Polyamide-imide (PAI) Vue d’ensemble

Le polyamide-imide est reconnu comme le polymère transformable par fusion le plus performant qui soit. Chimiquement, il fait partie de la famille des résines imides et est étroitement lié à deux autres polymères imides aromatiques à haute température : le polyétherimide (PEI) et le polyimide (PI). Le polyimide diffère cependant en ce qu’il ne peut pas être transformé par fusion sous forme de 1/2 produits extrudées et de pièces moulées par injection, alors que le PAI et le PEI le peuvent.

Parmi les polymères à ultra-hautes performances, le PAI offre une résistance exceptionnellement impressionnante sous charge à haute température. Il conserve sa rigidité même lorsqu’il approche de sa température de transition vitreuse (Tg) ou point de ramollissement de 280°C et résiste à la déformation sous charge statique dans le temps grâce à sa résistance supérieure à la compression et au fluage. La résistance à l’usure du polyamide-imide, sa grande résistance chimique et sa résistance aux radiations à haute énergie s’ajoutent à son extraordinaire profil de performance qui le rend idéal pour les applications dans les environnements de service les plus sévères.

Fournisseurs, produits

Solvay, premier producteur mondial de résines 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, ainsi que pour l’extrusion et le moulage par compression pour la production de 1/2 produits usinables. La résine polymère est également disponible sous forme de poudre pour une utilisation dans les adhésifs haute température, les époxys, les revêtements et les composites.

Une prolifération d’applications et le désir d’obtenir des niveaux plus élevés de propriétés physiques ont conduit au développement de plusieurs grades 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 développées pour augmenter la résistance à des températures élevées, étendant 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’il soit intrinsèquement résistant à l’usure, les formulations de PAI ont été développées avec des additifs qui améliorent les propriétés de palier et d’usure du polymère et prolongent la durée de vie fonctionnelle des composants mobiles et rotatifs sous charge. 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 intégrant des composants en polyamide-imide comprennent des coûts de maintenance et de remplacement réduits, des cycles de production plus longs et l’élimination du risque de contamination par les lubrifiants.

La possibilité de transformer les différents grades de polyamide-imide par extrusion et moulage par injection a donné lieu 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 et destinées aux paliers et à l’usure, dans une gamme inégalée de barres, de plaques et de tubes Seamless® extrudés, de dimensions et de configurations. Les investissements de l’entreprise dans la technologie de fabrication ont également conduit au développement de dimensions et de formes uniques qui élargissent la gamme d’applications du PAI. À titre d’exemple, Drake propose la barre ronde de diamètre PAI la plus grande au monde avec des dimensions allant jusqu’à 257,27 mm, et des épaisseurs de plaque inégalées allant jusqu’à 101,6 mm. Drake fournit également des composants PAI de précision usinés à partir de ses 1/2 produits et est largement reconnue pour ses capacités de moulage par injection de polyamide-imide.

1/2 produits fournies en tant que Torlon® PAI, Drake PAI et autres désignations.

Les pratiques commerciales pour identifier les 1/2 produits en PAI diffèrent parmi le nombre limité de fabricants spécialisés. Certains utilisent leur propre marque pour tous les produits PAI. Les 1/2 produits de Drake Plastics fabriquées à partir des grades Torlon® PAI disponibles commercialement sous forme de granulés pour le traitement par fusion sont identifiées par la 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 dont les clients ont besoin. Lorsque de tels produits étaient requis sous la forme d’ébauches, Drake a développé une technologie permettant de convertir la poudre de Torlon® PAI en granulés nécessaires à l’extrusion. L’investissement visait à répondre à la demande continue des clients pour des 1/2 produits dans un grade spécifique lorsque le fournisseur a cessé d’utiliser la résine sous forme de granulés extrudables.

Les produits en polyamide-imide proposés commercialement sous la désignation Drake PAI comprennent les 1/2 produits Drake 4200 PAI. La formulation élimine les impuretés ioniques associées à l’oxyde de titane utilisé dans les formulations PAI standard et est requise pour les composants utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs. D’autres exemples sont la feuille mince et le film Drake PAI, des configurations pour lesquelles les résines standard pour l’extrusion ne sont pas disponibles.

Attributs de performance du polyamide-imide

Haute résistance et stabilité dimensionnelle aux 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 204°C 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 équivalente pour un poids nettement inférieur. C’est une raison impérieuse pour les utiliser en remplacement des métaux dans les applications aérospatiales et de défense, par exemple, où la légèreté et la résistance structurelle à haute température 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, alors que la plupart des autres polymères à haute résistance deviennent extrêmement fragiles et finissent par s’effondrer.

Le PAI offre également une excellente stabilité dimensionnelle sur de larges 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 résistance 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 grades non renforcés de PAI résistent au fluage qui peut provoquer une déformation rémanente à la compression dans d’autres thermoplastiques haute performance renforcés par des fibres de verre ou de carbone. Son comportement de récupération élastique et ses propriétés de compression, combinés à sa ténacité sur une large plage de températures, ont entraîné l’utilisation intensive de divers grades de polyamide-imide dans des applications telles que les bagues d’étanchéité, les poussoirs hydrauliques, les poussoirs de frein, les billes de contrôle, les rondelles de butée et les disques de compresseur. Les grades renforcés et lubrifiés de PAI augmentent le niveau de performance des composants d’étanchéité qui requièrent une force et une résistance à l’usure plus élevées.

Conductivité thermique du PAI

Les applications nécessitant une isolation thermique, comme 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 grades proposés dans le commerce comme le Torlon 4203L et le 5030 PAI offrent notamment une rigidité diélectrique exceptionnelle et une résistivité volumique et superficielle 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 constitue 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 les pièces usinées à tolérance serrée, 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.

La post-réticulation des 1/2 produits et des pièces en PAI après leur transformation 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 soumet à un traitement de post- réticulation toutes ses 1/2 produits extrudées en PAI et ses pièces moulées par injection. Pour les applications en polyamide-imide qui exigent le plus haut niveau de résistance chimique, les pièces usinées peuvent être post-réticulée 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 forte baisse des propriétés mécaniques à des niveaux d’exposition aussi bas 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 à 109 rads, le niveau le plus élevé testé, un grade de PAI renforcé de verre à 30 % a conservé 95 % de ses propriétés mécaniques après une exposition de longue durée. Ses performances ont été un facteur important dans les spécifications du PAI comme matériau pour les applications dans le domaine de l’énergie nucléaire, y compris les composants utilisés dans les sous-marins nucléaires de la marine américaine.

Inflammabilité et production de fumée des grades de polyamide-imide

Des évaluations certifiées 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 affichent un classement d’inflammabilité impressionnant auprès de ces organismes. Deux grades commerciaux disponibles sous forme de pièces moulées par injection et de 1/2 produits usinables, le Torlon 5030 PAI et le Torlon 7130 PAI, dépassent les exigences de la FAA en matière d’inflammabilité, de densité de fumée et d’émission de gaz toxiques pour une utilisation dans les avions commerciaux.

Applications typiques du PAI

Depuis l’introduction du polymère, le développement de plusieurs grades de PAI avec différents profils de performance a donné lieu à une large gamme d’applications. Toutes se caractérisent par le fait qu’elles 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 reposent 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 haute performance dans des applications de paliers et d’usure, d’étanchéité, de composants structurels, thermiques et électriques où d’autres matériaux d’ingénierie ont échoué. Une liste partielle des utilisations dans les principales industries comprend les 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 puit de forage, 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 de disques de semi-conducteurs, les supports de test. Une qualité de 1/2 produit usinable développée par Drake sans TiO2 et désignée Drake PAI 4200 résout également les problèmes de contamination par le titane dans les procédés de semi-conducteurs.

Les défis de la transformation des polyamides et des imides et les avantages de la post-réticulation

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 formes extrudées et les pièces usinées et moulées.

Parmi les défis à relever en matière de transformation, citons la température de transition du vitreuse ou point de ramollissement (Tg) élevée, le taux de cisaillement et les paramètres de contrôle de la viscosité de la masse fondue très sensibles, ainsi qu’une plage de transformation étroite à des températures supérieures à 315°C. .

Le polyamide-imide est également très sensible à l’humidité. Le pré-séchage est essentiel, et les conditions de traitement doivent être rigoureusement surveillées et maintenues pour éviter que l’humidité ne dégrade son poids moléculaire et ses propriétés physiques.

Après le transformation, le polyamide-imide nécessite une post-réticulation thermique prolongée sur un cycle de température précisément échelonné jusqu’à 260°C. Lorsqu’elle est correctement mise en œuvre, cette étape essentielle complète le processus d’imidisation et porte le poids moléculaire du PAI à un niveau qui lui permet d’atteindre ses propriétés optimales.

Capacité à répondre à la demande croissante de formes et de 1/2 produit PAI

Depuis l’introduction commerciale du polyamide-imide en 1970, un nombre limité de sociétés spécialisées se sont imposées comme des spécialistes reconnus des produits PAI extrudés et moulés. Drake, 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 pour un approvisionnement rapide et fiable de 1/2 produits et de pièces en polyamide-imide dans le monde entier.