Les polyamide-imides (PAI) sont des polymères haute performance qui combinent une excellente résistance à haute température avec une ténacité et une résistance aux chocs à basse température, tout en offrant une résistance chimique exceptionnelle en tant que polymère amorphe à une large gamme de produits chimiques courants. Ils sont étroitement liés à deux autres polymères aromatique imide à haute température, les polyétherimides (PEI) et les polyimides (PI). Le polymère polyamide-imide le plus connu est le Torlon, qui a été introduit dans les années 1970 par Amoco en tant qu’extension d’un polymère à faible poids moléculaire proposé pour améliorer l’adhérence du fluoropolymère dans les ustensiles de cuisine tels que le Silverstone® et comme revêtement de fil. Les polyamides-imides sont thermoplastiques et peuvent être traités par fusion et recyclés comme le PEI, mais ils offrent une plus grande solidité, rigidité et résistance à l’usure. Contrairement au PI, qui ne peut pas être transformé à l’état fondu comme les thermoplastiques, les PAI offrent la flexibilité de la transformation à l’état fondu avec un meilleur équilibre entre la résistance, la rigidité et la résistance à l’usure, qui est maximisée par une réticulation thermique secondaire. Le PAI offre une résistance à 204°C supérieure à celle de la plupart des autres thermoplastiques, y compris le PEEK, à température ambiante, ainsi qu’un coefficient d’expansion thermique linéaire (CLTE) similaire à celui de l’aluminium. Cet ensemble unique de propriétés, ainsi que la facilité de traitement à l’état fondu, en font une solution parfaite pour plusieurs industries exigeantes, notamment :
Dans ces industries, le Torlon remplit de nombreux rôles, car son aptitude à la transformation à l’état fondu donne aux fabricants des options de conversion pour produire des formes complexes avec des tolérances élevées.
Un thermoplastique amorphe
Le polyamide-imide (PAI) est un thermoplastique amorphe et opaque qui peut être transformé à l’état fondu en utilisant les techniques classiques de moulage par injection, extrusion ou compression. Solvay Specialty Polymers est le leader mondial de la fabrication de résine PAI sous le nom de marque Torlon, avec moins de 100 entreprises dans le monde qui la transforment en diverses pièces. Les formes extrudées sont produites par Drake Plastics et Mitsubishi Chemical qui fournissent des barres rondes, des plaques, des tubes et des profilés qui sont usinés en pièces finies. Moins de cinq entreprises dans le monde moulent par compression le Torlon en très grandes formes qui sont utilisées comme joints pour les grands turbocompresseurs. Le Torlon occupe une position de pointe dans l’industrie thermoplastique grâce à son équilibre entre la rigidité, la ténacité, la force et les propriétés thermiques, tout en offrant une résistance chimique et une stabilité dimensionnelle exceptionnelles, bien qu’il s’agisse d’un polymère amorphe.
Les défis de la transformation
Lorsque le Torlon est transformé à l’état fondu, sa température de transition vitreuse élevée, son écoulement non newtonien sur une large plage de cisaillement et sa morphologie amorphe posent de nombreux défis importants. Parmi les plus difficiles, citons :
- Fenêtre de transformation étroite avec des températures de traitements supérieures à 315° C
- Une viscosité à l’état fondu très sensible à la température et au taux de cisaillement.
- En tant que polymère de polycondensation, le PAI est très sensible à l’humidité et doit être soigneusement séché et maintenu pendant la transformation à l’état fondu pour éviter la dégradation du poids moléculaire et des propriétés thermomécaniques.
- Durcissement thermique pendant 20 jours ou plus à 260°C afin d’optimiser les propriétés après le procesus de fusion.
Pour obtenir des propriétés optimales, le PAI doit être traité dans des conditions étroitement contrôlées, via un processus de durcissement thermiquement afin de faire progresser son poids moléculaire par un cycle de chauffage par étapes jusqu’à 260°C. Le processus de durcissement complète le processus d’imidisation et renforce le poids moléculaire par polycondensation. L’eau est le sous-produit de la condensation qui doit être éliminé afin de faire progresser la masse moléculaire et le Tg. La polycondensation étant une réaction à double sens, il est essentiel d’éliminer l’eau pour faire avancer la réaction. Si de l’eau est présente à des températures égales ou supérieures à la température de transition vitreuse, une hydrolyse et une perte de propriété peuvent se produire.
Au cours des 50 dernières années, des entreprises spécialisées ont appris à traiter le Torlon PAI. Il nécessite une plus grande expertise en matière de transformation que la plupart des thermoplastiques ; c’est pourquoi il n’a pas été aussi largement adopté que d’autres polymères à haute performance comme le PEEK. Les ingénieurs et les concepteurs disposent toutefois de nombreuses options de conversion pour s’approvisionner en composants polyamide-imide, tirant ainsi parti du caractère unique de ce polymère.
Options de traitement des pièces
Usinage – Les pièces en polyamide-imide peuvent être usinées à partir de formes jusqu’à des conceptions complexes, et avec des tolérances extrêmement serrées, à partir de huit grades uniques allant du polyamide-imide non chargé au PAI renforcé de fibres de verre et de carbone, en passant par les grades à faible friction et à usure. Des tolérances serrées avec des surfaces lisses sont des caractéristiques du PAI usiné. L’usinage est un choix rentable lorsque les quantités produites sont faibles et la précision élevée, car aucun outillage initial n’est nécessaire. Elle est également idéale lorsque la conception d’un composant est encore en cours de développement. Les 1/2 produits bruts à usiner proviennent d’une série de méthodes de transformation de la matière fondue, notamment l’extrusion, le moulage par compression et/ou le moulage par injection.
- L’extrusion offre le meilleur équilibre entre les propriétés du monde réel.
- Diamètres de barres de 3mm à 250mm et longueurs jusqu’à 2.438mm
- Tubes avec des combinaisons OD/ID de 25,4mm x 12,7mm à 193,6 x 88,9mm.
- Plaques d’une largeur allant jusqu’à 645mm et d’une épaisseur allant jusqu’à 44,45mm
- Formes moulées par compression – Idéales pour les grands anneaux (jusqu’à 914,4mm de diamètre) et les mélanges uniques.
- Formes moulées par injection – Idéales pour les tubes à paroi mince et les formes avec des dimensions très proches des pièces finies (NNS).
Moulage par injection – Le polyamide-imide Torlon peut être moulé par injection jusqu’à sa forme finale à l’aide d’un équipement de moulage conventionnel équipé d’éléments chauffants à haute température, d’une force de serrage suffisante (quatre tonnes/in2 de surface projetée de la pièce) et d’un barillet de taille appropriée pour l’ injection. La vis d’injection doit être une vis à faible compression avec un taux de compression de 1 à 1,5:1 et les commandes de la machine doivent être capables de régler avec précision la vitesse de remplissage et la pression. Des vis d’une seule pièce sont nécessaires, les embouts de vis des clapets anti-retour ne peuvent pas être utilisés. Les machines hydrauliques plus anciennes peuvent bénéficier de capacités d’injection assistée de gaz.
Les caractéristiques de faible écoulement du polyamide-imide fondu signifient qu’il est presque impossible d’obtenir la finition brillante ce qui est possible avec d’autres thermoplastiques. La matière fondue s’écoule dans la cavité du moule sous forme de « corde » qui fusionne pendant le cycle de remplissage et de maintien. L’état de surface du Torlon moulé a souvent été comparé à celui des moulages métalliques ou même du bois, présentant des limites distinctes entre les fronts de fusion adjacents. L’apparence n’est que superficielle et, lorsqu’elle est éliminée par usinage, elle montre un PAI uniforme et dense sous la peau. En outre, la viscosité élevée et les caractéristiques de faible rétraction du PAI fondu rendent difficile le moulage de sections transversales fines (inférieures à 0,7mm), en particulier lorsque la longueur de l’élément est supérieure à 25,4mm. Les contre-dépouilles nécessitent des actions latérales et la plupart des pièces bénéficient de grandes carottes, de glissières et d’ouvertures plus courtes que celles des autres polymères. Les systèmes de canaux chauds ne peuvent pas être utilisés, mais des carottes chaudes peuvent être incorporées. Le contrôle de la température des moules se limite à l’utilisation de circuits d’huile chaude ou d’éléments chauffants électriques. La vapeur est rarement utilisée.
La résine doit être soigneusement séchée avant le moulage à l’aide de séchoirs à dessiccation dont le point de rosée est de -40°C. Il est recommandé que les niveaux d’humidité avant le moulage soient inférieurs à 500 ppm et il est fortement recommandé de les vérifier avant de procéder au moulage.
Avant que les pièces moulées puissent être utilisées ou usinées, elles doivent être recuites. Ce processus de recuit est essentiel pour que les pièces moulées en Torlon développent toutes leurs propriétés, en particulier la résistance à la température et la ténacité. Ce cycle thermique varie selon la section transversale des pièces mais se situe généralement entre 17 et 21 jours. On ne saurait trop insister sur l’importance du cycle de recuit. Le cycle de recuit typique comprend une série d’étapes de 24 heures (5-7) entre 150°C et 251°C avant que les pièces ne soient exposées à 260°C pendant 10 jours.
Solvay approuve généralement les transformateurs avant de les autoriser à transformer le polyamide-imide Torlon. Les transformateurs certifiés Torlon sont des transformateurs approuvés par Solvay qui ont démontré leur capacité à transformer ce matériau unique. Ils utilisent des fours programmables, contrôlés par automate programmable et disposent du savoir-faire nécessaire pour offrir les propriétés de ce matériau unique.
