de servicio severo que requieren resistencia estructural a altas temperaturas. Sin embargo, el 40% de refuerzo de fibra de vidrio en el Ryton R-4 PPS mejora significativamente las propiedades térmicas del polímero y abre las ventajas inherentes de este termoplástico de ultra alto rendimiento a una gama mucho más amplia de aplicaciones.
Las propiedades de la hoja de datos muestran que la temperatura de distorsión térmica (HDT) de la resina Ryton R-4 mide unos impresionantes 265°C (509°F) frente al PPS sin relleno a 95°C (203°F). Es importante tener en cuenta que el HDT se deriva de muestras moldeadas con las fibras orientadas de forma óptima para la prueba. Las piezas reales moldeadas por inyección o las piezas mecanizadas a partir de formas de stock no conseguirán probablemente este mejor resultado posible. No obstante, un alto HDT sitúa al Ryton R-4 PPS en una clase de rendimiento con varios otros termoplásticos de ultra alto rendimiento para su uso en conectores eléctricos, componentes de motores de automoción y aplicaciones de petróleo y gas de fondo de pozo expuestas a periodos prolongados de altas temperaturas bajo carga estática.
Resistencia química
El PPS posee un nivel extraordinario de resistencia química entre los materiales de ultra altas prestaciones: no se ve afectado por ningún disolvente conocido a temperaturas inferiores a 200°C (392°F).
Junto con su alta resistencia a temperaturas elevadas, este atributo inherente del PPS permite a los ingenieros diseñar componentes moldeados por inyección y extruidos que mantendrán una integridad estructural y una funcionalidad fiables en los entornos operativos extremos de los equipos de procesamiento químico y de perforación de petróleo y gas.
Propiedades eléctricas, grados de inflamabilidad
Las propiedades dieléctricas de Ryton R-4 y otros grados de PPS se encuentran entre las mejores de los polímeros resistentes a temperaturas extremas. El material de alto rendimiento tiene una rigidez dieléctrica de 22 kV/mm, una baja constante dieléctrica de 3,90 a 25 °C y 1 kHz, y un bajo factor de disipación en toda una gama de temperaturas y frecuencias.
Este perfil de propiedades eléctricas, combinado con sus clasificaciones de inflamabilidad UL 94 V-0 y 5VA, son los responsables de su uso en conectores eléctricos moldeados por inyección y mecanizados de precisión y en cuerpos de conectores utilizados en aplicaciones que van desde los submarinos nucleares hasta los componentes utilizados en la industria del petróleo y el gas.
Aplicaciones típicas de Ryton R-4 PPS
El impresionante equilibrio global de la resistencia estructural a altas temperaturas, las excelentes propiedades eléctricas, los índices de inflamabilidad y su resistencia química han dado lugar a innumerables aplicaciones de moldeo por inyección para el PPS Ryton R-4. El desarrollo por parte de Drake Plastics de formas de stock dimensionalmente estables y fiables en una gama de tamaños ha abierto la fiabilidad a largo plazo del material en condiciones de uso final agresivas a los componentes mecanizados de precisión también. Estos son ejemplos de los muchos componentes de Ryton R-4 PPS que Drake Plastics produce mediante moldeo por inyección y mecanizado de precisión por CNC:
- Innumerables aplicaciones en las que los requisitos clave incluyen una alta resistencia, a prueba de humedad y productos químicos con un excelente aislamiento eléctrico a un coste razonable.
- Los aisladores de antorcha de plasma mecanizados con varilla de PPS Ryton R-4 de Drake se basan en la alta resistencia estructural del material y en su estabilidad ante picos extremos de temperaturas de funcionamiento.
- Los conectores y aislantes eléctricos para barcos y para el fondo del pozo aprovechan las propiedades de aislamiento eléctrico y térmico del Ryton R-4 PPS, su resistencia química y su clasificación de inflamabilidad UL.
- Los asientos de válvula y los anillos de sellado fabricados con Ryton R-4 tienen la estabilidad dimensional y la resistencia necesarias para soportar altas cargas estáticas y temperaturas en entornos de fondo de pozo.
