Polyamid-Imide (PAI) sind Hochleistungspolymere, die eine hervorragende Hochtemperaturfestigkeit mit Tieftemperaturzähigkeit und Schlagzähigkeit kombinieren und als amorphe Polymere eine außergewöhnliche chemische Beständigkeit gegen eine breite Palette gängiger Chemikalien aufweisen. Sie sind eng verwandt mit zwei anderen aromatischen Hochtemperatur-Imid-Polymeren, den Polyetherimiden (PEI) und den Polyimiden (PI). Das bekannteste Polyamid-Imid-Polymer ist Torlon, das in den 1970er Jahren von Amoco als Erweiterung eines niedermolekularen Polymers eingeführt wurde, das zur Verbesserung der Haftung von Fluorpolymer in Kochgeschirr wie Silverstone® und als Drahtbeschichtung angeboten wurde. Polyamidimide sind thermoplastische Kunststoffe, die wie PEI verarbeitet und recycelt werden können, aber eine höhere Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen. Im Gegensatz zu PI, das nicht wie ein Thermoplast verarbeitet werden kann, bieten PAIs die Flexibilität der theromplastischen Verarbeitung mit einem besseren Gleichgewicht von Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit, das durch eine sekundäre thermische Aushärtung maximiert wird. PAI bietet eine höhere Festigkeit bei 200 °C als die meisten anderen Thermoplaste, einschließlich PEEK, bei Raumtemperatur bieten sowie einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) ähnlich dem von Aluminium. Diese einzigartigen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit als Thermoplast machen es zu einem perfekten Material für verschiedene anspruchsvolle Branchen:
In diesen Industrien bietet Torlon viele Optionen. Seine Verarbeitung als Thermoplast gibt den Kunden die Möglichkeit, komplexe Designs mit engen Toleranzen herzustellen.
Ein amorpher Thermoplast
Polyamid-Imid (PAI) ist ein amorpher, opaker Thermoplast, der durch herkömmliche Spritzguss-, Extrusions- oder Formpressverfahren verarbeitet werden kann. Solvay Specialty Polymers ist weltweit führend in der Herstellung von PAI-Harz unter dem Markennamen Torlon, das von weniger als 100 Unternehmen in der ganzen Welt zu unterschiedlichen Bauteilen verarbeitet wird. Drake Plastics und Mitsubishi Chemical stellen extrudierte Halbzeuge wie Stangen, Platten, Rohre und weitere Profile her, die zu Fertigteilen verarbeitet werden. Weniger als fünf Unternehmen auf der ganzen Welt pressen Torlon in sehr große Formen, die als Dichtungen für große Turbokompressoren verwendet werden. Torlon nimmt aufgrund seiner ausgewogenen Steifigkeit, Zähigkeit, Festigkeit und thermischen Eigenschaften eine Spitzenposition in der thermoplastischen Welt ein und bietet gleichzeitig eine hervorragende chemische Beständigkeit und Dimensionsstabilität, obwohl es ein amorphes Polymer ist.
Herausforderungen bei der Verarbeitung
Bei der Verarbeitung von Torlon stellen die hohe Glasübergangstemperatur, das nicht-newtonsche Fließen über einen weiten Scherbereich und die amorphe Struktur des Materials eine große Herausforderung dar. Zu den größten Herausforderungen gehören:
- Enges Verarbeitungsfenster mit Verarbeitungstemperaturen von mehr als 315 °C
- Schmelzeviskosität, die stark temperatur- und schergeschwindigkeitsabhängig ist
- Als Polykondensationspolymer ist PAI sehr feuchtigkeitsempfindlich und muss während der Verarbeitung gründlich getrocknet und trocken gehalten werden, um eine Verschlechterung des Molekulargewichts und der thermisch-mechanischen Eigenschaften zu verhindern.
- Thermische Aushärtung für 20 oder mehr Tage bei 260 °C zur Optimierung der Eigenschaften nach der Verarbeitung
Um optimale Eigenschaften zu erzielen, muss PAI unter streng kontrollierten Bedingungen verarbeitet und dann thermisch ausgehärtet werden, um das Molekulargewicht durch einen gestuften Wärmezyklus bis zu 315 °C zu erhöhen. Der Aushärtungsprozess vervollständigt den Imidisierungsprozess und erhöht das Molekulargewicht durch Polykondensation. Wasser ist das Kondensationsnebenprodukt, das entfernt werden muss, um das Molekulargewicht und die Tg zu erhöhen. Da es sich bei der Polykondensation um eine Zwei-Wege-Reaktion handelt, ist es wichtig, Wasser zu entfernen, um die Reaktion voranzutreiben. Wenn Wasser bei Temperaturen bei oder über der Glasübergangstemperatur vorhanden ist, kann es zur Hydrolyse und damit einen Verlust an Performance kommen.
In den vergangenen 50 Jahren haben engagierte Unternehmen gelernt, Torlon PAI zu verarbeiten. Es erfordert ein größeres Verarbeitungs-Know-how als die meisten Thermoplaste und hat sich daher nicht so weit verbreitet wie andere Hochleistungspolymere, z.B PEEK. Ingenieure und Designer haben inzwischen viele Möglichkeiten, Polyamid-Imid-Bauteile zu konstruieren und so die Einzigartigkeit dieses Polymers zu nutzen.
Optionen zur Teilebearbeitung
Bearbeitung – Polyamid-Imid-Ferttigteile mit komplexem Design und mit extrem engen Toleranzen können aus Halbzeugen hergestellt werden. Dazu stehen acht einzigartigen Qualitäten, vom ungefüllten Polyamid-Imid über glas- und kohlenstofffaserverstärkte PAI bis hin zu reibungsarmen und verschleißfesten Qualitäten zu Verfügung. Enge Toleranzen mit glatten Oberflächen sind Merkmale von maschinell bearbeitetem PAI. Die maschinelle Bearbeitung ist eine kosteneffiziente Wahl, wenn die Mengen gering sind und die geforderte Präzision hoch ist, da kein Bau von Werkzeugen erforderlich ist. Sie ist auch ideal, wenn sich das Design eines Bauteils noch in der Entwicklung befindet. Die Halbzeuge zur Weiterbearbeitung werden mit Verfahren wie Extrusion, Formpressen und/oder Spritzgießen hergestellt.
- Die Extrusion erlaubt das beste Gleichgewicht zwischen den unterschiedlichen Eigenschaften.
- Stabdurchmesser von 3,2 mm bis 254 mm in Längen bis zu 2,44 m
- Rohre mit OD/ID-Kombinationen von 25,4 mm x 12,7 mm bis 194 mm x 88 mm
- Platten mit einer Breite von bis zu 355 mm und einer Dicke von bis zu 44,5 mm
- Formgepresste Formate – Ideal für große Ringe (bis zu 915 mm Durchmesser) und individuelle Harzmischungen.
- Spritzgegossene Formen – Am besten geeignet für dünnwandige Rohre und endkonturnahe Formen (Near Net Shapes)
Spritzgießen – Torlon Polyamid-Imid kann mit konventionellen Spritzgießmaschinen in die endgültige Form gebracht werden, sofern sie mit Hochtemperaturheizungen, ausreichender Schließkraft (55 MPa der projizierten Teilefläche) und einem für den Einspritzvorgang angemessen dimensionierten Schnecke ausgestattet sind. Bei der Einspritzschnecke muss es sich um eine Schnecke mit niedriger Kompression und einem Kompressionsverhältnis von 1-1,5:1 handeln, und die Maschinensteuerung muss in der Lage sein, Füllgeschwindigkeit und Druck präzise einzustellen. Einteilige Schnecken sind erforderlich, Rückschlagventil-Schneckenspitzen dürfen nicht verwendet werden. Ältere hydraulische Maschinen können von einer gasunterstützten Einspritzfunktion profitieren.
Das zähe Fließverhalten von geschmolzenem Polyamid-Imid bedeutet, dass es fast unmöglich ist, die mit anderen Thermoplasten mögliche Hochglanzoberfläche zu erreichen. Die Schmelze fließt als „Strang“ in den Formhohlraum, der während des Füll- und Haltezyklus zusammenfließt. Die Oberflächenbeschaffenheit von gegossenem Torlon wird oft mit Metallguss oder sogar Holz verglichen, da sie deutliche Grenzen zwischen benachbarten Schmelzefronten aufweist. Das Erscheinungsbild ist nur oberflächlich, und wenn es abgetragen wird, kommt unter der Haut völlig dichtes, gleichmäßiges PAI zum Vorschein. Darüber hinaus erschweren die hohe Viskosität und die geringe Schrumpfung von geschmolzenem PAI das Formen von dünnen Querschnitten (unter 0,8 mm), insbesondere wenn die Länge der Teile größer als 25 mm ist. Hinterschneidungen erfordern seitliche Eingriffe, und die meisten Teile profitieren von großen Angüssen, Kanälen und Anschnitten, die kürzer sind als bei anderen Polymeren. Es dürfen keine Heißkanalsysteme verwendet werden, aber es dürfen beheizte Angüsse eingebaut werden. Die Steuerung der Formtemperatur ist auf die Verwendung von Heißöl oder elektrischen Heizelementen beschränkt. Dampf wird nur selten verwendet.
Das Harz muss vor dem Formen mit Hilfe von Trocknern mit einem Taupunkt von -40 °C gründlich getrocknet werden. Es wird empfohlen, dass der Feuchtigkeitsgehalt vor dem Einspritzen unter 500 ppm liegt, und es wird dringend empfohlen, dies vor der Verarbeitung zu überprüfen.
Bevor entformte Teile verwendet oder bearbeitet werden können, müssen sie ausgehärtet werden. Dieser Aushärtungsprozess ist entscheidend dafür, dass gespritzte Torlon-Teile ihre vollen Eigenschaften entwickeln, insbesondere Festigkeit bei Temperatur und Zähigkeit. Dieser Wärmezyklus variiert je nach Querschnitt der Teile, liegt aber im Allgemeinen zwischen 17 und 21 Tagen. Die Bedeutung des Aushärtungsszyklus kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Der typische Aushärtungszyklus umfasst eine Reihe von 24-stündigen Schritten (5-7) zwischen 149 °C und 252 °C, bevor die Teile 10 Tage lang 260 °C ausgesetzt werden.
Solvay prüft in der Regel die Verarbeiter, bevor sie Torlon-Polyamid-Imid verarbeiten dürfen. Zertifizierte Torlon-Verarbeiter sind von Solvay überprüfte Verarbeiter, die nachweislich in der Lage sind, dieses einzigartige Material zu verarbeiten. Sie verwenden programmierbare, SPS-gesteuerte Öfen und verfügen über das Know-how, die Eigenschaften dieses einzigartigen Materials zu erhalten.
