El uso de plásticos de alta resistencia ha aumentado a medida que los ingenieros de las industrias de alta tecnología se enfrentan al doble reto de reducir el peso eliminando metales y prolongar la vida útil de los componentes de los que están hechos.
Las aplicaciones en equipos aeroespaciales y de naves espaciales son objeto de especial atención, dada la importancia del peso ligero y la fiabilidad sin concesiones. En las industrias de procesamiento químico y de petróleo y gas, donde los fallos de los equipos suponen costosas interrupciones de la producción, la ligereza combinada con la resistencia a entornos operativos muy corrosivos son ventajas importantes que pueden ofrecer los plásticos de alta resistencia en comparación con los metales. Aligerar la carga física sobre los componentes acoplados también puede reducir el desgaste por fricción y prolongar la vida funcional más allá de las capacidades incluso de los metales lubricados.
Torlon PAI tiene la mayor relación resistencia/peso entre los polímeros procesables por fusión
Entre los polímeros termoplásticos fuertes y ligeros que pueden procesarse por fusión mediante moldeo por inyección y extrusión, la PAI Torlon sin relleno o «pura» ocupa el primer lugar con la mayor relación resistencia-peso. Una ventaja clave de todos los Grades es la capacidad de conservar su resistencia a temperaturas elevadas que disminuyen rápidamente las propiedades físicas de otros polímeros. Los distintos grados de PAI Torlon reforzados con fibra y para cojinetes y desgaste añaden niveles de resistencia aún mayores a los grados sin relleno.
Propiedades mecánicas importantes del Torlon PAI
Los distintos Grades de Torlon PAI sobresalen en las propiedades clave que definen la resistencia y la rigidez en comparación con el PEEK y el Ultem PEI, otros dos polímeros considerados a menudo por estas propiedades (Tabla 1).
El módulo de flexión del Torlon 4203 sin relleno es de 5.030 MPa (730.000 psi), lo que supera al del PEEK sin relleno en más de un 35%. En Grades reforzados con un 30% de fibra de vidrio o de carbono, los valores PAI del Torlon son más de un 13% superiores a los de las formulaciones de PEEK. Comparado con otro polímero reforzado con un 30% de fibra de vidrio, el módulo de flexión del Torlon 5030 PAI de 11.700 MPa (1.300.000 psi) supera al del Ultem 2300 PEI de 9.000 MPa (1.300.000 psi).
La resistencia a la compresión es una propiedad crítica para aplicaciones que experimentan cargas puntuales elevadas. Comparando los Grades reforzados con vidrio al 30%, la resistencia a la compresión del Torlon 5030 es más de un 55% superior a la del PEEK GF30 y un 19,5% superior a la del Ultem 2300.
La resistencia a la tracción es otra propiedad física importante en la que Torlon PAI, en toda una gama de Grades, muestra un rendimiento superior al PEEK, Ultem PEI y PPS.
Torlon PAI conserva la resistencia a temperaturas elevadas
A temperaturas extremas, Torlon PAI conserva niveles de resistencia y rigidez superiores a los de otros termoplásticos. Esta característica es especialmente importante en componentes asociados a motores a reacción, sistemas de propulsión de cohetes y procesos de fabricación de semiconductores que deben mantener la integridad estructural en entornos de alta temperatura.
Nota de ingeniería: La temperatura de transición vítrea (Tg) o punto de reblandecimiento de un material es útil para comparar la retención de resistencia y rigidez de los termoplásticos de alto rendimiento a temperaturas extremas. La Tg de Torlon PAI es de 280º. C (536° F). En comparación, la Tg del PEEK es de 150 ºC. C, y el grado PEEK más resistente a la temperatura tiene una Tg de 170º C. El Ultem PEI, otra poliimida modificada, tiene una Tg de 218º C. C, todavía muy por debajo de la del Torlon PAI (Tabla 1).
La resistencia a la fluencia, la alta Tg y el bajo CLTE contribuyen a la estabilidad dimensional del Torlon PAI
Torlon PAI es reconocido por su resistencia a la fluencia, o deformación bajo carga a lo largo del tiempo, especialmente a temperaturas muy elevadas. Esta característica del material puede relacionarse con su resistencia a la compresión y Tg, otras dos propiedades en las que Torlon PAI también destaca. La resistencia a la fluencia de Torlon PAI es especialmente beneficiosa para aplicaciones que deben mantener su resistencia estructural bajo cargas físicas elevadas y temperaturas extremas a largo plazo.
Nota de ingeniería: El bajo coeficiente de expansión térmica lineal de Torlon PAI en todos los Grades es una ventaja para las aplicaciones expuestas a cambios extremos de temperatura de funcionamiento. Es especialmente importante para el sellado y los componentes estructurales en equipos criogénicos para sistemas de propulsión, donde deben mantenerse dimensiones precisas mientras se atraviesan oscilaciones extremas de temperatura.
Torlon PAI Tiene Alta Resistencia Más Resistencia al Rodamiento y al Desgaste
La PAI Torlon sin relleno producida por Syensqo (antes Solvay) ofrece una fuerza inherentemente alta y resistencia al desgaste por fricción en componentes acoplados. Varios Grades también tienen aditivos que prolongan la vida útil y aumentan la resistencia mecánica.
Para ayudar a los clientes con determinados Grades que Syensqo ya no suministra, Drake Plastics elabora fórmulas de alta resistencia a los cojinetes y al desgaste a partir de resina PAI 100% Torlon y las ofrece como piezas en bruto mecanizables y piezas moldeadas por inyección. Se basan en los Grades originales de Syensqo y se desarrollaron conjuntamente con el productor de resina.
Torlon 4301 PAI es una polyamide-imide de alto módulo que contiene grafito y PTFE para mejorar la resistencia al desgaste. Este grado de Torlon PAI para cojinetes y desgaste de uso general tiene un excelente equilibrio de fuerza y resistencia al impacto. Ofrece 10 veces más resistencia al desgaste que el Torlon 4203 no reforzado y tiene un CLTE que se aproxima al de muchos metales.
Torlon 4275 PAI tiene una formulación de grafito y PTFE que produce un menor índice de desgaste que el Torlon 4301 PAI en la mayoría de las condiciones de PV. Su rendimiento en cojinetes y desgaste comparado con el Torlon 4301 es especialmente notable a PV altos, lo que lo convierte en una elección frecuente para aplicaciones de alta velocidad.
Drake 4435 PAI, anteriormente ofrecido por Syensqo como Torlon 4435 PAI, contiene PTFE, así como fibra de carbono grafítica que aumenta su resistencia estructural. A menudo se especifica para aplicaciones de desgaste por deslizamiento. El grado de alto módulo presenta un bajo desgaste en la mayoría de las condiciones de PV y rinde muy bien a PV altos. Su índice de expansión térmica (CLTE) es también el más bajo de los grados de desgaste PAI.
Drake 4630 PAI, antes Torlon 4630 PAI, supera a todos los demás grados PAI en resistencia al desgaste en aplicaciones de alto PV no lubricadas. Su combinación patentada de grafito y PTFE proporciona el menor desgaste a velocidades superiores a 100 pies por minuto (FPM) y rinde bien incluso a PV superiores a 150.000 psi-FPM.
El PAI Drake 4645, que antes se ofrecía como PAI Torlon 4645, está a la altura del grado 4630 en cuanto a alta resistencia al desgaste, pero es una opción especialmente buena para aplicaciones de alto PV que se lubrican externamente para disipar el calor. Con su formulación patentada de fibra de carbono y PTFE, Drake 4645 PAI ha obtenido buenos resultados en PV de 600.000 psi-FPM.
Resistencia química y a la radiación del Torlon PAI
Las aplicaciones termoplásticas en industrias de alta tecnología a menudo implican la exposición a entornos severos que pueden degradar las propiedades. Torlon PAI ha demostrado su capacidad para soportar muchas de estas condiciones.
Las aplicaciones incluyen componentes estructurales y de cojinetes y desgaste para satélites espaciales que requieren fiabilidad a largo plazo cuando están expuestos a la radiación. Los Grades de Torlon PAI también se especifican para componentes de alta resistencia expuestos a plasma y productos químicos en procesos de fabricación de semiconductores. Las juntas, los asientos de válvulas y los componentes estructurales y de cojinetes y desgaste similares fabricados con Torlon PAI también proporcionan fiabilidad a largo plazo en equipos de petróleo y gas de fondo de pozo.
Como ocurre con cualquier material, las variables de aplicación, como la concentración química, las temperaturas y las tensiones de las cargas aplicadas, pueden variar mucho. Aunque hay directrices disponibles, es esencial que las aplicaciones en cualquier material, incluido Torlon PAI, se prueben para validar el rendimiento en condiciones reales de uso.
Aplicaciones de Torlon PAI
Una familia de Grades de PAI Torlon de Syensqo, el principal productor mundial de resinas de PAI, ofrece perfiles de propiedades únicos para diversas aplicaciones que deben funcionar a largo plazo en una variedad de condiciones extremas. Las capacidades de rendimiento ultraalto de estas formulaciones han llevado a su uso como sustitutos de los metales, especialmente cuando el peso ligero y la longevidad en entornos severos son factores importantes. El desarrollo por Drake Plastics de diámetros de varilla extruida excepcionalmente grandes, espesores de Plate y combinaciones OD/ID de tubo rígido sin soldadura también ha ampliado la gama de aplicaciones de diversos grados de PAI Torlon en piezas mecanizadas.
Entre las principales aplicaciones de este polímero avanzado de alta resistencia, tanto en forma moldeada por inyección como mecanizada, se incluyen:
Equipamiento aeroespacial y de naves espaciales
El entorno de los componentes de los equipos puede variar desde condiciones criogénicas hasta temperaturas extremadamente altas, e incluir altas tensiones y exposición a fluidos hidráulicos, combustibles para reactores, propulsores de cohetes y otros productos químicos corrosivos. Torlon PAI tiene numerosas aplicaciones estructurales y de cojinetes y desgaste que funcionan bien en estas condiciones, incluidos cojinetes, casquillos, juntas y fijaciones.
Fabricación de semiconductores y equipos de prueba
Las aplicaciones de esta industria se benefician de la estabilidad dimensional, la resistencia a la compresión, la resistencia a los productos químicos de proceso y al plasma, y la retención de la resistencia a altas temperaturas de Torlon PAI. Los diversos Grades reforzados con fibra y sin relleno del polímero de ultra alto rendimiento también eliminan el riesgo de contaminación metálica. Entre las aplicaciones típicas se encuentran las tomas de prueba, las sondas de cámara, las herramientas de manipulación de obleas y los dispositivos de fijación.
Equipos para petróleo y gas
Torlon PAI tiene un buen rendimiento en el entorno caliente, corrosivo y de alta presión del fondo del pozo, donde una vida funcional más larga de los componentes significa una mayor productividad gracias a un menor número de paradas para reparaciones y sustituciones. La gama de aplicaciones de Torlon PAI en este entorno de servicio severo incluye componentes estructurales, juntas y asientos de válvulas y otros componentes de cojinetes y de desgaste.
Torlon PAI Puede Mecanizarse o Moldearse por Inyección
Su disponibilidad en resina peletizada y en una amplia gama de formas y tamaños en stock significa que los Grades PAI de Torlon pueden convertirse en una gama ilimitada de configuraciones de componentes.
El desarrollo por parte de Drake Plastics de diámetros de varilla extruida excepcionalmente grandes, espesores de Plate y combinaciones OD/ID de tubo rígido sin soldadura también ha ampliado la gama de aplicaciones de varios grados de Torlon PAI en piezas mecanizadas.
El moldeo por inyección suele ser más práctico para la producción de grandes volúmenes. El mecanizado de formas de stock puede lograr una mayor complejidad y tolerancias más precisas. También es adecuado para volúmenes de producción que no justifican la inversión en herramientas de moldeo por inyección. Sin necesidad de cambiar el utillaje, también se pueden mecanizar piezas prototipo para probar modificaciones de diseño en plazos cortos. Además, el mecanizado posterior de piezas moldeadas por inyección puede añadir características demasiado complejas para conseguirlas con utillaje de inyección.
Ambos métodos de producción, junto con las propiedades de la PAI Torlon, pueden producir piezas de precisión complejas con una resistencia que rivaliza con la de algunos metales. Cada método tiene sus atributos específicos:
Eficacia: Con el moldeo por inyección, las características del diseño se integran en el utillaje. Las piezas expulsadas del molde suelen requerir pocas o ninguna operación secundaria. El mecanizado CNC de alta velocidad de una pieza se produce automáticamente en varios pasos. Sin embargo, para cantidades de producción adecuadas o por razones de complejidad de la pieza, el mecanizado puede ser un método de producción más viable en comparación con la inversión necesaria para el utillaje de moldeo por inyección.
El moldeo por inyección también minimiza el consumo de material por pieza en comparación con el mecanizado. Sin embargo, la pérdida de material en el mecanizado puede minimizarse utilizando un tamaño de forma de material eficiente en relación con la configuración de la pieza acabada.
Por ejemplo, Drake Plastics produce piezas de Torlon PAI por moldeo por inyección y por mecanizado. La empresa maximiza la eficacia del material en el mecanizado para sus propias operaciones y las de sus clientes extruyendo una gama excepcionalmente amplia de tamaños en varilla, Plate y tubo rígido de Torlon PAI. También ofrece tamaños personalizados. Esta capacidad ayuda a equilibrar los costes entre el moldeo por inyección y el mecanizado y puede aplazar o anular la necesidad de invertir en moldes de inyección de producción.
Las piezas tienen tolerancias siempre precisas y calidad repetible
El moldeo por inyección y el mecanizado producen componentes de todos los Grades de Torlon PAI con dimensiones uniformes y tolerancias precisas. El mecanizado tiene ventaja en las tolerancias de precisión que se pueden conseguir. En algunos casos, el mecanizado también se utiliza para añadir características de precisión a una pieza moldeada.
El diseño del molde puede añadir características que faciliten la sustitución del metal
Con un constructor de moldes capaz, se pueden diseñar herramientas para insertos moldeados y otras características que añadan estructura y funcionalidad a los componentes de PAI de Torlon. Las mismas características pueden añadirse a las piezas mecanizadas como operación posterior a la producción. En ambos casos, estas características añadidas ayudan a conseguir piezas con el peso más ligero y la resistencia al desgaste y al medio ambiente de la PAI de Torlon sobre los metales, sin comprometer la resistencia estructural requerida.
Torlon PAI ofrece múltiples ventajas de rendimiento para aplicaciones de alta resistencia
Los Grades PAI de Torlon combinan alta resistencia con estabilidad dimensional, propiedades de rodamiento y desgaste y resistencia medioambiental a temperaturas que superan las capacidades de otros termoplásticos. Disponible como granulado para moldeo por inyección y formas mecanizables, este polímero de rendimiento ultraalto puede transformarse en configuraciones de piezas prácticamente ilimitadas. Sus atributos han llevado a su especificación para componentes que deben funcionar de forma fiable y duradera en condiciones extremas.
Torlon PAI tiene más rigidez estructural en los Grades sin relleno y reforzados con fibra, medida por el módulo de flexión de los tres materiales.
Tg es la temperatura a la que se ablanda un material. Es especialmente importante para los componentes estructurales que están expuestos a altas temperaturas incluso durante periodos cortos. La Tg de Torlon PAI es superior a la de cualquier termoplástico procesable por fusión.
Drake compone determinados Grades de PAI utilizando resina Torlon al 100% en virtud de un acuerdo con Syensqo, el productor de resina PAI. Esto permite a los clientes mantener la disponibilidad de los grados especiales de resina PAI después de que Syensqo interrumpiera su producción.
Por su resistencia a la radiación y su rendimiento a temperaturas criogénicas y muy altas, el Torlon PAI ya se ha utilizado con éxito en sistemas de telescopios del espacio profundo y en equipos de propulsión de satélites y cohetes.
Bajo las marcas Torlon PAI y Drake PAI hay disponibles formas en stock en Grades sin relleno, con cojinetes y reforzadas con fibra y desgaste, fabricadas con resinas 100% Torlon. Drake Plastics es una empresa líder en extrusión de polímeros avanzados que tiene en stock numerosos tamaños de barras y Plate y Seamless Tube® en muchas combinaciones de OD/ID.