Polyamid-Imid (PAI) Überblick
Polyamid-Imid gilt als das leistungsfähigste schmelzverarbeitbare Polymer auf dem Markt. Chemisch gesehen gehört es zur Familie der Kunststoffe und ist eng mit zwei anderen aromatischen Hochtemperatur-Imid-Polymeren verwandt: Polyetherimid (PEI) und Polyimid (PI). Polyimid unterscheidet sich jedoch dadurch, dass es nicht in Form von extrudierten Halbzeugen und spritzgegossenen Teilen schmelzverarbeitet werden kann, während dies bei PAI und PEI möglich ist.
Unter den Ultra-Hochleistungspolymeren bietet PAI eine außergewöhnlich beeindruckende Festigkeit unter Belastung bei hohen Temperaturen. Es behält seine Steifigkeit bei, selbst wenn es sich seiner Glasübergangstemperatur (Tg) oder seinem Erweichungspunkt von 280°C (537°F) nähert, und widersteht mit seiner überragenden Druckfestigkeit und Kriechbeständigkeit Verformungen unter statischer Belastung über lange Zeit. Die Verschleißfestigkeit von Polyamid-Imid, die breite chemische Beständigkeit und die Beständigkeit gegen energiereiche Strahlung tragen zu seinem außergewöhnlichen Leistungsprofil bei, das es ideal für Anwendungen in den schwierigsten Einsatzbereichen macht.
Lieferanten, Produkte
Solvay, der weltweit führende Hersteller von PAI-Kunststoffen, liefert eine Reihe von Polyamid-Imid-Formulierungen unter dem Markennamen Torlon® PAI. Zu den kommerziellen Formen von Polyamid-Imid, die unter dem Namen Torlon® vertrieben werden, gehören granulierte Typen für das Spritzgießen sowie für das Extrusions- und Formgepresst zur Herstellung von maschinell bearbeitbaren Halbzeugen. Der polymere Kunststoff ist auch in Pulverform für die Verwendung in Hochtemperaturklebstoffen, Epoxiden, Beschichtungen und Verbundwerkstoffen erhältlich.
Eine Vielzahl von Anwendungen und der Wunsch nach besseren physikalischen Eigenschaften führten in den Jahrzehnten nach der Markteinführung des Polymers im Jahr 1970 zur Entwicklung mehrerer leistungsgesteigerter PAI-Typen.
Es wurden glas- und kohlefaserverstärkte Formulierungen entwickelt, um die Festigkeit bei erhöhten Temperaturen zu erhöhen und die Anwendungsmöglichkeiten von PAI für Strukturbauteile zu erweitern. Diese höherfesten Sorten weisen eine Steifigkeit auf, die mit der vieler Metalle vergleichbar ist, selbst bei erheblichen, sich wiederholenden mechanischen Belastungen und Beanspruchungen bei erhöhten Temperaturen.
Obwohl PAI von Natur aus verschleißfest ist, wurden Formulierungen mit Additiven entwickelt, die die Lager- und Verschleißeigenschaften des Polymers verbessern und die Funktionsdauer von beweglichen und rotierenden Komponenten unter Belastung verlängern. In vielen Fällen ermöglicht die daraus resultierende Verbesserung der Verschleißfestigkeit, dass dynamisch belastete Teile langfristig zuverlässig funktionieren, ohne dass eine externe Schmierung erforderlich ist. Zu den Vorteilen von Geräten und Maschinen, die Polyamid-Imid-Komponenten enthalten, gehören geringere Wartungs- und Ersatzteilkosten, längere Produktionsläufe und die Vermeidung von Verunreinigungen durch Schmiermittel.
Die Fähigkeit, die verschiedenen Polyamid-Imid-Typen durch Extrusion und spritzgegossen zu verarbeiten, hat zu unzähligen Anwendungen für das Hochleistungspolymer geführt. Drake Plastics beliefert Zerspanungsunternehmen und Händler weltweit mit unverstärkten, faserverstärkten und verschleißfesten PAI-Sorten in einer beispiellosen Auswahl an extrudierten Halbzeugen in Form von Stäben, Platten und Seamless®-Rohren in verschiedenen Abmessungen und Konfigurationen. Die Investitionen des Unternehmens in die Prozesstechnologie haben auch zur Entwicklung einzigartiger Abmessungen und Formen geführt, die den Anwendungsbereich von PAI erweitern. Drake bietet beispielsweise den weltweit größten PAI-Stab mit Abmessungen bis zu 10,125 Zoll (257,275 mm) und unübertroffene Plattenstärken bis zu 4,0 Zoll (101,6 mm). Drake bietet auch PAI-Präzisionskomponenten an, die aus seinen halbfertigen Werkzeugen hergestellt werden, und ist weithin für sein Polyamid-Imid-Spritzgießen bekannt.
Halbzeuge werden als Torlon® PAI, Drake PAI und andere Bezeichnungen geliefert
Die Handelspraktiken zur Identifizierung von PAI-Halbzeugen unterscheiden sich bei der begrenzten Anzahl von Herstellern. Einige verwenden ihre eigenen Markennamen für alle PAI-Produkte. Die Halbzeuge von Drake Plastics aus Torlon® PAI-Typen, die in Granulatform für die Schmelzverarbeitung erhältlich sind, sind mit dem Markennamen Torlon® gekennzeichnet.
Drake liefert auch Polyamid-Imid-Produkte unter der Bezeichnung Drake PAI, wenn kommerzielle Extrusionsqualitäten für Produkte, die Kunden benötigen, nicht verfügbar sind. Für die Fälle, in denen solche Produkte in Form von Halbzeugen benötigt wurden, entwickelte Drake eine Technologie zur Umwandlung von Torlon® PAI-Pulver in die für die Extrusion erforderliche pelletierte Form. Die Investition wurde getätigt, um die anhaltende Kundennachfrage nach Halbzeugen in einer bestimmten Sorte zu befriedigen, als die extrudierbare Pelletform des Kunststoffs vom Lieferanten eingestellt wurde.
Zu den Polyamid-Imid-Produkten, die unter der Bezeichnung Drake PAI im Handel angeboten werden, gehören Drake 4200 PAI-Halbzeuge. Die Formulierung eliminiert ionische Verunreinigungen, die mit dem in Standard-PAI-Formulierungen verwendeten Titanoxid verbunden sind und für Komponenten in der Halbleiterherstellung erforderlich sind. Andere Beispiele sind dünne PAI-Platten und -Folien, Konfigurationen, für die es keine Standardkunststoffe für die Extrusion gibt.
Leistungsmerkmale von Polyamid-Imid
Hohe Festigkeit und Formbeständigkeit bei extremen Temperaturen
Eine der bemerkenswertesten Eigenschaften von PAI ist die Beibehaltung eines sehr hohen Biegemoduls und einer hohen Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen, die weit über die Möglichkeiten aller anderen thermoplastischen Materialien hinausgeht. PAI hat bei 205°C (400°F) eine höhere Festigkeit und Steifigkeit als die meisten technischen Kunststoffe bei Raumtemperatur. Es behält seine Eigenschaften auch nach längerer Exposition gegenüber hohen Temperaturen sehr gut bei.
Im Vergleich zu vielen Metallen weisen mit Kohlefasern oder Glasfasern verstärkte Polyamid-Imid-Typen eine gleichwertige Steifigkeit und Festigkeit bei wesentlich geringerem Gewicht auf. Dies ist ein zwingender Grund für ihre Verwendung als Ersatz für Metalle in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich, wo geringes Gewicht und strukturelle Festigkeit bei hohen Temperaturen sowohl für die Leistung als auch für die Wirtschaftlichkeit vorrangig sind.
Im entgegengesetzten Temperaturextrem zeigt PAI eine höhere Schlagfestigkeit und Zähigkeit bei kryogenen Temperaturen, wo die meisten anderen hochfesten Polymere extrem spröde werden und schließlich versagen.
PAI bietet außerdem eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität bei großen Temperaturschwankungen. Insbesondere glas- und kohlenstoffverstärkte Sorten weisen einen sehr niedrigen CLTE-Wert (Wärmeausdehnungskoeffizient der Auskleidung) auf, der mit dem von Flugzeugaluminium vergleichbar ist.
Druckfestigkeit und Kriechbeständigkeit von PAI
Polyamid-Imid behält seine außergewöhnlich hohe Druckfestigkeit bei und ist auch bei erhöhten Temperaturen kriechfest. Unverstärkte PAI-Typen widerstehen unter hoher statischer Belastung dem Kriechen, das bei anderen mit Glas- oder Kohlefasern verstärkten Hochleistungsthermoplasten zu Druckverformungen führen kann. Sein elastisches Rückstellverhalten und seine Druckeigenschaften in Verbindung mit seiner Zähigkeit über eine breite Temperaturspanne haben dazu geführt, dass verschiedene Polyamid-Imid-Sorten in Anwendungen wie Dichtungsringen, Hydraulikstößeln, Bremsstößeln, Rückschlagkugeln, Druckscheiben und Kompressorplatten in großem Umfang eingesetzt werden. Verstärkte und geschmierte PAI-Qualitäten erhöhen das Leistungsniveau für Dichtungskomponenten, die eine höhere Festigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern.
PAI Wärmeleitfähigkeit
Anwendungen, die eine thermische Isolierung und Dämmung erfordern, wie z. B. Hitzeschilde, profitieren von der geringen Wärmeleitfähigkeit von Polyamid-Imid. PAI-Gehäuse und -Paneele werden häufig verwendet, um kritische interne Komponenten vor hohen Temperaturen zu schützen, die die Genauigkeit empfindlicher Messgeräte beeinträchtigen können.
Elektrische Eigenschaften von Polyamid-Imid
Die meisten PAI-Sorten bieten hervorragende elektrische Isolationseigenschaften, und bestimmte Sorten sind leistungsfähiger als andere. Insbesondere die im Handel angebotenen Qualitäten Torlon 4203L und 5030 PAI bieten eine außergewöhnliche Durchschlagsfestigkeit und einen hohen Volumen- und Oberflächenwiderstand. Bestimmte verschleißfeste Sorten enthalten jedoch Graphit. Während sie bei Standardtestmethoden mit Gleichstrom einen hohen spezifischen Widerstand aufweisen, können sie bei höheren Spannungen und Frequenzen eine gewisse Leitfähigkeit aufweisen.
Eine mit Kohlefasern verstärkte Sorte mit der Bezeichnung Torlon 7130 PAI ist sogar leitfähig, ein Vorteil für Anwendungen, die eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen erfordern.
Da sie spritzgegossen werden können und in spanend bearbeiteten Teilen dimensionsstabil sind, werden eine Reihe von Polyamid-Imid-Typen in großem Umfang für elektrische und elektronische Präzisionsbauteile verwendet, die hervorragende Isolier- und Isolationsfähigkeiten erfordern.
Chemische Beständigkeit von Polyamid-Imid
PAI wird von den meisten Säuren, aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie chlorierten und fluorierten Kohlenwasserstoffen bei moderaten Temperaturen praktisch nicht beeinträchtigt. Das Polymer kann jedoch von gesättigtem Dampf, starken Basen und einigen Hochtemperatursäuren angegriffen werden.
Die Nachhärtung von PAI-Formen und -Teilen nach der Schmelzverarbeitung durch Extrusion oder Spritzgießen optimiert sowohl ihre chemische Beständigkeit als auch ihre Verschleißfestigkeit. Aus diesem Grund härtet Drake Plastics alle extrudierten PAI-Halbzeuge und spritzgegossenen Teile nach. Für Polyamid-Imid-Anwendungen, die ein Höchstmaß an Chemikalienbeständigkeit erfordern, können spanend bearbeitete Teile ein zweites Mal nachgehärtet werden, um eine optimale Leistung zu gewährleisten.
PAI-Resistenz gegen Gammastrahlungsexposition
Nur wenige Thermoplaste sind so widerstandsfähig gegen eine Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften wie PAI.
Viele Polymere weisen bereits bei einerStrahlenbelastung von 103 Rad einen starken Abfall der mechanischen Eigenschaften auf. PAI zeigt jedoch eine außergewöhnliche Stabilität unter Gammastrahlung bei weitaus höheren Expositionswerten. In zertifizierten Behördentests mit109 Rad , der höchsten getestetenStrahlung , behielt eine zu 30% glasverstärkte PAI-Variante nach Langzeitexposition 95% ihrer mechanischen Eigenschaften. Seine Leistungsfähigkeit war ein wichtiger Faktor in den Spezifikationen für PAI als Material für Anwendungen im Bereich der Kernenergie, einschließlich der Komponenten, die in den Atom-U-Booten der US Navy verwendet werden.
Entflammbarkeit und Raucherzeugung von Polyamid-Imid-Sorten
Zertifizierte Einstufungen auf der Grundlage von Tests, die von großen Agenturen und Labors weltweit durchgeführt wurden, bestätigen die Eignung von Polyamid-Imid für elektrische, elektronische, Luft- und Raumfahrt- und andere Anwendungen, bei denen die Entflammbarkeit ein wichtiger Faktor ist. Die meisten im Handel erhältlichen PAI-Qualitäten haben von diesen Agenturen beeindruckende Brennbarkeitsbewertungen erhalten. Zwei kommerzielle Qualitäten, die in Form von spritzgegossenen Teilen und spanend bearbeiteten Halbzeugen als Torlon 5030 PAI und Torlon 7130 PAI erhältlich sind, übertreffen die Anforderungen der FAA hinsichtlich Entflammbarkeit, Rauchdichte und Emission toxischer Gase für den Einsatz in Verkehrsflugzeugen.
PAI Typische Anwendungen
Seit der Einführung des Polymers hat die Entwicklung mehrerer PAI-Qualitäten mit unterschiedlichen Leistungsprofilen zu einer breiten Palette von Anwendungen geführt. Alle zeichnen sich dadurch aus, dass sie langfristig verschiedenen Kombinationen von extremen Temperaturen, hohen statischen und dynamischen Belastungen und aggressiven chemischen Umgebungen standhalten müssen. Viele Anwendungen setzen auch auf die elektrischen und thermischen Isolierungs- und Isolationseigenschaften von Polyamid-Imid.
Mit diesen Eigenschaften hat sich die Familie der PAI-Formulierungen als sehr effektiv erwiesen, wenn es darum geht, diese extrem hohen Anforderungen an Lager und Verschleiß, Dichtungen, strukturelle und thermische sowie elektrische Komponenten zu erfüllen, bei denen andere technische Materialien versagt haben. Eine unvollständige Liste von Anwendungen in wichtigen Industriezweigen umfasst Komponenten für Flugzeuge, Space Shuttles und Satelliten, Fahrzeuggetriebe, Metallverarbeitung und Plasmaschneidwerkzeuge, Öl- und Gasexploration, alternative Energie- und Batteriespeicheranwendungen sowie militärische und Verteidigungswaffensysteme. Die hohe Dimensionsstabilität, die chemische Beständigkeit und die geringe Ausgasung von PAI sind die Gründe für seinen Einsatz bei der Handhabung von Halbleiterwafern, Testsockeln und Nestern. Eine von Drake entwickelte maschinell bearbeitbare Sorte von Halbzeugen ohne TiO2mit der Bezeichnung Drake PAI 4200 beseitigt auch die Bedenken hinsichtlich der Titankontamination bei Halbleiterprozessen.
Herausforderungen der Polyamid-Imid-Verarbeitung und Vorteile der Nachhärtung
PAI ist in der gesamten Branche als anspruchsvolles Material für die Extrusion und das Spritzgießen bekannt. Die inhärenten Eigenschaften von PAI erfordern ein hohes Maß an Verarbeitungsexpertise, um die optimalen Eigenschaften des Polymers in extrudierten Halbzeugen und spanend bearbeiteten Teilen zu erreichen.
Zu den Herausforderungen bei der Verarbeitung gehören die hohe Glasübergangstemperatur oder der Erweichungspunkt (Tg), die hochempfindliche Scherrate und die Parameter zur Steuerung der Schmelzviskosität sowie der enge Verarbeitungsbereich bei Temperaturen von über 315°C (600°F).
Polyamid-Imid ist außerdem sehr feuchtigkeitsempfindlich. Die Vortrocknung ist unerlässlich, und die Prozessbedingungen müssen streng überwacht und eingehalten werden, um zu verhindern, dass die Feuchtigkeit das Molekulargewicht und die physikalischen Eigenschaften beeinträchtigt.
Nach der Verarbeitung benötigt Polyamid-Imid eine längere thermische Nachhärtung über einen präzise abgestuften Temperaturzyklus bis zu 260°C (500°F). Bei richtiger Anwendung schließt dieser wesentliche Schritt den Imidisierungsprozess ab und erhöht das Molekulargewicht von PAI auf ein Niveau, das seine optimalen Eigenschaften erzielt.
Kapazität zur Deckung der wachsenden Nachfrage nach PAI-Halbzeugen und -Teilen
Seit der kommerziellen Einführung von Polyamid-Imid im Jahr 1970 hat sich eine begrenzte Anzahl von Unternehmen zu anerkannten Spezialisten für extrudierte und spritzgegossene PAI-Produkte entwickelt. Insbesondere Drake investiert kontinuierlich in die Produkt- und Prozessentwicklung und verfügt über ausreichende Kapazitäten, um die wachsende Nachfrage seiner Kunden nach einer schnellen und zuverlässigen Lieferung von Polyamid-Imid-Halbzeugen und -Teilen weltweit zu befriedigen.
