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 schmelzverarbeitet und recycelt werden können, aber eine höhere Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit aufweisen. Im Gegensatz zu PI, das nicht wie Thermoplaste in der Schmelze verarbeitet werden kann, bieten PAIs die Flexibilität der Schmelzeverarbeitung mit einem besseren Gleichgewicht von Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit, das durch eine sekundäre thermische Aushärtung maximiert wird. PAI bietet eine höhere Festigkeit bei 400°F als die meisten anderen Thermoplaste, einschließlich PEEK, bei Raumtemperatur sowie einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CLTE) ähnlich dem von Aluminium. Diese einzigartigen Eigenschaften und die Verarbeitbarkeit in der Schmelze machen es zu einem perfekten Material für verschiedene anspruchsvolle Branchen, darunter auch für die Automobilindustrie:

In diesen Branchen erfüllt Torlon viele Aufgaben, da seine Schmelzverarbeitbarkeit den Herstellern die Möglichkeit gibt, komplizierte Formen mit hohen Toleranzen herzustellen.

Ein amorpher Thermoplast

Polyamid-Imid (PAI) ist ein amorpher, undurchsichtiger Thermoplast, der durch herkömmliche Spritzguss-, Extrusions- oder Formpressverfahren schmelzverarbeitet 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 verschiedenen Teilen verarbeitet wird. Extrudierte Formen werden von Drake Plastics und Mitsubishi Chemical hergestellt, die Stangen, Platten, Rohre und Profile liefern, die zu fertigen Teilen 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 Industrie 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 in der Schmelze stellen die hohe Glasübergangstemperatur, das nicht-newtonsche Fließen über einen weiten Scherbereich und die amorphe Morphologie des Materials eine große Herausforderung dar. Zu den größten Herausforderungen gehören:

  • Enges Verarbeitungsfenster mit Verarbeitungstemperaturen von mehr als 600 F
  • Schmelzviskosität, die stark temperatur- und schergeschwindigkeitsabhängig ist
  • Als Polykondensationspolymer ist PAI sehr feuchtigkeitsempfindlich und muss während der Schmelzverarbeitung gründlich getrocknet und gepflegt werden, um eine Verschlechterung des Molekulargewichts und der thermisch-mechanischen Eigenschaften zu verhindern.
  • Thermische Aushärtung für 20 oder mehr Tage bei 500 F zur Optimierung der Eigenschaften nach der Schmelzverarbeitung

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 500 F zu erhöhen. Der Aushärtungsprozess vervollständigt den Imidisierungsprozess und erhöht das Molekulargewicht durch Polykondensation. Wasser ist das Kondensationsnebenprodukt, das entfernt werden muss, um die MW und 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 zum Verlust von Eigenschaften 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 wie PEEK. Ingenieure und Designer haben jedoch viele Möglichkeiten, Polyamid-Imid-Bauteile umzuwandeln und so die Einzigartigkeit dieses Polymers zu nutzen.

Optionen zur Teilebearbeitung


Bearbeitung
– Polyamid-Imid-Teile können aus acht einzigartigen Qualitäten, die von ungefülltem Polyamid-Imid über glas- und kohlenstofffaserverstärktes PAI bis hin zu reibungsarmen und verschleißfesten Qualitäten reichen, von der Form bis zum komplexen Design und mit extrem engen Toleranzen bearbeitet werden. Enge Toleranzen mit glatten Oberflächen sind Merkmale von maschinell bearbeitetem PAI. Die maschinelle Bearbeitung ist eine kosteneffiziente Wahl, wenn die Produktionsmengen gering und die Präzision hoch sind, da keine Vorrüstung von Werkzeugen erforderlich ist. Es ist auch ideal, wenn sich das Design eines Bauteils noch in der Entwicklung befindet. Die zu bearbeitenden Vorratsformen stammen aus einer Reihe von Schmelzverarbeitungsverfahren wie Extrusion, Formpressen und/oder Spritzgießen.

  • Die Extrusion bietet das beste Gleichgewicht zwischen den Eigenschaften der realen Welt.
    • Stabdurchmesser von .125-10 Zoll in Längen bis zu 8 Fuß
    • Rohre mit OD/ID-Kombinationen von 1″ x .5″ bis 7.625″ x 3.5″
    • Platten mit einer Breite von bis zu 14 Zoll und einer Dicke von bis zu 1,75″
  • Formgepresste Formen – Ideal für große Ringe (bis zu 36 Zoll Durchmesser) und einzigartige Mischungen.
  • Spritzgegossene Formen – Am besten geeignet für dünnwandige Rohre und netznahe Formen (NNSs)


Spritzgießen
– Torlon Polyamid-Imid kann mit konventionellen Spritzgießmaschinen in die endgültige Form gebracht werden, die mit Hochtemperaturheizungen, ausreichender Schließkraft (vier Tonnen/in2 der projizierten Teilefläche) und einem für den Schuss angemessen dimensionierten Zylinder 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 Schrauben sind erforderlich, Rückschlagventil-Schraubenspitzen dürfen nicht verwendet werden. Ältere hydraulische Maschinen können von einer gasunterstützten Einspritzfunktion profitieren.

Das geringe 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 Pack- und Haltezyklus zusammenschmelzt. Die Oberflächenbeschaffenheit von gegossenem Torlon wird oft mit Metallguss oder sogar Holz verglichen, da sie deutliche Grenzen zwischen benachbarten Schmelzfronten 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 0,030″), insbesondere wenn die Länge der Formteile größer als 1″ ist. Hinterschneidungen erfordern seitliche Eingriffe, und die meisten Teile profitieren von großen Angüssen, Kufen und Anschnitten, die kürzer sind als bei anderen Polymeren. Es dürfen keine Heißkanalsysteme verwendet werden, aber es dürfen Heißkanäle 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 Trockenmittel-Trocknern mit einem Taupunkt von -40°F gründlich getrocknet werden. Es wird empfohlen, dass der Feuchtigkeitsgehalt vor dem Gießen unter 500 ppm liegt, und es wird dringend empfohlen, dies vor der Verarbeitung zu überprüfen.

Bevor geformte Teile verwendet oder bearbeitet werden können, müssen sie ausgehärtet werden. Dieser Aushärtungsprozess ist entscheidend dafür, dass geformte 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 Heilungszyklus kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. Der typische Aushärtungszyklus umfasst eine Reihe von 24-stündigen Schritten (5-7) zwischen 300°F und 485°F, bevor die Teile 10 Tage lang 500°F ausgesetzt werden.

Solvay genehmigt 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 liefern.