Las poliamidas-imidas (PAI) son polímeros de alto rendimiento que combinan una excelente resistencia a las altas temperaturas con la tenacidad y la resistencia al impacto a bajas temperaturas, al tiempo que ofrecen una excepcional resistencia química como polímero amorfo a una amplia gama de productos químicos comunes. Están estrechamente relacionados con otros dos polímeros de imidas aromáticas de alta temperatura, las polieterimidas (PEI) y las poliimidas (PI). El polímero de poliamida-imida más reconocido es el Torlon, que fue introducido en los años 70 por Amoco como una extensión de un polímero de bajo peso molecular que se ofrecía para mejorar la adherencia del fluoropolímero en utensilios de cocina como Silverstone® y como revestimiento de cables. Las poliamidas-imidas son termoplásticas y pueden ser procesadas por fusión y recicladas como el PEI, pero ofrecen mayor fuerza, rigidez y resistencia al desgaste. A diferencia del PI, que no puede procesarse por fusión como los termoplásticos, los PAI ofrecen la flexibilidad del procesamiento por fusión con un mejor equilibrio de fuerza, rigidez y resistencia al desgaste, que se maximiza mediante un curado térmico secundario. El PAI ofrece una mayor resistencia a 400 °F que la mayoría de los demás termoplásticos, incluido el PEEK, a temperatura ambiente, además de un coeficiente de expansión térmica lineal (CLTE) similar al del aluminio. Este conjunto único de propiedades, junto con la capacidad de procesamiento de la masa fundida, lo convierten en un producto perfecto para varias industrias exigentes, entre ellas:
En estas industrias, el Torlon cumple muchas funciones, ya que su procesabilidad por fusión ofrece a los fabricantes opciones de conversión para producir formas intrincadas de altas tolerancias.
Un termoplástico amorfo
La poliamida-imida (PAI) es un termoplástico amorfo y opaco que puede procesarse por fusión mediante técnicas convencionales de moldeo por inyección, extrusión o compresión. Solvay Specialty Polymers es el líder mundial en la fabricación de resina PAI bajo la denominación comercial Torlon, con menos de 100 empresas en todo el mundo que la convierten en diversas piezas. Las formas extruidas son producidas por Drake Plastics y Mitsubishi Chemical, que suministran varillas, placas, tubos y perfiles que se mecanizan en piezas acabadas. Menos de cinco empresas de todo el mundo moldean por compresión el Torlon en formas muy grandes que se utilizan como juntas para grandes turbocompresores. El Torlon ocupa la posición más destacada en la industria de los termoplásticos gracias a su equilibrio entre rigidez, tenacidad, resistencia y propiedades térmicas, al tiempo que ofrece una extraordinaria resistencia química y estabilidad dimensional, a pesar de ser un polímero amorfo.
Desafíos de procesamiento
Cuando el Torlon se procesa por fusión, su alta temperatura de transición vítrea, su flujo no newtoniano en un amplio rango de cizallamiento de procesamiento y su morfología amorfa plantean muchos desafíos importantes. Entre los más desafiantes están:
- Ventana de procesamiento estrecha con temperaturas de procesamiento superiores a 600 F
- Viscosidad de fusión muy sensible a la temperatura y a la velocidad de cizallamiento
- Al ser un polímero de policondensación, la PAI es muy sensible a la humedad y debe secarse a fondo y mantenerse durante el proceso de fusión para evitar la degradación del peso molecular y de las propiedades termomecánicas
- Curado térmico durante 20 o más días a 500 F para optimizar las propiedades después del procesamiento de la fusión
Para conseguir unas propiedades óptimas, la PAI debe procesarse en condiciones estrictamente controladas y, a continuación, curarse térmicamente para aumentar su peso molecular mediante un ciclo de calor por etapas de hasta 500 F. El proceso de curado completa el proceso de imidización y aumenta el peso molecular mediante la policondensación. El agua es el subproducto de la condensación que debe ser eliminado para hacer avanzar el MW y la Tg. Dado que la policondensación es una reacción bidireccional, es fundamental eliminar el agua para que la reacción avance. Si el agua está presente a temperaturas iguales o superiores a la temperatura de transición vítrea, puede producirse hidrólisis y pérdida de propiedades.
A lo largo de los últimos 50 años, las empresas dedicadas han aprendido a procesar la PAI de Torlon. Requiere más experiencia en el proceso que la mayoría de los termoplásticos, por lo que no se ha adoptado tan ampliamente como otros polímeros de alto rendimiento como el PEEK. Sin embargo, los ingenieros y diseñadores tienen muchas opciones de conversión para obtener componentes de poliamida-imida, aprovechando así la singularidad de este polímero.
Opciones de procesamiento de piezas
Mecanizado
– Las piezas de poliamida-imida pueden mecanizarse desde formas hasta diseños complejos, y con tolerancias extremadamente ajustadas a partir de ocho grados únicos que van desde la poliamida-imida sin relleno hasta la PAI reforzada con fibra de vidrio y carbono, además de grados de baja fricción y desgaste. Las tolerancias ajustadas con superficies lisas son características de la PAI mecanizada. El mecanizado es una opción rentable cuando las cantidades de producción son bajas y la precisión es alta, ya que no se necesita ningún utillaje previo. También es ideal cuando el diseño de un componente está todavía en desarrollo. Las formas de stock para el mecanizado proceden de una serie de métodos de procesamiento de la masa fundida, como la extrusión, el moldeo por compresión y/o el moldeo por inyección.
- La extrusión ofrece el mejor equilibrio entre las propiedades del mundo real.
- Diámetros de varilla de 0,125-10 pulgadas en longitudes de hasta 8 pies
- Tubos con combinaciones de diámetro exterior e interior de 1″ x 0,5″ a 7,625″ x 3,5″.
- Placas de hasta 14 pulgadas de ancho y espesores de hasta 1,75″.
- Formas moldeadas por compresión – Ideal para anillos grandes (hasta 36 pulgadas de diámetro), y mezclas únicas.
- Formas moldeadas por inyección – Lo mejor para tubos de pared fina y formas casi netas (NNS)
Moldeo por inyección
– La poliamida-imida Torlon puede moldearse por inyección hasta su forma final utilizando equipos de moldeo convencionales equipados con calentadores de alta temperatura, suficiente fuerza de sujeción (cuatro toneladas/pulgada2 de área de la pieza proyectada) y un barril de tamaño adecuado para la inyección. El tornillo de inyección debe ser un tornillo de baja compresión con una relación de compresión de 1-1,5:1 y los controles de la máquina deben ser capaces de ajustar con precisión la velocidad de llenado y la presión. Se requieren tornillos de una sola pieza, no se pueden utilizar las puntas de los tornillos de las válvulas de retención. Las máquinas hidráulicas más antiguas pueden beneficiarse de la capacidad de inyección asistida por gas.
Las características de baja fluidez de la poliamida-imida fundida significan que es casi imposible lograr el acabado de alto brillo posible con otros termoplásticos. La masa fundida fluye hacia la cavidad del molde en forma de «cuerda» que se fusiona durante el ciclo de envasado y mantenimiento. El acabado de la superficie del Torlon moldeado se ha comparado a menudo con el de las piezas de fundición de metal o incluso de la madera, mostrando distintos límites entre los frentes de fusión adyacentes. La apariencia es sólo en la superficie, y cuando se mecaniza deja al descubierto una PAI uniforme totalmente densa debajo de la piel. Además, la alta viscosidad y las características de baja contracción de la PAI fundida hacen que sea un reto moldear secciones transversales finas (por debajo de 0,030″), especialmente cuando la longitud del elemento es superior a 1″. Los rebajes requieren acciones laterales y la mayoría de las piezas se benefician de los grandes bebederos, las correderas y las compuertas que son más cortas en longitud que otros polímeros. No se pueden utilizar sistemas de canalización en caliente, pero se pueden incorporar mazarotas calientes. El control de la temperatura del molde se limita a la utilización de circuitos de aceite caliente o de calentadores eléctricos. El vapor se utiliza raramente.
La resina debe secarse completamente antes del moldeo utilizando secadores desecantes con un punto de rocío de -40°F. Se recomienda que los niveles de humedad antes del moldeo sean inferiores a 500ppm y se recomienda verificarlos antes de la ejecución.
Antes de poder utilizar o mecanizar las piezas moldeadas, es necesario curarlas. Este proceso de curado es fundamental para que las piezas de Torlon moldeadas desarrollen todas sus propiedades, especialmente la resistencia a la temperatura y la tenacidad. Este ciclo térmico varía en función de la sección de las piezas, pero generalmente oscila entre 17 y 21 días. No se puede exagerar la importancia del ciclo de curación. El ciclo de curado típico implica una serie de pasos de 24 horas (5-7) entre 300°F y 485°F antes de que las piezas se expongan a 500°F durante 10 días.
Solvay suele aprobar a los procesadores antes de permitirles procesar la poliamida-imida Torlon. Los procesadores certificados de Torlon son procesadores examinados por Solvay que han demostrado la capacidad de procesar este material único. Utilizan hornos programables, controlados por PLC, y cuentan con los conocimientos necesarios para ofrecer las propiedades de este material único.
