Polietereimmide (Ultem)

Un polietereimmide (PEI) è un materiale termoplastico amorfo dalle elevate prestazioni: presenta eccellenti proprietà termiche, è autoestinguente e ha una buona resistenza chimica e stabilità dimensionale nella fase di stampaggio. Ha una temperatura di transizione vetrosa (Tg) di circa 215°C e proprietà simili a quelle di polietereterchetone (PEEK), ma con minori costi, maggiore stabilità termica e miglior resistenza all’urto; tuttavia una PEI può essere attaccata da solventi alogenati mentre non subisce danni se attaccata da altri agenti chimici come, ad esempio, idrocarburi. Le sue applicazioni più importanti sono in campo medico e chimico grazie alla possibilità di un uso prolungato a 170°C. (Vedi paragrafo 1)

General produce un prodotto base Ultem 1000 a cui si aggiungono delle varianti, che hanno le stesse caratteristiche fondamentali, ma ampliano il campo di utilizzo. Ultem base ha un colore ambrato e trasparente (fig 1.1) e ha la seguente struttura chimica (1.2):

images1.1 ULTEM PEI Resin1.2

Nel 1970 i ricercatori della General Electric Co. svilupparono  un nuovo polimero che era una combinazione tra poliimmide e unità polieteree: il prodotto venne commercializzato sotto il nome di Ultem

Estratti del brevetto:

Numero di pubblicazione US7230066 B2
Tipo di pubblicazione Concessione
Numero domanda US 11/015,216
Data di pubblicazione 12 giu 2007
Data di registrazione 16 dic 2004
Data di priorità 16 dic 2004
Stato tariffa Pagato
Pubblicato anche come CN101080434AAltri 5 »
Inventori Farid KhouriJulia LeeSheldon Shafer
Assegnatario originale General Electric Company
Esporta citazione BiBTeXEndNoteRefMan
Polycarbonate—ultem block copolymers

The present invention provides novel block copolycarbonates comprising residues from a hydroxy terminated polyetherimide or polyimide, residues from a dihydroxy compound, and residues from an activated carbonate. In a preferred embodiment of the present invention the polyetherimide or polyimide blocks exhibit high Mwwhile the resulting block copolycarbonate exhibits a single Tg. The novel block copolycarbonates of the present invention are produced under melt polymerization conditions in the presence an activated carbonate source.

bre001

Le sue applicazioni sono:

  • elettriche:l’ottimo potere isolante e le proprietà antifiamma lo rendono adatto in molte applicazioni in questo settore.
  • meccaniche: si utilizzase si necessita un materiale ad alte prestazioni sia a basse che ad alte temperature come cuscinetti, ingranaggi di precisione, etc. facilmente sterilizzabile
  • chimiche: buone resistenze alla corrosione e stabilità termica
  • alimentare: fisiologicamente inerte
  • medico: facilmente sterilizzabile

1 USI E UTILIZZI

1.1 Ristorazione/ Catering

Le alte prestazioni e la flessibilità di progettazione consentono l’utilizzo delle PEi per la produzione di utensili e stoviglie da cucina (es. vaschette per alimenti, bacinelle ecc..)che possono essere riusati dopo l’uso. Questo materiale è ideale per il campo culinario poichè resiste fino a 200°C e può essere usato sia nei forni tradizionali che nei forni a microonde. Può essere lavato con prodotti chimici essendo in grado di resistere alle aggressioni (tranne alogenati e alcalini).

1.2 Medicina

Il polietereimmide è utilizzato nel campo medico poichè rispetta ISO10993, FDA e USP classe VI. Sopporta vari metodi di sterilizzazione come il gas EtO, radiazioni gamma, autoclave e calore secco e resiste contro la maggior parte dei lipidi, detergenti e disinfettanti.

1.3 Settore aereonautico

PEI è un materiale autoestinguente con ritardo di fiamma ed è molto usato nel settore aereo (es. valvole d’aria, rivestimenti di interni). Rispetta le normative aeree per gli interni e ha superato le prove per il rilascio di calore e le prove di densità del fumo (bassissima emissione di fumi e gas tossici) e presenta un’ottima resistenza ai fluidi idraulici aeromobili rendendolo idoneo per i veicoli aerei.

1.4 Automotive

La resina ULTEM ® fornisce , nel settore automobilistico, un rendimento elevato e un’ottima alternativa al metallo: è resistente in modo tale da sostituire l’acciaio in alcune parte e l’alluminio in altre e non subisce le aggressioni da parte dei liquidi del settore come olii, combustibili, ecc…  (vengono realizzati per es. componenti di trasmissione, componenti di accensione ecc..) L’utilizzo di questo materiale permette l’eliminazione di operazioni secondarie elettriche e isolanti. Viene utilizzato anche per realizzare fari e apparecchi luminosi (es. riflettori fendinebbia, prese per lampadine ecc..) con nuove forme grazie alla sua elasticità e flessibilità. Un latro punto a favore di questo materiale è il peso che cala notevolmente poichè è più sottile rispetto agli altri materiali utilizzati.

1.5 Telecomunicazioni e Applicazioni MID

Le possibilità di placcatura unica con il processo di incollaggio, la facilità di montaggio e di integrazione dei componenti attraverso gli accoppiamenti a scatto rendono questa resina utilizzabile nelle telecomunicazioni e applicazioni MID. Consente la combinazione di funzioni elettriche con i vantaggi dello stampato ad iniezione tridimensionale per la realizzazione dei componenti meccanici (es. unità di controlli elettrici, componenti di computer, connettori per fibre ottiche ecc..).

1.6 Elettronica e illuminazione

In questo campo il PEI è adatto per ogni esigenza per applicazioni elettriche e di illuminazione (es. connettori, riflettori). E’ in grado di sopportare la prova di pressione ed è adatto per essere usato come materiale isolante nei trasformatori e nei motori fino a 600 Volt.

1.7 HVAC / Fluid Handling

Nei casi in cui il calore e i fluidi sono combinati ad una applicazione la resina ULTEM è in grado ad offrire un’equilibrio ideale tra le proprietà. (es. giranti, valvole di espansione, serbatoi acqua calda, ecc..). Avendo una resistenza al calore a lungo termine, resistenza alla linea Weld, omologazione di acqua potabile fino a 90°C (approvazione KTW), eccellenti proprietà meccaniche anche con acqua calda e buona stabilità all’idrolisi rendono la PEI ottima per l’utilizzo in questo campo. 

2- PROPRIETA’

2.1 Proprietà termica

Una delle proprietà eccezionali di questo materiale è la capacità di sopportare alte temperature a lungo termine. Questa combinata alla resistenza alla fiamma rende la PEI qualificata per usi ad alte temperature. Ultem 1000, la resina base ha la certificazione UL classe A con indice termico relativo a 170°C (RTI) secondo UL746B. Il carico necessario per la deformazione del materiale a 190°C è di HDT / Ae 1,80 MPa (vedi fig. 2.1). Il materiale ha una bassa dilatazione termica e ciò permette l’applicazione con altri materiali in un ampio intervallo di temperatura  (le proprietà del materiale restano eccellenti e non si modificano a temperature elevate).

ultemproductbrochure-21                            ULTEM PEI Resin

2.2 Resistenza alle fiamme

La resistenza al fuoco e alle fiamme è una delle peculiarità di questo materiale. E’ stato valutato Vo a o,41 mm (UL94) e 5VA a 1,6 mm. PEI ha un indice di ossigeno limitato di 47 il più alto di qualsiasi termoplastico. (FIGURA 4.3). Un fattore chiavenel determinare la sicurezza di un materiale è la generazione di fumo in condizioni reali di incendio. ULTEM ® mostra livelli estremamente bassi nella generazione di fumo, dimostrato dalla prova di evoluzione NBS (figura 2.4).

ULTEM PEI Resin

2.3 Proprietà meccaniche

A temperatura ambiente PEI mostra proprietà meccaniche superiori ad altri termoplastici presenti in commercio (es. nylon 6, 66, poliesteri ecc..) con un carico di snervamento di 105 MPa (ISO R527) e  una resistenza alla flessione di 160 MPa (ISO 178). Il modulo di flessione della PEI resta elevato ad alte temperature. Ultem 1000 di base, ha le stesse prestazioni di altre resine che devono essere caricate con fibre di vetro. Questo materiale offre la possibilità di avere una trasparenza mantenendo le stesse proprietà meccaniche. (fig 2.4)

2.4

ULTEM PEI Resin

Oltre alla combinazione di alta resistenza e modulo Ultem offre anche una duttilità eccezionale. L’allungamento a trazione a snervamento offre la libertà di incorporare lo scatto (es. attacco a baionetta ecc..), una facililtà di montaggio anche con l’aggiunta del 10% di rinforzo in fibra di vetro. Un’altra caratteristica meccanica è la resistenza all’urto. Poichè il materiale mostra sensibilità al taglio è necessario ridurre al minimo gli angoli per fornire resistenza massima. La resistenza alla fatica è buona e il materiale sopporta sia le vibrazioni che i carichi ciclici. Il polietereimmide ha, inoltre, un’eccellente resistenza al creep anche ad alte temperature e resiste ad alti livelli di stress che altri materiali termoplastici non hanno.

2.4 Proprietà elettriche

Il PEI presenta eccellenti proprietà elettriche che rimangono stabili in un ampio intervallo di temperatura. Questa stabilità, unita alla resistenza termica e alle proprietà meccaniche che possiede, rendono questo materiale ideale per le applicazioni elettroniche ad alte prestazioni.

2.5 Resistenza ambientale

A differenza di altre resine amorfe le PEI dimostrano un’ ottima resistenza ad una vasta gamma di prodotti chimici quali fluidi automobilistici ed aerei, idrocarburi, alcoli ecc..Resiste alle soluzioni saline e agli acidi minerali ma subisce le aggressioni da parte dei detergenti chimici alogenati. Infatti l’esposizione a alogenati e ambienti alcalini forti deve essere evitata. Questa resina riesce a resistere ai raggi UV senza l’aggiunta di stabilizzanti e dopo una lunga esposizione a questi raggi la variazione del materiale è minima.

3 LAVORAZIONI

Sebbene la maggior parte dei prodotti costituti dal PEI sono modellati con componenti finiti si possono effettuare seconde lavorazioni meccaniche, di assemblaggio o di finitura. C’è una vasta gamma di operazioni secondarie disponibili.

3.1 Saldatura

Ultem può essere saldato attraverso la saldatura a vibrazione o la saldatura a ultrasuoni. La saldatura a vibrazione  è una tecnica perfettamente appropriata per una larga gamma di materiali termoplastici spesso considerati difficili da unire  e si presta anche all’unione di materiali simili ma eterogenei tra di loro. L’unione di materiali termoplastici con l’utilizzo della saldatura a vibrazione, avviene per fusione delle superfici a contatto. Il metodo di saldatura è a frizione per cui non vi è apporto di calore dall’esterno ma questo proviene dalla dissipazione dell’energia prodotta per attrito. L’aumento della temperatura locale necessaria al processo è ottenuta con sfregamento che fonde i lembi opportunamente predisposti dei due pezzi da saldare. Gli stessi, nella fase di raffreddamento sotto pressione, rimangono saldati. Sul pezzo sottoposto a movimento, viene applicata una pressione di spinta in modo da mantenere in contatto le parti da unire durante il processo di saldatura. La saldatura di materiali termoplastici per mezzo degli ultrasuoni si è rapidamente consolidata grazie al continuo sviluppo del commercio di materie plastiche ed al tipo di applicazione tecnologica semplice ed estremamente pulita. La saldatura a ultrasuoni permette una sicura e durevole giunzione di differenti prodotti anche con lunghi periodi di vita. Si possono individuare quatto fasi principali nel processo di generazione ed utilizzo degli ultrasuoni:

  1. Vibrazioni elettriche ultrasonore alla frequenza dai 20 ai 40 kHz sono create da un generatore di potenza ad ultrasuoni, che viene alimentato con la normale corrente di rete a 50 Hz.
  2. Un convertitore muta poi le vibrazioni ad alta frequenza elettrica, provenienti dal generatore, in vibrazioni meccaniche – comparabili ad un micro martellamento ultra-veloce.
  3. L ‘ampiezza costante prodotta dal convertitore viene modificata o trasferita tramite il booster, in base alle esigenze dell’applicazione.
  4. Infine, il sonotrodo trasmette l’energia di vibrazione ad alta frequenza alla superficie di saldatura.

Sotto l’influenza della forza applicata, le vibrazioni create sono convertite in energia termica (calore latente di fusione) tramite il movimento di attrito delle superfici a contatto e l’assorbimento delle onde ultrasonore: Il materiale su entrambe le parti interessate alla saldatura fonde, formando un giunto pressoché omogeneo dopo il raffreddamento. Il materiale fuso, e quindi la forza risultante di connessione, può essere positivamente influenzato regolando l’ampiezza o la forza applicata.
3.2 Adesivi

Le parti in resina ULTEM possono essere legati insieme o unite a materiali diversi usando un’amplia varietà di adesivi. Ci sono diversi tipi di adesivi raccomandati per questo materiale: adesivi epossidici, adesivi poliuretani e siliconici. Sono sconsigliati cianoacrilati (es. attack) e sistemi acrilici che risultano aggressivi.

3.3 Assemblaggio meccanico

Le tecniche di assemblaggio meccanico sono ampiamente utilizzate con questo materiale. L’uso di speciali viti filettate sono consigliate perchè evitano la rottura del materiale. Si possono utilizzare altre tecniche di assemblaggio quali inserti, inserti filettati, sovrastampaggio, viti autofilettanti con angolo basso, tutti i tipi di rivetti ecc..

3.4 Pittura

Un’ampia varietà di colori e texture sono disponibili per lavorazioni secondarie del PEI. SI possono utilizzare pitture organiche disponibili e che siano compatibili con il materiale. La pittura è un mezzo economico per migliorare l’estetica e fornire conformità cromatica. E’ necessario effettuare un pretrattamento lavando a mano le superfici interessate mediante detergenti idonei che non aggrediscono il materiale (vedi paragrafo 2.5)

3.5 Metallizzazione

La metallizzazione di materie plastiche è normalmente effettuata per motivi decorativi o funzionali. Le proprietà associate ai metalli come riflessività, resistenza all’abrasione e decorazione possono essere realizzati attraverso il procedimento della metallizzazione. Per realizzarla bisogna, nella maggior parte dei casi, effettuare un pretrattamento. Quando il prodotto risulta finito si raccomanda la pulizia con panni facendo attenzione dato che questo procedimento aumenta la sensibilità ai graffi. Il metodo migliore per mantenere le modanature pulite è metallizzare le parti  subito dopo lo stampaggio. Metodi di metallizzazione: Metallizzazione sotto vuoto mediante sputtering (PE- CVD) con apparecchiature ad alta tensione.

3.6 Placcatura

La placcatura può essere realizzata tramite placcatura elettrolitica. Dopo l’applicazione di uno strato metallico conduttivo sulla plastica (es. argento) si applica un secondo strato di metalli selezionati. I metalli più utilizzati sono cromo, nickel o oro in vari spessori.

4 PRODOTTI

Gamme prodotti General Elettric

– Ultem  ® 1000 base: polimero di base con serie di resine, rinforzato per il contatto con gli alimenti, USP, classe VI, estrusione e stampaggio ad iniezione

– Ultem  ® 2000: rinforzato con fibra di vetro per avere maggiore rigidità e migliore stabilità dimensionale sia in fase di stampaggio sia dopo il completamento del prodotto.

– Ultem  ® 3000: offre l’aggiunta di fibra di vetro e di cariche minerali (es. biossido di titanio, talco, caolino ecc..) e quindi  maggior resistenza e maggior stabilità dimensionale

– Ultem  ® 4000 : offre alta resistenza all’usura e un coefficiente ridotto di attrito

– Ultem  ® 5000: presenta una resistenza chimica maggiore, migliore resistenza contro i fluidi idraulici di aeromobili

– Ultem  ® 6000: massima resistenza al calore

– Ultem  ® 7000: rinforzato con fibra di carbonio e presenza un’eccezionale rapporto resistenza-peso

– Ultem  ® 9000: soddisfa tutte le normative del settore aereo, fornito con certificazione  e non è rinforzato.

–  Ultem  ® ATX 100 offre un migliore impatto di prestazione ed è metallizzabile senza primer.

–  Ultem  ® 9085 è un termoplastico ignifugo ad alte prestazione per la fabbricazione digitale diretta e prototipazione rapida. E’ ideale per il settore dei trasporti grazie al suo elevato rapporto resistenza-peso ed è certificato FST (fire, smoke, toxicity). Questo è l’ideale per l’industria commerciale, dei trasporti e aeronautica.

Per concludere le PEI offrono grandi prestazioni mantenendo (nella versione base) la trasparenza. Le sue caratteristiche sono:

  • resistenza al calore
  • resistenza alle fiamme
  • resistenza agli urti
  • resistenza a flessione e ai carichi di snervamento
  • duttibilità
  • bassa generazione di fumo
  • alta resistenza al creep
  • resistenza ad alti livelli di stress (vibrazioni, carichi ecc..)
  • stabilità dimensionale
  • resistenza a prodotti chimici aggressivi (no alogenati, alcalini)
  • resistenza raggi uv e infrarossi

Fonti: Catalogo ufficiale resina ULTEM  ®, http://it.wikipedia.org/wiki/Polietereimmidehttp://www.sinthesieng.it/it/ultemhttp://www.stratasys.com/it/materiali/fdm/ultem-9085http://www.hycompinc.com/pdfs/ultemproductbrochure.pdfhttp://www.google.co.in/patents/US7230066

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