Visión general de la poliamida-imida (PAI)
La poliamida-imida está reconocida como el polímero procesable por fusión de mayor rendimiento disponible. Químicamente forma parte de la familia de las resinas de imida y está estrechamente relacionada con otros dos polímeros de imida aromática de alta temperatura: la polieterimida (PEI) y la poliimida (PI). Sin embargo, la poliimida difiere en que no se puede procesar por fusión en forma de piezas extruidas y moldeadas por inyección, mientras que el PAI y el PEI sí.
Entre los polímeros de ultra alto rendimiento, el PAI ofrece una resistencia excepcionalmente impresionante bajo carga a altas temperaturas. Mantiene su rigidez incluso cuando se acerca a su temperatura de transición vítrea (Tg) o punto de reblandecimiento de 280°C (537°F) y resiste la deformación bajo carga estática a lo largo del tiempo con su resistencia superior a la compresión y a la fluencia. La resistencia al desgaste de la poliamida-imida, su amplia resistencia química y su resistencia a la radiación de alta energía se suman a su extraordinario perfil de prestaciones, que la hacen ideal para aplicaciones en los entornos de servicio más severos.
Proveedores, Productos
Solvay, primer productor mundial de resinas PAI, suministra una gama de fórmulas de poliamida-imida bajo la marca Torlon® PAI. Las formas comerciales de poliamida-imida vendidas bajo el nombre Torlon® incluyen grados peletizados para moldeo por inyección, y para moldeo por extrusión y compresión para la producción de formas de stock mecanizables. La resina polimérica también está disponible en forma de polvo para su uso en adhesivos de alta temperatura, epoxis, revestimientos y compuestos.
La proliferación de aplicaciones y el deseo de mayores niveles de propiedades físicas condujeron al desarrollo de varios grados de PAI de rendimiento mejorado en las décadas posteriores a la introducción comercial del polímero en 1970.
Se desarrollaron formulaciones reforzadas con fibra de vidrio y de carbono para aumentar la resistencia a temperaturas elevadas, ampliando las posibilidades de aplicación de la PAI para componentes estructurales. Estos grados de mayor resistencia presentan una rigidez comparable a la de muchos metales, incluso bajo cargas y tensiones mecánicas repetitivas considerables a temperaturas elevadas.
Aunque es inherentemente resistente al desgaste, se desarrollaron formulaciones de PAI con aditivos que mejoran las propiedades de rodamiento y desgaste del polímero y prolongan la vida funcional de los componentes móviles y giratorios sometidos a carga. En muchos casos, la mejora resultante en la resistencia al desgaste permite que las piezas sometidas a cargas dinámicas funcionen de forma fiable a largo plazo sin necesidad de lubricación externa. Las ventajas para los equipos y la maquinaria que incorporan componentes de poliamida-imida incluyen menores costes de mantenimiento y sustitución, series de producción más largas y eliminación del riesgo de contaminación por lubricantes.
La capacidad de procesar por fusión los diversos grados de poliamida-imida mediante extrusión y moldeo por inyección ha dado lugar a innumerables aplicaciones para el polímero de ultra alto rendimiento. Drake Plastics suministra a las empresas de mecanizado y a los distribuidores de todo el mundo PAI no reforzado, reforzado con fibra y para cojinetes y desgaste en una gama incomparable de tamaños y configuraciones de varillas extruidas, placas y tubos sin soldadura®. Las inversiones de la empresa en tecnología de procesos también han permitido desarrollar tamaños y formas únicos que amplían la gama de aplicaciones de la PAI. Como ejemplos, Drake ofrece la barra de PAI de mayor diámetro del mundo, con tamaños de hasta 257,275 mm (10,125 pulgadas), y espesores de placa sin igual de hasta 101,6 mm (4,0 pulgadas). Drake también suministra componentes de PAI de precisión mecanizados a partir de sus formas en stock y es ampliamente reconocida por sus capacidades de moldeo por inyección de poliamida-imida.
Formas en stock suministradas como Torlon® PAI, Drake PAI y otras denominaciones
Las prácticas comerciales para identificar las formas del stock de PAI difieren entre el limitado número de fabricantes especializados. Algunos utilizan sus propias marcas para todos los productos PAI. Las formas en stock de Drake Plastics fabricadas con los grados de PAI Torlon® disponibles comercialmente en forma de gránulos para el procesamiento por fusión se identifican con la marca Torlon®.
Drake también suministra productos de poliamida-imida con la denominación Drake PAI cuando no se dispone de calidades comerciales de extrusión para los productos que requieren los clientes. Cuando se necesitaban estos productos en forma de piezas en bruto, Drake desarrolló una tecnología para convertir el polvo de PAI Torlon® en la forma granulada necesaria para la extrusión. La inversión se basó en satisfacer la demanda continua de los clientes de formas en stock de un grado específico, cuando el proveedor dejó de suministrar la forma de granulado extrudible de la resina.
Los productos de poliamida-imida que se ofrecen comercialmente bajo la denominación Drake PAI incluyen las formas en stock Drake 4200 PAI. La formulación elimina las impurezas iónicas asociadas al óxido de titanio utilizado en las formulaciones estándar de PAI y es necesaria para los componentes utilizados en la fabricación de semiconductores. Otros ejemplos son la lámina delgada y la película Drake PAI, configuraciones para las que no se dispone de resinas estándar para extrusión.
Atributos de rendimiento de la poliamida-imida
Alta resistencia y estabilidad dimensional a temperaturas extremas
Una de las características más notables de la PAI es que mantiene un módulo de flexión y una resistencia a la tracción muy altos a temperaturas elevadas, muy por encima de las capacidades de todos los demás materiales termoplásticos. De hecho, la PAI tiene mayor resistencia y rigidez a 205°C (400°F) que la mayoría de los plásticos técnicos a temperatura ambiente. También conserva muy bien sus propiedades tras una exposición prolongada a altas temperaturas.
En comparación con muchos metales, los grados de poliamida-imida reforzados con fibras de carbono o de vidrio demuestran una rigidez y una rigidez equivalentes con un peso sustancialmente inferior. Ésta es una razón de peso para utilizarlos como sustitutos de los metales en aplicaciones aeroespaciales y de defensa, por ejemplo, donde el peso ligero y la resistencia estructural a altas temperaturas son prioritarios tanto para el rendimiento como para la economía.
En el extremo opuesto de temperatura, la PAI presenta una mayor resistencia al impacto y tenacidad a temperaturas criogénicas, donde la mayoría de los demás polímeros de alta resistencia se vuelven extremadamente quebradizos y acaban fallando.
La PAI también ofrece una excelente estabilidad dimensional en grandes oscilaciones de temperatura. En particular, los grados reforzados con vidrio y carbono presentan un CLTE (coeficiente de dilatación térmica del revestimiento) muy bajo, comparable al del aluminio de calidad aeronáutica.
Resistencia a la compresión y a la fluencia de la PAI
La poliamida-imida mantiene su resistencia a la compresión excepcionalmente alta y resiste la fluencia bajo carga a temperaturas elevadas. De hecho, bajo una carga estática elevada, los grados no reforzados de PAI resisten la fluencia que puede causar la deformación por compresión en otros termoplásticos de alto rendimiento reforzados con fibras de vidrio o carbono. Su comportamiento de recuperación elástica y sus propiedades de compresión, combinadas con su tenacidad en un amplio intervalo de temperaturas, han dado lugar al uso generalizado de diversos grados de poliamida-imida en aplicaciones como anillos de estanqueidad, paletas hidráulicas, taqués de freno, bolas de retención, arandelas de empuje y placas de compresor. Los grados reforzados y lubricados de PAI elevan el nivel de rendimiento de los componentes de estanquidad que requieren una mayor solidez y resistencia al desgaste.
Conductividad térmica PAI
Las aplicaciones que requieren aislamiento térmico, como los escudos térmicos, se benefician de la baja conductividad térmica de la poliamida-imida. Las carcasas y paneles de PAI se utilizan a menudo para proteger los componentes internos críticos de las altas temperaturas que pueden afectar a la precisión de la instrumentación sensible.
Propiedades eléctricas de la poliamida-imida
La mayoría de los grados de PAI ofrecen excelentes propiedades de aislamiento eléctrico, y algunos grados específicos ofrecen niveles de rendimiento más altos que otros. Los grados ofrecidos comercialmente como Torlon 4203L y 5030 PAI, en particular, ofrecen una excepcional rigidez dieléctrica y una elevada resistividad volumétrica y superficial. Sin embargo, algunos grados resistentes al desgaste contienen grafito. Aunque presentan propiedades de alta resistividad según los métodos de prueba estándar con corriente continua, pueden mostrar cierta conductividad a niveles de tensión y frecuencia más elevados.
Un grado reforzado con fibra de carbono denominado Torlon 7130 PAI es, de hecho, conductor, una ventaja para su uso en aplicaciones que requieran blindaje contra interferencias electromagnéticas.
Como pueden moldearse por inyección en configuraciones intrincadas y son dimensionalmente estables en piezas mecanizadas con tolerancias estrechas, varios grados de poliamida-imida se utilizan ampliamente para componentes eléctricos y electrónicos de precisión que requieren capacidades de aislamiento y aislamiento superiores.
Resistencia química de la poliamida-imida
La PAI prácticamente no se ve afectada por la mayoría de ácidos, hidrocarburos alifáticos y aromáticos e hidrocarburos clorados y fluorados a temperaturas moderadas. Sin embargo, el polímero puede ser atacado por el vapor saturado, las bases fuertes y algunos sistemas ácidos de alta temperatura.
El postcurado de formas y piezas de PAI tras el procesamiento de la masa fundida por extrusión o moldeo por inyección optimiza tanto su resistencia química como su resistencia al desgaste. Por esta razón, Drake Plastics postcura todas sus formas de stock de PAI extruido y piezas moldeadas por inyección. Para las aplicaciones de poliamida-imida que requieren el máximo nivel de resistencia química, las piezas mecanizadas se pueden postcurar una segunda vez para garantizar un rendimiento óptimo.
Resistencia de la PAI a la exposición a la radiación gamma
Pocos termoplásticos ofrecen la resistencia a la degradación de las propiedades físicas que ofrece la PAI.
Muchos polímeros muestran una caída brusca de sus propiedades mecánicas a niveles de exposición tan bajos como103 rads . Sin embargo, la PAI demuestra una estabilidad excepcional bajo radiación gamma a niveles de exposición mucho más elevados. En pruebas certificadas por agencias a109 rads , el nivel más alto probado, un grado de PAI reforzado con vidrio al 30% conservó el 95% de sus propiedades mecánicas tras una exposición prolongada. Su rendimiento fue un factor importante en las especificaciones del PAI como material para aplicaciones en el campo de la energía nuclear, incluidos los componentes utilizados en los submarinos nucleares de la Marina estadounidense.
Inflamabilidad y Generación de Humo de los Grados de Poliamida-Imida
Las clasificaciones certificadas basadas en pruebas realizadas por los principales organismos y laboratorios de todo el mundo validan la idoneidad de la poliamida-imida para aplicaciones eléctricas, electrónicas, aeroespaciales y otras en las que la inflamabilidad es un factor importante. La mayoría de los grados de PAI disponibles en el mercado tienen impresionantes clasificaciones de inflamabilidad de estas agencias. Dos grados comerciales disponibles en forma de piezas moldeadas por inyección y formas en bruto mecanizables como Torlon 5030 PAI y Torlon 7130 PAI superan los requisitos de inflamabilidad, densidad de humo y emisión de gases tóxicos de la FAA para su uso en aviones comerciales.
Aplicaciones típicas del PAI
Desde la introducción del polímero, el desarrollo de múltiples grados de PAI con diferentes perfiles de rendimiento ha impulsado una amplia gama de aplicaciones. Todos se caracterizan por tener que soportar una exposición prolongada a diversas combinaciones de temperaturas extremas, cargas estáticas y dinámicas elevadas y entornos químicos agresivos. Muchas aplicaciones también dependen de las propiedades de aislamiento y aislamiento eléctrico y térmico de la poliamida-imida.
Con estos atributos, la familia de fórmulas de PAI ha demostrado ser muy eficaz para satisfacer estos requisitos de rendimiento ultraalto en componentes de cojinetes y desgaste, estanqueidad, estructurales y térmicos y eléctricos en los que otros materiales de ingeniería han fracasado. Una lista parcial de los usos en las principales industrias incluye componentes para aviones, transbordadores espaciales y satélites, transmisiones de automóviles, procesamiento de metales y herramientas de corte por plasma, prospección de petróleo y gas en pozos, aplicaciones de energía alternativa y almacenamiento de baterías, y sistemas de armas militares y de defensa. La gran estabilidad dimensional, la resistencia química y la baja desgasificación de la PAI explican su uso en aplicaciones de manipulación de obleas semiconductoras, zócalos de prueba y nidos. Un grado de formas en bruto mecanizable desarrollado por Drake sin TiO2y denominado Drake PAI 4200 también resuelve las preocupaciones sobre la contaminación por titanio en los procesos de semiconductores.
Retos del procesado de la poliamida-imida y ventajas del postcurado
La PAI está reconocida en toda la industria como un material difícil de extrudir y moldear por inyección. Las características inherentes de la PAI requieren un alto grado de experiencia en el procesado para conseguir las propiedades óptimas del polímero en formas extruidas y piezas mecanizadas y moldeadas.
Entre los retos del procesado están su elevada temperatura de transición vítrea o punto de reblandecimiento (Tg), su tasa de cizallamiento altamente sensible y los parámetros para controlar la viscosidad de la masa fundida, así como un estrecho rango de procesado a temperaturas superiores a los 315°C (600°F).
La poliamida-imida también es muy sensible a la humedad. El presecado es esencial, y las condiciones del proceso deben controlarse y mantenerse rigurosamente para evitar que la humedad degrade su peso molecular y sus propiedades físicas.
Tras el procesado, la poliamida-imida requiere un postcurado térmico prolongado a lo largo de un ciclo de temperatura escalonado con precisión de hasta 260°C (500°F). Cuando se aplica correctamente, este paso esencial completa el proceso de imidización y hace avanzar el peso molecular de la PAI hasta un nivel que alcanza sus propiedades óptimas.
Capacidad para atender la creciente demanda de formas y piezas en stock de PAI
Desde la introducción comercial de la poliamida-imida en 1970, un número limitado de empresas dedicadas han surgido como especialistas reconocidos en productos de PAI extruidos y moldeados. Drake, en particular, sigue invirtiendo continuamente en el desarrollo de productos y procesos, y mantiene una amplia capacidad para atender la creciente demanda de sus clientes de un suministro rápido y fiable de formas y piezas en stock de poliamida-imida en todo el mundo.
