Sulfure de polyphénylène (PPS) Vue d’ensemble

Le sulfure de polyphénylène, communément appelé PPS, est un thermoplastique semi-cristallin doté d’une structure polymère qui lui confère un degré remarquable de résistance chimique. En fait, il n’existe aucun solvant connu pour ce thermoplastique haute performance en dessous de 200°C. Ses autres attributs notables sont sa résistance à la flamme inhérente, ses propriétés électriques et sa grande résistance mécanique. La plupart des grades commerciaux de PPS atteignent un indice d’inflammabilité UL 94 V-0 sans additifs retardateurs de flamme.

Alors que le polymère PPS non modifié présente de bonnes performances générales, l’ajout de fibres de renfort améliore considérablement sa résistance et ses propriétés structurelles et thermiques. Une température de fléchissement sous charge multipliée par deux et un module de flexion plus que triplé sont les principales raisons pour lesquelles le PPS renforcé à 40 % par des fibres de verre est beaucoup plus utilisé que les grades non chargés pour les pièces moulées et usinées porteuses de charge exposées à des conditions thermiques plus élevées.

Fournisseurs de résine PPS, Grades

Le PPS a été développé et commercialisé par Phillips Petroleum sous la marque Ryton® en 1972 et a été considéré comme le premier thermoplastique technique à haute performance. L’acquisition par Solvay de l’activité PPS de Chevron Phillips a élargi le portefeuille de polymères de l’entreprise avec une large gamme de grades Ryton® PPS comprenant des formulations renforcées par des fibres de verre et de carbone et d’autres additifs améliorant les performances. Le plus courant des grades de Ryton est le Ryton R-4 PPS renforcé de 40% de fibres de verre.

La variété des grades de PPS disponibles dans le monde s’est considérablement accrue depuis le développement et la commercialisation du polymère. Des formulations de résines ont été développées avec des caractéristiques de traitement à l’état fondu adaptées à la transformation par moulage par injection, moulage par soufflage, revêtement en poudre et extrusion. Les modifications apportées aux produits PPS qui permettent d’améliorer les performances au-delà des propriétés du polymère PPS non chargé comprennent l’ajout de renforts en verre et en minéraux pour une plus grande résistance, et d’additifs résistants à l’usure.

Aujourd’hui, Solvay reste l’un des principaux fournisseurs mondiaux de résines et de composés PPS pour lemoulage par injection et l’extrusion. Sa gamme de produits comprend des grades non chargés, ainsi que plusieurs formulations renforcées par des fibres de verre et des combinaisons de fibres minérales et de verre.

Celanese, un autre producteur mondial de polymères à haute performance, propose plusieurs grades de polyphénylène sulfure sous la marque Forton®. Sa gamme de produits comprend des grades non chargés, renforcés de fibres de verre et de minéraux, ainsi que d’autres formulations visant à améliorer les propriétés spécifiques du polymère PPS de base. En plus des matériaux PPS à performances améliorées, la gamme de résines Fortron comprend également des grades développés pour le moulage par injection, l’extrusion et d’autres procédés de fusion.

D’autres fournisseurs mondiaux de résine PPS, tels que Toray, offrent une variété de grades de polyphénylène sulfure principalement destinés au moulage par injection d’applications électriques, industrielles, et automobiles de grand volume.

Développement par Drake de 1/2 produits usinables en Ryton R-4 PPS

Le Ryton R-4 renforcé de verre à 40 % de Solvay a été l’un des principaux matériaux d’ingénierie PPS, servant d’innombrables applications dans un large éventail d’industries depuis cinq décennies. Cependant, pendant la majeure partie de son histoire, il a été principalement utilisé pour les pièces moulées par injection. Son potentiel était beaucoup plus limité dans les applications d’usinage où les configurations de pièces étaient soit trop complexes, soit dont les quantités étaient trop faibles pour les investissements en outillage de moulage par injection. Le facteur limitant a été le manque de 1/2 produits usinables de haute qualité qui portaient les certifications de résine pour les pièces usinées et les prototypes requis par de nombreuses industries.

Pour répondre à ce besoin, Drake a investi dans la technologie permettant de produire du PPS Ryton R-4 renforcé à 40 % par du verre dans une large gamme de dimensions de barres rondes et de plaques usinables. Les profilés en Ryton R-4 PPS de Drake étant extrudés à partir de résine Ryton R-4 240 100 % vierge, les propriétés du matériau sont optimales et les certifications du matériau sont disponibles selon les normes ASTM D-4067 PPS 000G40 et ASTM D-6358 PPS 011G40.

Les mélanges de PPS chargés de fibres de verre sont généralement proposés sous la forme de formes moulées par compression ou de barres ram extrudées. La poudre de PPS est mélangée à des fibres de verre courtes en interne. Les fibres courtes sont utilisées pour éviter le regroupement des fibres et les agglomérations de verre dans le mélange. Ces fibres courtes agissent davantage comme des charges par rapport au renforcement qu’apportent les fibres longues. Le mélange PPS – fibres de verre est ensuite chauffé à proximité du point de fusion du PPS 285⁰C. Sous haute pression, le mélange de fibres de verre et de poudre est consolidé et fusionné pour obtenir la forme souhaitée.

Étant donné que matière première du PPS utilisée dans le moulage par compression et l a Ram extrusion est un mélange de différente poudre, elle ne peut pas être certifiée en tant que telle selon les normes ASTM pour la résine PPS. De plus, les mélanges de poudre et de fibres de verre courtes ne répondraient probablement pas aux exigences de l’ASTM en matière de propriétés pour le PPS renforcé à 40% par du verre.

Une faiblesse caractéristique de la barre ram extrudée est son faible allongement. La transformation a tendance à former des stratifications en “copeaux” entre chaque cycle de pressage, car davantage de mélange de poudre est ajouté et pressé contre le matériau solidifié qui le précède. L’effet est évident lorsqu’on fait fléchir une barre ram extrudée pour lui donner une forme circulaire. Typiquement, il se brisera le long d’une stratification et exposera les autres.

Outre l’inconvénient des fibres courtes, le processus de moulage par compression est sujet à des variations qui entraînent une qualité et des propriétés physiques incohérentes. Il s’agit notamment des écarts dans les proportions du mélange, du mélange non uniforme, des problèmes de séchage et de contrôle de l’humidité, de l’emprisonnement de l’air et du contrôle inexact des pressions et des températures. En outre, compte tenu de la faible conductivité thermique inhérente aux polymères et de la faible densité apparente des mélanges poudre-fibres de verre, leur chauffage jusqu’à leur température de moulage nécessite souvent de longs cycles thermiques qui peuvent dégrader le polymère PPS. Cela est particulièrement vrai pour la production de grands formats. En outre, les variations des pressions de formage dues aux pertes par frottement le long de la paroi latérale du moule donnent souvent des formes moulées par compression ayant des densités et des propriétés physiques différentes dans la section supérieure et inférieure par rapport à la section centrale.

L’extrusion par fusion, en revanche, est un processus continu utilisant la résine Ryton R-4 du fournisseur de résine, uniformément pré-mélangée et renforcée de 40 % de fibres de verre, qui est testée et certifiée sous forme de granulés. Les granulés sont fondus uniformément dans le cylindre de l’extrudeuse. Dans les conditions rigoureuses de Drake pour le contrôle de la pression interne et du débit de sortie, la vis de l’extrudeuse déplace le Ryton R-4 PPS fondu à travers une filière dans la forme souhaitée. La forme extrudée est ensuite uniformément solidifiée dans des conditions de refroidissement étroitement contrôlées qui minimisent les contraintes internes.

Les 1/2 produits Ryton R-4 PPS produits par le procédé d’extrusion de Drake présentent des propriétés constantes et une usinabilité uniforme sur toute la section transversale et d’une dimension à l’autre.

Profil de performance du Ryton R-4 PPS

Haute résistance

L’une des caractéristiques les plus impressionnantes du Ryton R-4 renforcé à 40 % de fibres de verre par rapport aux grades PPS non chargés est sa résistance structurelle exceptionnellement élevée. D’après les valeurs des propriétés des 1/2 produits de Ryton R-4 Drake telles qu’extrudées, le renforcement en fibres de verre du Ryton R-4 240 PPS multiplie par près de quatre le module de flexion de ce polymère à très hautes performances par rapport au grade non renforcé.

Il se compare également de manière impressionnante à d’autres thermoplastiques à ultra-hautes performances en termes de propriétés de résistance. Lors d’essais physiques menés par Solvay, le producteur de la résine Ryton PPS, le module de flexion du Ryton R-4 240 PPS est 30 % plus élevé que celui du KetaSpire PEEK renforcé de verre de Solvay à température ambiante. Cette résistance élevée, associée à la résistance chimique et thermique inhérente du Ryton R-4, a conduit à une utilisation intensive de ce matériau haute performance pour les composants usinés et moulés par injection, tels que les guides ronds et les composants de pompe dans les équipements de l’industrie pétrolière et gazière.

Résistance à la température

Le PPS non chargé a une température de fléchissement sous charge et un point de ramolissement relativement bas. Ces facteurs limitent l’utilisation du matériau dans de nombreuses applications de service sévère qui nécessitent une résistance structurelle à des températures élevées. Cependant, le renforcement de 40 % de fibres de verre dans le Ryton R-4 PPS améliore considérablement les propriétés thermiques du polymère et ouvre les avantages inhérents de ce thermoplastique à ultra-hautes performances à une gamme d’applications beaucoup plus large.

Les propriétés de la fiche technique montrent que la température de fléchissemen sous charge (HDT) de la résine Ryton R-4 atteint la valeur impressionnante de 265°C, contre 95°C pour le PPS non chargé. Il est important de noter que la HDT est dérivée d’échantillons moulés avec les fibres orientées de manière optimale pour les tests. Les pièces réelles moulées par injection ou les pièces usinées à partir de 1/2 produit ne permettront probablement pas d’obtenir ce meilleur résultat possible. Néanmoins, un HDT élevé place le Ryton R-4 PPS dans une classe de performance avec plusieurs autres thermoplastiques à ultra-hautes performances pour une utilisation dans les connecteurs électriques, les composants de moteurs automobiles et les applications de fond de puits de forage de pétrole et de gaz exposés à des périodes prolongées de hautes températures sous charge statique.

Résistance chimique

Le PPS revendique un niveau extraordinaire de résistance chimique parmi les matériaux à ultra-hautes performances : il n’est affecté par aucun solvant connu à des températures inférieures à 200°C .

Associé à sa grande résistance à des températures élevées, cet attribut inhérent au PPS permet aux ingénieurs de concevoir des composants moulés par injection et extrudés qui conserveront une intégrité structurelle et une fonctionnalité fiables dans les environnements de fonctionnement extrêmes des équipements de traitement chimique et de forage de pétrole et de gaz.

Propriétés électriques, indices d’inflammabilité

Les propriétés diélectriques du Ryton R-4 et des autres grades de PPS sont parmi les meilleures des polymères résistant aux températures extrêmes. Le matériau haute performance présente une rigidité diélectrique de 22kV/mm, une faible constante diélectrique de 3,90 à 25°C et 1kHz, et un faible facteur de dissipation sur une gamme de températures et de fréquences.

Ce profil de propriétés électriques, combiné à ses indices d’inflammabilité UL 94 V-0 et 5VA, est à l’origine de son utilisation dans les connecteurs électriques et les corps de connecteurs moulés par injection et usinés avec précision, utilisés dans des applications allant des sous-marins nucléaires aux composants utilisés dans l’industrie pétrolière et gazière.

Applications typiques de Ryton R-4 PPS

L’équilibre global impressionnant de la résistance structurelle à haute température, les excellentes propriétés électriques, les taux d’inflammabilité et la résistance chimique ont conduit à d’innombrables applications de moulage par injection pour le PPS Ryton R-4. Le développement par Drake Plastics des 1/2 produits stables et fiables sur le plan dimensionnel dans une gamme de dimensions a permis d’étendre la fiabilité à long terme du matériau dans des conditions d’utilisation finale agressives aux composants usinés de précision. Ce sont des exemples des nombreux composants en Ryton R-4 PPS que Drake Plastics produit par moulage par injection et usinage CNC de précision :

  • D’innombrables applications pour lesquelles les principales exigences sont une résistance élevée, une résistance à l’humidité et aux produits chimiques, ainsi qu’une isolation électrique exceptionnelle à un coût raisonnable.
  • Les isolateurs de torche à plasma usinés à partir de la barre ronde Ryton R-4 PPS de Drake s’appuient sur la grande résistance structurelle du matériau et sur sa stabilité en cas de pics extrêmes de température de fonctionnement.
  • Les connecteurs et isolateurs électriques de fond de puits de forage tirent parti des propriétés d’isolation électrique et thermique, de la résistance chimique et de l’inflammabilité UL du Ryton R-4 PPS.
  • Les sièges de soupape et les bagues d’étanchéité fabriqués en Ryton R-4 ont la stabilité dimensionnelle et la résistance nécessaires pour supporter des charges statiques et des températures élevées dans les environnements de fond de puits de forage .