Aperçu du polyamide-imide (PAI)
Le polyamide-imide est reconnu comme le plus performant des polymères transformables à l’état fondu. Chimiquement, il fait partie de la famille des polymères imides et est étroitement lié à deux autres polymères imides aromatiques à haute température : le polyétherimide (PEI) et le polyimide (PI). Le polyimide se distingue toutefois par le fait qu’il ne peut pas être transformé par fusion en pièces extrudées et en pièces moulées par injection, alors que le PAI et le PEI le peuvent.
Parmi les polymères à très hautes performances, le PAI offre une résistance exceptionnellement impressionnante sous charge à des températures élevées. Il conserve sa rigidité même lorsqu’il s’approche de sa température de transition vitreuse (Tg) ou point de ramollissement de 537°F (280°C) et résiste à la déformation sous charge statique au fil du temps grâce à sa résistance supérieure à la compression et au fluage. La résistance à l’usure du polyamide-imide, sa large résistance chimique et sa résistance aux rayonnements à haute énergie s’ajoutent à son profil de performance extraordinaire qui le rend idéal pour les applications dans les environnements de service les plus sévères.
Fournisseurs, produits
Solvay, premier producteur mondial de polymères PAI, fournit une gamme de formulations de polyamide-imide sous la marque Torlon® PAI. Les formes commerciales de polyamide-imide vendues sous le nom de Torlon® comprennent des grades granulés pour le moulage par injection, et pour le moulage par extrusion et par compression pour la production de formes usinables. La résine polymère est également disponible sous forme de poudre pour les adhésifs haute température, les époxydes, les revêtements et les composites.
La prolifération des applications et le désir d’obtenir des niveaux plus élevés de propriétés physiques ont conduit au développement de plusieurs qualités de PAI aux performances améliorées dans les décennies qui ont suivi l’introduction commerciale du polymère en 1970.
Des formulations renforcées de fibres de verre et de carbone ont été mises au point pour augmenter la résistance à des températures élevées, élargissant ainsi les possibilités d’application du PAI pour les composants structurels. Ces qualités de résistance supérieure présentent une rigidité comparable à celle de nombreux métaux, même sous des charges et des contraintes mécaniques répétitives considérables à des températures élevées.
Bien qu’intrinsèquement résistant à l’usure, les formulations de PAI ont été développées avec des additifs qui améliorent les propriétés de roulement et d’usure du polymère et prolongent la durée de vie des composants mobiles et rotatifs soumis à des charges. Dans de nombreux cas, l’amélioration de la résistance à l’usure qui en résulte permet aux pièces soumises à une charge dynamique de fonctionner de manière fiable à long terme sans nécessiter de lubrification externe. Les avantages pour les équipements et les machines incorporant des composants en polyamide-imide sont notamment la réduction des coûts de maintenance et de remplacement, l’allongement des cycles de production et l’élimination du risque de contamination par les lubrifiants.
La possibilité de transformer à l’état fondu les divers grades de polyamide-imide par extrusion et moulage par injection a donné naissance à d’innombrables applications pour ce polymère à très hautes performances. Drake Plastics fournit aux entreprises d’usinage et aux distributeurs du monde entier des qualités de PAI non renforcées, renforcées par des fibres, ainsi que des qualités pour le roulement et l’usure, dans une gamme inégalée de barres extrudées, de plaques et de tubes sans soudure®, en termes de dimensions et de configurations. Les investissements de l’entreprise dans la technologie des procédés ont également permis de développer des dimensions et des formes uniques qui élargissent la gamme d’applications du PAI. À titre d’exemple, Drake propose la plus grande barre de diamètre PAI au monde avec des dimensions allant jusqu’à 10,125 pouces (257,275 mm), et des plaques d’une épaisseur inégalée allant jusqu’à 4,0 pouces (101,6 mm). Drake fournit également des composants PAI de précision usinés à partir de ses semi-produits et est largement reconnu pour ses capacités de moulage par injection de polyamide-imide.
Les semi-produits sont fournis sous les noms de Torlon® PAI, Drake PAI et autres désignations.
Les pratiques commerciales d’identification des semi-produits de PAI diffèrent selon le nombre limité de fabricants spécialisés. Certains utilisent leur propre marque pour tous les produits PAI. Les semi-produits de Drake Plastics fabriqués à partir de grades de PAI Torlon® disponibles dans le commerce sous forme de granulés pour le traitement par fusion sont identifiés par le nom de marque Torlon®.
Drake fournit également des produits en polyamide-imide sous la désignation Drake PAI lorsque les qualités d’extrusion commerciales ne sont pas disponibles pour les produits demandés par les clients. Lorsque ces produits étaient requis sous forme de semi-produits, Drake a mis au point une technologie permettant de convertir la poudre de Torlon® PAI en granulés nécessaires à l’extrusion. L’investissement visait à répondre à la demande constante des clients pour des semi-produits d’une qualité spécifique lorsque le fournisseur a cessé d’offrir la résine sous forme de boulettes extrudables.
Les produits en polyamide-imide proposés dans le commerce sous la désignation Drake PAI comprennent les formes en stock Drake 4200 PAI. La formulation élimine les impuretés ioniques associées à l’oxyde de titane utilisé dans les formulations PAI standard et est nécessaire pour les composants utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs. D’autres exemples sont les feuilles minces et les films Drake PAI, configurations pour lesquelles les polymères standard pour l’extrusion ne sont pas disponibles.
Attributs de performance du polyamide-imide
Haute résistance et stabilité dimensionnelle à des températures extrêmes
L’une des caractéristiques les plus remarquables du PAI est qu’il conserve un module de flexion et une résistance à la traction très élevés à des températures élevées, bien au-delà des capacités de tous les autres matériaux thermoplastiques. En fait, le PAI présente une résistance et une rigidité supérieures à 205°C (400°F) à celles de la plupart des plastiques techniques à température ambiante. Il conserve également très bien ses propriétés après une exposition prolongée à des températures élevées.
Par rapport à de nombreux métaux, les grades de polyamide-imide renforcés par des fibres de carbone ou de verre présentent une rigidité et une rigidité équivalentes pour un poids nettement inférieur. C’est une raison convaincante pour les utiliser en remplacement des métaux dans les applications aérospatiales et de défense, par exemple, où la légèreté et la résistance structurelle à des températures élevées sont des priorités en termes de performances et d’économie.
À l’opposé, le PAI présente une plus grande résistance aux chocs et une plus grande ténacité à des températures cryogéniques où la plupart des autres polymères à haute résistance deviennent extrêmement fragiles et finissent par tomber en panne.
Le PAI offre également une excellente stabilité dimensionnelle en cas de fortes variations de température. Les qualités renforcées de verre et de carbone, en particulier, présentent un CLTE (coefficient de dilatation thermique du revêtement) très faible, comparable à celui de l’aluminium de qualité aéronautique.
Résistance à la compression et au fluage du PAI
Le polyamide-imide conserve sa résistance à la compression exceptionnellement élevée et résiste au fluage sous charge à des températures élevées. En fait, sous une charge statique élevée, les qualités non renforcées de PAI résistent au fluage qui peut provoquer une déformation par compression dans d’autres thermoplastiques hautes performances renforcés par des fibres de verre ou de carbone. Son comportement élastique de récupération et ses propriétés de compression, combinés à sa ténacité sur une large plage de températures, ont conduit à une large utilisation de divers grades de polyamide-imide dans des applications telles que les joints d’étanchéité, les clapets hydrauliques, les poussoirs de freins, les billes de contrôle, les rondelles de butée et les plaques de compresseurs. Les qualités de PAI renforcées et lubrifiées élèvent le niveau de performance pour les pièces jointes qui nécessitent une plus grande solidité et une meilleure résistance à l’usure.
Conductivité thermique du PAI
Les applications nécessitant une isolation thermique, telles que les boucliers thermiques, bénéficient de la faible conductivité thermique du polyamide-imide. Les boîtiers et panneaux PAI sont souvent utilisés pour protéger les composants internes critiques des températures élevées qui peuvent affecter la précision des instruments sensibles.
Propriétés électriques du polyamide-imide
La plupart des grades de PAI offrent d’excellentes propriétés d’isolation électrique, et certains grades offrent des niveaux de performance plus élevés que d’autres. Les qualités proposées dans le commerce sous les noms de Torlon 4203L et 5030 PAI en particulier offrent une rigidité diélectrique exceptionnelle et une résistivité de volume et de surface élevée. Toutefois, certaines qualités résistantes à l’usure contiennent du graphite. Bien qu’ils présentent des propriétés de résistivité élevées selon les méthodes d’essai standard utilisant le courant continu, ils peuvent présenter une certaine conductivité à des niveaux de tension et de fréquence plus élevés.
Un grade renforcé de fibres de carbone, le Torlon 7130 PAI, est en fait conducteur, ce qui est un atout pour les applications nécessitant un blindage contre les interférences électromagnétiques.
Parce qu’ils peuvent être moulés par injection dans des configurations complexes et qu’ils sont dimensionnellement stables dans des pièces usinées à tolérances étroites, un certain nombre de grades de polyamide-imide sont largement utilisés pour les composants électriques et électroniques de précision nécessitant des capacités d’isolation et d’isolement supérieures.
Résistance chimique du polyamide-imide
Le PAI n’est pratiquement pas affecté par la plupart des acides, des hydrocarbures aliphatiques et aromatiques et des hydrocarbures chlorés et fluorés à des températures modérées. Le polymère peut toutefois être attaqué par la vapeur saturée, les bases fortes et certains systèmes acides à haute température.
Le post-polymérisation des formes et des pièces en PAI après leur traitement à l’état fondu par extrusion ou moulage par injection optimise à la fois leur résistance chimique et leur résistance à l’usure. C’est pourquoi Drake Plastics postcure toutes ses pièces extrudées en PAI et ses pièces moulées par injection. Pour les applications de polyamide-imide qui exigent le plus haut niveau de résistance chimique, les pièces usinées peuvent être post-polymérisées une seconde fois pour garantir des performances optimales.
Résistance du PAI à l'exposition aux rayons gamma
Peu de thermoplastiques offrent la résistance à la dégradation des propriétés physiques qu’offre le PAI.
De nombreux polymères présentent une chute brutale de leurs propriétés mécaniques à des niveaux d’exposition aussi faibles que103 rads . Le PAI fait cependant preuve d’une stabilité exceptionnelle sous rayonnement gamma à des niveaux d’exposition bien plus élevés. Lors de tests effectués par des agences certifiées à109 rads , le niveau le plus élevé testé, un grade de PAI renforcé de 30 % de verre a conservé 95 % de ses propriétés mécaniques après une exposition de longue durée. Ses performances ont joué un rôle majeur dans les spécifications du PAI en tant que matériau pour des applications dans le domaine de l’énergie nucléaire, y compris les composants utilisés dans les sous-marins nucléaires de la marine américaine.
Inflammabilité et dégagement de fumée des grades de polyamide-imide
Des certifications basées sur des tests effectués par les principaux organismes et laboratoires du monde entier valident l’adéquation du polyamide-imide pour les applications électriques, électroniques, aérospatiales et autres où l’inflammabilité est un facteur important. La plupart des qualités de PAI disponibles dans le commerce présentent des indices d’inflammabilité impressionnants de la part de ces agences. Deux qualités commerciales disponibles sous forme de pièces moulées par injection et de pièces usinées, le Torlon 5030 PAI et le Torlon 7130 PAI, surpassent les exigences de la FAA en matière d’inflammabilité, de densité des fumées et d’émissions de gaz toxiques pour l’utilisation dans les avions commerciaux.
Applications typiques du PAI
Depuis l’introduction du polymère, le développement de plusieurs qualités de PAI avec différents profils de performance a stimulé une large gamme d’applications. Tous sont caractérisés par le fait qu’ils doivent résister à une exposition à long terme à diverses combinaisons de températures extrêmes, de charges statiques et dynamiques élevées et d’environnements chimiques agressifs. De nombreuses applications s’appuient également sur les propriétés d’isolation électrique et thermique du polyamide-imide.
Grâce à ces attributs, la famille de formulations PAI s’est avérée très efficace pour répondre à ces exigences de très hautes performances dans les roulements et l’usure, les joints, les composants structurels, thermiques et électriques, là où d’autres matériaux d’ingénierie ont échoué. Une liste partielle des utilisations dans les principales industries comprend des composants pour les avions, les navettes spatiales et les satellites, les transmissions automobiles, les outils de traitement des métaux et de découpe au plasma, l’exploration pétrolière et gazière en fond de puits, les applications d’énergie alternative et de stockage des batteries, ainsi que les systèmes d’armes militaires et de défense. La grande stabilité dimensionnelle, la résistance chimique et le faible dégagement gazeux du PAI sont à l’origine de son utilisation dans les applications de manipulation des plaquettes de semi-conducteurs, les douilles de test et les nids. Une nuance de semi-produits usinables développée par Drake sans TiO2et désignée Drake PAI 4200 résout également les problèmes de contamination par le titane dans les processus de fabrication des semi-conducteurs.
Défis du traitement des polyamides-imides et avantages de la post-polymérisation
Le PAI est reconnu dans toute l’industrie comme un matériau difficile à extruder et à mouler par injection. Les caractéristiques inhérentes au PAI nécessitent un haut degré d’expertise en matière de transformation pour obtenir les propriétés optimales du polymère dans les pièces extrudées et les pièces usinées et moulées.
Parmi les défis posés par la transformation, citons la température de transition élevée du verre ou point de ramollissement (Tg), le taux de cisaillement très sensible et les paramètres de contrôle de la viscosité de la matière fondue, ainsi qu’une plage de transformation étroite à des températures supérieures à 315 °C (600 °F).
Le polyamide-imide est également très sensible à l’humidité. Le pré-séchage est essentiel et les conditions du processus doivent être rigoureusement contrôlées et maintenues pour empêcher l’humidité de dégrader le poids moléculaire et les propriétés physiques du produit.
Après traitement, le polyamide-imide nécessite une post-polymérisation thermique prolongée sur un cycle de température échelonné avec précision jusqu’à 260°C (500°F). Lorsqu’elle est correctement mise en œuvre, cette étape essentielle complète le processus d’imidisation et augmente le poids moléculaire du PAI jusqu’à un niveau permettant d’obtenir ses propriétés optimales.
Capacité à répondre à la demande croissante de semi-produits et de pièces en PAI
Depuis l’introduction commerciale du polyamide-imide en 1970, un nombre limité d’entreprises spécialisées se sont imposées comme des spécialistes reconnus des produits PAI extrudés et moulés. Semi-produit, en particulier, continue d’investir dans le développement de produits et de procédés et maintient une capacité suffisante pour répondre à la demande croissante de ses clients en matière de fourniture rapide et fiable de formes et de pièces en polyamide-imide dans le monde entier.
