Polyamid-Imid (PAI) Überblick

Polyamid-Imid gilt als das leistungsfähigste schmelzverarbeitbare Polymer auf dem Markt. Chemisch gesehen gehört es zur Familie der Imidharze und ist eng mit zwei anderen aromatischen Hochtemperatur-Imidpolymeren verwandt: Polyetherimid (PEI) und Polyimid (PI). Polyimid unterscheidet sich jedoch dadurch, dass es nicht in Form von extrudierten Halbzeugen und Spritzgussteilen schmelzverarbeitet werden kann, während dies bei PAI und PEI möglich ist.

Unter den Ultra-Hochleistungspolymeren bietet PAI eine außerordentlich beeindruckende Festigkeit unter Belastung bei hohen Temperaturen. Es behält seine Steifigkeit selbst dann bei, wenn es sich seiner Glasübergangstemperatur (Tg) oder seinem Erweichungspunkt von 280°C nähert, und widersteht der Verformung unter statischer Belastung im Laufe der Zeit mit seiner überlegenen Druckfestigkeit und Kriechfestigkeit. 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 härtesten 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 unter dem Namen Torlon® vertriebenen Polyamid-Imid-Handelsprodukten gehören granulierte Typen für den Spritzguss, die Extrusion und das Formpressen zur Herstellung von Halbzeugen, die spanend bearbeitet werden können. Der Kunststoff ist auch als Halbzeug 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 Werkstoffe weisen eine Steifigkeit auf, die mit der vieler Metalle vergleichbar ist, selbst bei erheblicher wiederkehrender mechanischer Belastung und Beanspruchung 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 Bauteilen unter Belastung verlängern. In vielen Fällen können dynamisch belastete Teile aufgrund der verbesserten Verschleißfestigkeit langfristig zuverlässig funktionieren, ohne dass eine externe Schmierung erforderlich ist. Zu den Vorteilen von Anlagen und Maschinen, die Polyamid-Imid-Komponenten enthalten, gehören geringere Wartungs- und Ersatzteilkosten, längere Produktionsläufe und die Vermeidung von Verunreinigungen durch Schmiermittel.

Die Möglichkeit der Schmelzverarbeitung der verschiedenen Polyamid-Imid-Typen durch Extrusion und Spritzgießen hat zu unzähligen Anwendungen für das Hochleistungspolymer geführt. Drake Plastics beliefert Zerspanungsunternehmen und Händler weltweit mit unverstärkten, faserverstärkten und verschleißfesten PAI-Qualitäten in einer unvergleichlichen Auswahl an extrudierten Stäben, Platten und nahtlosen® Rohren in verschiedenen Größen und Konfigurationen. Die Investitionen des Unternehmens in die Verfahrenstechnik haben auch zur Entwicklung einzigartiger Größen und Teilen geführt, die den Anwendungsbereich von PAI erweitern. Drake bietet beispielsweise den weltweit größten PAI-Stab mit einem Durchmesser von bis zu 257 mm und eine unübertroffene Plattendicke von 102 mm. Drake bietet auch PAI-Präzisionskomponenten an, die aus seinen Halbzeuge hergestellt werden, und ist weithin für seine Polyamid-Imid-Spritzgussfähigkeiten 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 Extrusionstypen für die von Kunden gewünschten Produkte 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 einer bestimmten Type zu befriedigen, als der Lieferant die extrudierbare Pelletform des Kunststoffes einstellte.

Zu den Polyamid-Imid-Produkten, die unter der Bezeichnung Drake PAI kommerziell angeboten werden, gehören Drake 4200 PAI-Halbzeuge. Die Formulierung eliminiert ionische Verunreinigungen, die mit dem in Standard-PAI-Formulierungen verwendeten Titanoxid verbunden sind, und ist für Komponenten in der Halbleiterherstellung erforderlich. Weitere Beispiele sind Drake PAI-Film und -Folie, Konfigurationen, für die es keine Standardtypen für die Extrusion gibt.

Leistungsmerkmale von Polyamid-Imid

Hohe Festigkeit und Dimensionsstabilität 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. Tatsächlich hat PAI bei 205°C eine höhere Festigkeit und Steifigkeit als die meisten technischen Kunststoffe bei Raumtemperatur. Es behält seine Eigenschaften auch bei langfristiger Einwirkung von hohen Temperaturen sehr gut bei.

Im Vergleich zu vielen Metallen weisen die mit Kohlenstoff- oder Glasfasern verstärkten Polyamid-Imid-Typen eine gleichwertige Steifigkeit und Festigkeit bei wesentlich geringerem Gewicht auf. Dies ist ein zwingender Grund für ihren Einsatz 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 Schlagzähigkeit 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 Werkstoffe weisen einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CLTE) auf, der mit dem von Aluminium in Flugzeugqualität 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 Kohlenstofffasern 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-Typen in Anwendungen wie Dichtungsringen, Hydraulikstößeln, Bremsstößeln, Rückschlagkugeln, Druckscheiben und Kompressorplatten in großem Umfang eingesetzt werden. Verstärkte und geschmierte PAI-Typen erhöhen das Leistungsniveau für Dichtungskomponenten, die eine höhere Festigkeit und Verschleißfestigkeit erfordern.

PAI Wärmeleitfähigkeit

Anwendungen, die eine thermische Isolierung und Dämmung erfordern, wie zum Beispiel 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 inhärenten Eigenschaften von PAI erfordern ein hohes Maß an Verarbeitungs-Know-how, um die optimalen Eigenschaften des Polymers in extrudierten Halbzeugen sowie in bearbeiteten und spritzgegossenen Teilen zu erreichen. Insbesondere die im Handel angebotenen Typen Torlon 4203L und 5030 PAI bieten eine außergewöhnliche Durchschlagsfestigkeit und einen hohen Volumen- und Oberflächenwiderstand. Bestimmte verschleißfeste Typen 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 kohlefaserverstärkte Type mit der Bezeichnung Torlon 7130 PAI ist sogar leitfähig, ein Vorteil für Anwendungen, die eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen erfordern.

Da sie im Spritzgussverfahren zu komplizierten Konfigurationen gespritzt werden können und in spanend bearbeiteten Teilen mit engen Toleranzen dimensionsstabil sind, werden eine Reihe von Polyamid-Imid-Typen in großem Umfang für elektrische und elektronische Präzisionsbauteile verwendet, die hervorragende Isolier- und Isolierfähigkeiten erfordern.

Chemische Beständigkeit von Polyamid-Imid

PAI wird von den meisten Säuren, aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen sowie chlorierten und fluorierten Kohlenwasserstoffen bei mäßigen Temperaturen praktisch nicht beeinträchtigt. Das Polymer kann jedoch von gesättigtem Dampf, starken Basen und einigen Hochtemperatur-Säuresystemen angegriffen werden.

Die Nachtemperung von PAI-Halbzeugen und -Teilen nach der Schmelzeverarbeitung durch Extrusion oder Spritzgießen, optimiert sowohl die chemische Beständigkeit als auch die Verschleißfestigkeit. Aus diesem Grund tempert Drake Plastics alle extrudierten PAI-Halbzeuge und Spritzgussteile nach. Für Polyamid-Imid-Anwendungen, die ein Höchstmaß an Chemikalienbeständigkeit erfordern, können bearbeitete Teile ein zweites Mal nachgetempert 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 zeigen einen starken Abfall der mechanischen Eigenschaften schon bei einer Strahlenbelastung von nur103 rad. PAI zeigt jedoch eine außergewöhnliche Stabilität unter Gammastrahlung bei weit höheren Expositionswerten. In zertifizierten Tests der Behörde bei 109 Rad, der höchsten getesteten Strahlung, behielt eine zu 30 % glasverstärkte PAI-Variante nach Langzeitexposition 95 % ihrer mechanischen Eigenschaften. Seine Leistungsfähigkeit war ein wichtiger Faktor bei der Festlegung der Spezifikationen für PAI als Werkstoff für Anwendungen im Bereich der Kernenergie, einschließlich der in den Atom-U-Booten der US-Marine verwendeten Komponenten.

Entflammbarkeit und Raucherzeugung von Polyamid-Imid-Typen

Zertifizierte Einstufungen auf der Grundlage von Tests, die von führenden 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 handelsüblichen PAI-Typen werden von diesen Agenturen als schwer entflammbar eingestuft. Zwei handelsübliche Typen, die in Form von Spritzgussteilen und spanend bearbeitbaren Halbzeuge, als Torlon 5030 PAI und Torlon 7130 PAI erhältlich sind, übertreffen die Anforderungen der FAA an Entflammbarkeit, Rauchdichte und Emission toxischer Gase für den Einsatz in Verkehrsflugzeugen.

PAI Typische Anwendungen

Seit der Einführung des Polymers hat die Entwicklung mehrerer PAI-Typen 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 nutzen auch die elektrischen und thermischen Isolations- und Entkopplungseigenschaften 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, thermische und elektrische Komponenten zu erfüllen, wo andere technische Werkstoffe versagt haben. Eine unvollständige Liste von Anwendungen in wichtigen Industriezweigen umfasst Komponenten für Flugzeuge, Space Shuttles und Satelliten, Kfz-Getriebe, Metallverarbeitung und Plasmaschneidewerkzeuge, Öl- und Gasexploration im Bohrloch, alternative Energie- und Batteriespeicheranwendungen sowie militärische Waffensysteme. Die hohe Dimensionsstabilität, die chemische Beständigkeit und die geringe Ausgasung von PAI sind die Gründe für seinen Einsatz bei der Handhabung von Halbleiter-Wafern, Testsockeln und Nestern. Ein von Drake entwickelter maschinell bearbeitbarer Halbzeuge-Typ ohne TiO2 mit der Bezeichnung Drake PAI 4200 räumt ebenfalls Bedenken hinsichtlich der Titankontamination in Halbleiterprozessen aus.

Herausforderungen der Polyamid-Imid-Verarbeitung und Vorteile der Temperung

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 Verarbeitungs-Know-how, um die optimalen Eigenschaften des Polymers in extrudierten Halbzeugen sowie in bearbeiteten und spritzgegossenen Teilen zu erreichen.

.Zu den Herausforderungen bei der Verarbeitung gehören die hohe Glasübergangstemperatur bzw. der Erweichungspunkt (Tg), die hochempfindliche Schergeschwindigkeit und die Parameter zur Steuerung der Schmelzviskosität sowie der enge Verarbeitungsbereich bei Temperaturen von über 315oC .

Polyamid-Imid ist außerdem sehr feuchtigkeitsempfindlich. Die Vortrocknung ist unerlässlich, und die Prozessbedingungen müssen streng überwacht und eingehalten werden, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit das Molekulargewicht und die physikalischen Eigenschaften beeinträchtigt.

.After processing, polyamide-imide requires extended thermal post-curing over a precisely-staged temperature cycle up to 260oC. Bei ordnungsgemäßer Durchführung schließt dieser wesentliche Schritt den Imidisierungsprozess ab und erhöht das Molekulargewicht von PAI auf ein Niveau, das seine optimalen Eigenschaften erreicht.

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 geformte 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 bedienen.