Perspectiva general del sulfuro de polifenileno (PPS)
El sulfuro de polifenileno, comúnmente denominado 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 200°C (392°F). Otros atributos notables son su resistencia inherente a la llama, sus propiedades eléctricas y su gran resistencia mecánica. La mayoría de los grados comerciales de PPS alcanzan una clasificación de inflamabilidad UL 94 V-0 sin aditivos ignífugos.
Aunque el polímero PPS sin modificar presenta un buen rendimiento general, la adición de refuerzo de fibra aumenta significativamente su tenacidad y sus propiedades estructurales y térmicas. Un aumento del doble de la temperatura de deflexión térmica y más del triple del módulo de flexión son las principales razones del uso mucho mayor del PPS reforzado con un 40% de fibra de vidrio frente a los grados sin relleno para piezas moldeadas y mecanizadas que soportan cargas y están expuestas a condiciones térmicas más elevadas.
Proveedores de resina PPS, calidades
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 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 fórmulas 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 se ha ampliado considerablemente desde el desarrollo y la comercialización del polímero. Se han desarrollado formulaciones de resina con características de procesado de la masa fundida adaptadas al procesado 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 aumentar la resistencia, y aditivos resistentes al desgaste.
En la actualidad, Solvay sigue siendo uno de los principales proveedores mundiales de resinas y compuestos de PPS paramoldeo por inyección y 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 propiedades específicas del polímero básico PPS. Además de los materiales de PPS de rendimiento mejorado, la línea de productos de resina Fortron también incluye grados desarrollados para moldeo por inyección, extrusión y otros procesos de fusión.
Otros proveedores mundiales de resina de PPS, como Toray, ofrecen diversos grados de sulfuro de polifenileno, principalmente para el moldeo por inyección de aplicaciones industriales, automovilísticas y eléctricas de gran volumen.
Desarrollo por Drake de las formas de la culata mecanizable 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 había sido para 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 utillaje de moldeo por inyección. El factor limitante había sido la falta de formas en stock mecanizables de alta calidad que tuvieran las certificaciones de resina para piezas mecanizadas y prototipos que requieren muchas industrias.
Para cubrir esta necesidad, Drake invirtió en tecnología para producir PPS Ryton R-4 reforzado con vidrio al 40% en una amplia gama de tamaños de varillas y placas mecanizables. Como 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 están a 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 suelen ofrecerse en forma de formas moldeadas por compresión o de varillas extruidas con ariete. El polvo de PPS se mezcla internamente con fibras de vidrio cortas. Se utilizan fibras cortas para evitar la aglomeración de fibras y de vidrio en la mezcla. Estas fibras cortas actúan más como relleno que como refuerzo que aportan las fibras largas. 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 materia prima del PPS utilizada en el moldeo por compresión y 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, las mezclas de polvo y fibra de vidrio corta probablemente no cumplirían los requisitos de propiedades de la ASTM para el PPS reforzado con vidrio al 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, a medida que se añade más mezcla de polvo y se presiona contra el material solidificado anterior. El efecto es evidente al flexionar una varilla extruida de carnero en forma circular. Normalmente se romperá a lo largo de una estratificación y dejará al descubierto otras.
Además del inconveniente de las longitudes cortas, el proceso de moldeo por compresión es propenso a variaciones que dan lugar a una calidad y unas propiedades físicas incoherentes. Incluyen discrepancias en la proporción de mezcla, mezcla no uniforme, problemas de secado y control de la humedad, atrapamiento de aire y control inexacto de presiones y temperaturas. Además, dada la baja conductividad térmica inherente de los polímeros y la baja densidad aparente de las mezclas de polvo y fibra de vidrio, calentarlas hasta sus temperaturas de moldeo suele requerir ciclos térmicos largos que pueden degradar el polímero PPS. Esto es especialmente cierto cuando se producen tamaños más grandes. Además, las variaciones en las presiones de moldeo debidas a las pérdidas por fricción a lo largo de la pared lateral del molde suelen dar lugar a formas moldeadas por compresión con densidades y propiedades físicas diferentes en la parte superior e inferior frente a la sección central.
En cambio, la extrusión de masa fundida es un proceso continuo que utiliza la resina Ryton R-4 precompuesta uniformemente, reforzada con un 40% de fibra de vidrio, del proveedor de la resina, que se prueba y certifica en forma de gránulos. Los gránulos se funden uniformemente en el tambor 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 estrictamente controladas que minimizan las tensiones internas.
Las formas resultantes del stock de PPS Ryton R-4 producidas mediante el proceso de extrusión de Drake presentan propiedades consistentes y maquinabilidad uniforme en toda la sección transversal y de tamaño a tamaño.
Perfil de rendimiento del 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. Según los valores de las propiedades tomados de las formas en stock de Drake Ryton R-4 extrusionado, 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 por encima del grado no reforzado.
También se compara de forma impresionante con otros termoplásticos de ultra altas prestaciones en cuanto a propiedades de resistencia. En las pruebas físicas realizadas por Solvay, el productor de la resina Ryton PPS, el módulo de flexión del Ryton R-4 240 PPS es un 30% superior al del KetaSpire PEEK reforzado con vidrio de Solvay a temperatura ambiente. Esta alta resistencia, unida a la resistencia química y térmica inherente al Ryton R-4, ha llevado al uso generalizado 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 de pozo.
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 a los 95°C (203°F) del PPS sin relleno. Es importante tener en cuenta que el HDT procede de muestras moldeadas con las fibras orientadas de forma óptima para la prueba. Las piezas reales moldeadas por inyección o mecanizadas a partir de formas de stock no conseguirán probablemente este mejor resultado posible. No obstante, un HDT elevado 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 ostenta un nivel extraordinario de resistencia química entre los materiales de ultra alto rendimiento: no le afecta 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 del Ryton R-4 y otros grados de PPS están entre las mejores de los polímeros resistentes a temperaturas extremas. El material de alto rendimiento tiene una rigidez dieléctrica de 22kV/mm, una constante dieléctrica baja de 3,90 a 25°C y 1kHz, y un factor de disipación bajo en una gama de temperaturas y frecuencias.
Este perfil de propiedades eléctricas combinado con sus clasificaciones de inflamabilidad UL 94 V-0 y 5VA están detrás de su uso en conectores eléctricos moldeados por inyección y mecanizados de precisión y cuerpos de conectores utilizados en aplicaciones que van desde submarinos nucleares hasta componentes utilizados en la industria del petróleo y el gas.
Aplicaciones típicas del Ryton R-4 PPS
El impresionante equilibrio global de resistencia estructural a altas temperaturas, excelentes propiedades eléctricas, índices de inflamabilidad y su resistencia química han dado lugar a innumerables aplicaciones de moldeo por inyección del 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 también a los componentes mecanizados de precisión. Estos son ejemplos de los muchos componentes de PPS Ryton R-4 que Drake Plastics produce mediante moldeo por inyección y mecanizado CNC de precisión:
- Innumerables aplicaciones en las que los requisitos clave incluyen una gran 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 gran resistencia estructural del material y en su estabilidad ante picos extremos de las temperaturas de funcionamiento.
- Los conectores y aislantes eléctricos para barcos y fondo de pozo aprovechan las propiedades de aislamiento eléctrico y térmico del Ryton R-4 PPS, su resistencia química y su clasificación UL de inflamabilidad.
- Los asientos de válvula y los anillos de estanqueidad 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.
