Aperçu du sulfure de polyphénylène (PPS)
Le sulfure de polyphénylène, communément appelé PPS, est un thermoplastique semi-cristallin dont la structure polymérique lui confère un degré remarquable de résistance chimique. En fait, il n’existe aucun solvant connu pour ce thermoplastique haute performance en dessous de 392°F (200°C). Ses autres attributs notables sont sa résistance inhérente à la flamme, ses propriétés électriques et sa grande résistance mécanique. La plupart des qualités commerciales de PPS atteignent l’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 d’un renfort en fibres améliore considérablement sa ténacité et ses propriétés structurelles et thermiques. Un doublement de la température de déflexion à chaud et un module de flexion plus que triplé sont les principales raisons pour lesquelles le PPS renforcé de 40 % de fibres de verre est beaucoup plus utilisé que les qualités non chargées pour les pièces moulées et usinées porteuses 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 Rytonâ en 1972 et a été considéré comme le premier thermoplastique technique à hautes performances. L’acquisition par Solvay de l’activité PPS de Chevron Phillips a élargi le portefeuille de polymères de l’entreprise avec une large famille de grades Ryton® PPS comprenant des formulations renforcées par des fibres de verre et de carbone et d’autres additifs améliorant les performances. Le Ryton le plus courant est le Ryton R-4 PPS renforcé de 40 % de fibres de verre .
La variété des qualités de PPS disponibles dans le monde s’est considérablement élargie depuis le développement et la commercialisation du polymère. Des formulations de polymères ont été développées avec des caractéristiques de traitement à l’état fondu adaptées au moulage par injection, au moulage par soufflage, au revêtement par poudre et à l’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 polymères et de composés PPS pour lemoulage par injection et l’extrusion. Sa gamme de produits comprend des grades non chargés et 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 qualités de sulfure de polyphénylène sous la marque Forton®. Sa gamme de produits comprend des qualités non chargées, renforcées par des fibres de verre et des minéraux, ainsi que d’autres formulations visant à améliorer les propriétés spécifiques du polymère PPS de base. Outre les matériaux PPS aux performances améliorées, la gamme de résines Fortron comprend également des qualités développées pour le moulage par injection, l’extrusion et d’autres procédés de fusion.
D’autres fournisseurs mondiaux de polymères PPS, tels que Toray, proposent une variété de grades de sulfure de polyphénylène principalement destinés au moulage par injection d’applications industrielles, automobiles et électriques de grand volume.
Développement par Drake de semi-produits usinables en Ryton R-4 PPS
Le Ryton R-4 de Solvay, renforcé à 40 % par du verre, a été l’un des principaux matériaux d’ingénierie PPS, servant d’innombrables applications dans un large éventail d’industries depuis cinq décennies. Toutefois, 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 des 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 semi-produits usinables de haute qualité portant les certifications de la 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 et de plaques usinables. Les pièces extrudées en Ryton R-4 PPS de Drake étant fabriquées à partir de résine Ryton R-4 240 100 % vierge, les propriétés du matériau sont optimales et les certifications ASTM D-4067 PPS 000G40 et ASTM D-6358 PPS 011G40 sont disponibles.
Les mélanges de PPS chargés de fibres de verre sont généralement proposés sous forme de pièces moulées par compression ou de barres extrudées. La poudre de PPS est mélangée à des fibres de verre courtes en interne. Des 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 que comme un renforcement par des fibres longues. Le mélange PPS – fibre de verre est ensuite chauffé à une température proche du point de fusion du PPS (545⁰F/ 285⁰C). Sous haute pression, le mélange fibre de verre – poudre est consolidé et fusionné dans la forme souhaitée.
Étant donné que la forme de la matière première du PPS utilisée dans le moulage par compression et l’extrusion par bélier est un mélange de poudres variables, elle ne peut pas être certifiée en tant que telle selon les normes de l’ASTM pour la résine PPS. En outre, les mélanges de poudres et de fibres de verre courtes ne répondraient probablement pas aux exigences de l’ASTM en matière de propriétés pour les PPS renforcés à 40 % par des fibres de verre.
L’une des faiblesses caractéristiques des barres rondes extrudées est leur faible allongement. Le processus a tendance à former des stratifications en « copeaux de poker » entre chaque cycle de pressage, car un mélange de poudres supplémentaire est ajouté et pressé contre le matériau solidifié qui le précède. L’effet est évident lorsqu’on fait fléchir une pièce extrudée ronde. Généralement, il se brise le long d’une stratification et en expose d’autres.
Outre l’inconvénient des courtes longueurs, le processus de moulage par compression est sujet à des variations qui se traduisent par une qualité et des propriétés physiques irrégulières. Il s’agit notamment d’écarts dans le rapport de mélange, de mélanges non uniformes, de problèmes de séchage et de contrôle de l’humidité, de piégeage de l’air et d’un contrôle imprécis 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, le fait de les chauffer à leurs températures de moulage nécessite souvent de longs cycles thermiques qui peuvent dégrader le polymère PPS. Cela est particulièrement vrai pour la production de dimensions plus importantes. En outre, les variations de la pression de moulage dues aux pertes par frottement le long de la paroi latérale du moule donnent souvent des formes moulées par compression dont les densités et les propriétés physiques sont différentes dans la partie supérieure et inférieure par rapport à la partie centrale.
L’extrusion à l’état fondu, en revanche, est un processus continu qui utilise la résine Ryton R-4 renforcée à 40 % par des fibres de verre, uniformément pré-composée par le fournisseur de résine, qui est testée et certifiée sous forme de granulés. Les granulés sont fondus uniformément dans le cylindre de l’extrudeuse. Sous les conditions rigoureuses de Drake pour le contrôle de la pression interne et du débit, la vis de l’extrudeuse déplace le Ryton R-4 PPS fondu à travers une filière dans la forme de stock souhaitée. La pièce extrudée est ensuite uniformément solidifiée dans des conditions de refroidissement étroitement contrôlées qui minimisent les contraintes internes.
Les semi-produits en Ryton R-4 PPS produits par le procédé d’extrusion de Drake présentent des propriétés constantes et une usinabilité uniforme sur l’ensemble de 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 de 40 % de fibres de verre par rapport aux grades de PPS non chargés est sa résistance structurelle exceptionnellement élevée. D’après les valeurs des propriétés des pièces extrudées Drake Ryton R-4, le renforcement en fibres de verre du Ryton R-4 240 PPS augmente le module de flexion de ce polymère à très hautes performances de près de quatre fois par rapport au grade non renforcé.
Il se compare également de manière impressionnante à d’autres thermoplastiques à ultra-hautes performances en ce qui concerne les 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 fibres de verre de Solvay à température ambiante. Cette résistance élevée, associée à la résistance chimique et thermique inhérente au Ryton R-4, a conduit à une large utilisation de ce matériau haute performance pour les composants usinés et moulés par injection, tels que les guides de barre et les composants de pompe dans les équipements de l’industrie pétrolière et gazière en fond de puits.
Résistance à la température
Le PPS non chargé a une température de distorsion thermique et un point de ramollissement relativement bas. Ces facteurs empêchent l’utilisation du matériau dans de nombreuses applications de service sévère qui nécessitent une résistance structurelle à des températures élevées. Le renfort de 40 % de fibres de verre dans le PPS Ryton R-4 améliore toutefois considérablement les propriétés thermiques du polymère et ouvre les avantages inhérents à 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 déformation à chaud (HDT) de la polymère Ryton R-4 atteint la valeur impressionnante de 265°C (509°F), contre 95°C (203°F) pour le PPS non chargé. Il est important de noter que le HDT est dérivé d’échantillons moulés avec les fibres orientées de manière optimale pour le test. Les pièces moulées par injection ou les pièces usinées à partir de semi-produits ne permettront probablement pas d’obtenir le meilleur résultat possible. Néanmoins, une HDT élevée place Ryton R-4 PPS dans une classe de performance avec plusieurs autres thermoplastiques à ultra-hautes performances utilisés dans les connecteurs électriques, les composants de moteurs automobiles et les applications pétrolières et gazières de fond de puits exposées à des périodes prolongées de températures élevées sous charge statique.
Résistance chimique
Le PPS revendique un niveau extraordinaire de résistance chimique parmi les matériaux à très hautes performances : il n’est affecté par aucun solvant connu à des températures inférieures à 200°C (392°F).
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 d’exploitation extrêmes des équipements de traitement chimique et des équipements de puits de pétrole et de gaz.
Propriétés électriques, indices d'inflammabilité
Les propriétés diélectriques du Ryton R-4 et d’autres grades de PPS sont parmi les meilleures des polymères résistant aux températures extrêmes. Ce matériau haute performance présente une rigidité diélectrique de 22kV/mm, une faible constante diélectrique de 3,90 à 25°C et 1kHz, ainsi qu’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 moulés par injection et usinés avec précision, ainsi que dans les corps de connecteurs utilisés dans des applications allant des sous-marins nucléaires aux composants utilisés dans l’industrie du pétrole et du gaz.
Applications typiques du Ryton R-4 PPS
L’équilibre global impressionnant de la résistance structurelle à des températures élevées, les excellentes propriétés électriques, les indices d’inflammabilité et sa résistance chimique ont conduit à d’innombrables applications moulées par injection pour le Ryton R-4 PPS. Le développement par Drake Plastics de semi-produits dimensionnellement stables et fiables 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 par usinage CNC de précision :
- D’innombrables applications où les exigences clés 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 Ryton R-4 PPS de Drake s’appuient sur la résistance structurelle élevée du matériau et sur sa stabilité en cas de pics extrêmes des températures de fonctionnement.
- Les connecteurs et isolateurs électriques de bord et de fond de puits tirent parti des propriétés d’isolation électrique et thermique du Ryton R-4 PPS, de sa résistance chimique et de son classement UL en matière d’inflammabilité.
- Les sièges de soupape et les joints 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.
