PEEK: Der vielseitige Hochleistungskunststoff für Extremeinsätze
Was ist Polyetheretherketon?
Polyetheretherketon (PEEK) ist ein teilkristalliner thermoplastischer Hochleistungskunststoff aus der Familie der Polyaryletherketone (PAEK). Er wurde 1978 von Imperial Chemical Industries (ICI) entwickelt und Anfang der 1980er Jahre von Victrex PLC markteingeführt. Die chemische Struktur besteht aus abwechselnden Ether- und Ketogruppen, die über Arylringe verbunden sind und dem Material ein äußerst rigides molekulares Rückgrat verleihen.
Eigenschaften und Beständigkeit
PEEK vereint Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen und bietet eine einzigartige Kombination aus mechanischer Festigkeit, thermischer Stabilität und chemischer Resistenz.
Thermische und mechanische Kennwerte
Die Glasübergangstemperatur liegt bei etwa 143 °C, die Schmelztemperatur bei 334 °C bis 343 °C. Die Dauergebrauchstemperatur beträgt bis zu 260 °C, kurzzeitig sind sogar 300 °C bis 340 °C möglich. Die Zugfestigkeit liegt bei 90 bis 116 MPa, der E-Modul bei 3,6 bis 4,2 GPa. PEEK ist schwer entflammbar nach UL94 V-0 und besitzt eine sehr geringe Ausgasungsrate, was ihn für Vakuum-Anwendungen prädestiniert.
Chemische und physikalische Resistenz
Der Werkstoff zeigt hervorragende Beständigkeit gegenüber nichtoxidierenden Säuren, Laugen, heißem Wasser und Wasserdampf bis etwa 280 °C sowie gegenüber organischen Lösungsmitteln, Mineralölen und Schmierstoffen. Er ist resistent gegen Gammastrahlung und Röntgenstrahlung. Unbeständig zeigt sich PEEK jedoch gegen konzentrierte Salpetersäure, konzentrierte Schwefelsäure, UV-Strahlung in Verbindung mit Luftsauerstoff sowie einige Halogenkohlenwasserstoffe. Die natürliche Farbe reicht von braun-grau-gelb bis beige.
Verarbeitungsverfahren
Durch seine hohe Schmelztemperatur erfordert PEEK spezielle Verarbeitungsbedingungen und ist anspruchsvoller zu verarbeiten als Standardkunststoffe.
Konventionelle Fertigung
Im flüssigen Zustand bei etwa 335 °C bis 343 °C kann PEEK durch Spritzguss oder Extrusion geformt werden. Im festen Zustand ist er hervorragend spanend bearbeitbar (Fräsen, Drehen, Bohren). Für die spanende Bearbeitung stehen PEEK-Halbzeuge wie Platten, Rundstäbe und Hohlstäbe zur Verfügung.
Additive Fertigung
Für den 3D-Druck steht PEEK als Filament für das Fused-Deposition-Modeling (FDM/FFF) oder als Granulat für das Fused-Granulate-Fabrication (FGF) zur Verfügung. Moderne Verfahren erreichen dabei über 95 % der Festigkeit von Spritzgussteilen. Alternativ ist das Selektive Lasersintern (SLS) mit PEEK-Pulver möglich. Für Medizinprodukte der Klasse IIa steht spezielles biokompatibles PEEK-Filament zur Verfügung.
Anwendungsbereiche
Aufgrund seiner Vielseitigkeit findet PEEK in zahlreichen Branchen Verwendung, von der Medizintechnik bis zur Raumfahrt.
Medizintechnik und Biokompatibilität
PEEK ist biokompatibel nach ISO 10993 und USP Class VI, wiederholt sterilisierbar (über 1500 Zyklen im Autoklaven bei 134 °C) und röntgendurchlässig. Er wird für Implantate, Zahnprothesen, Wirbelsäulenstabilisierungssysteme und chirurgische Instrumente eingesetzt. Besondere Typen wie TECAPEEK MT ermöglichen Haut- und Blutkontakt bis zu 24 Stunden oder bei speziellen Dentaltypen bis zu 180 Tagen.
Luft- und Raumfahrt sowie Elektrotechnik
In der Luftfahrt ersetzt PEEK Metallbauteile bei Kunststoffprofilen und Befestigungselementen und reduziert dadurch das Gewicht. Er eignet sich für Hitzeschilde, Sitzkomponenten und elektrische Isolatoren. In der Halbleiterindustrie wird er für Wafer-Träger und Test-Sockets verwendet, da er hochrein ist und nur minimale Metallionen freisetzt.
Chemische Industrie und Allgemeiner Maschinenbau
PEEK wird für Ventile, Pumpenkomponenten, Dichtungen und Lager in aggressiven Medien eingesetzt. PEEK-Kapillaren widerstehen Drücken bis zu 420 bar und finden Anwendung in der HPLC-Chromatographie. Im Maschinenbau dienen PEEK-Schrauben und Muttern als elektrisch isolierende Befestigungselemente.
Wirtschaftliche und technische Aspekte
PEEK gehört zu den Hochleistungskunststoffen an der Spitze der Kunststoffpyramide. Die Kosten für PEEK-Granulat liegen zwischen 50 und 120 €/kg, als Filament bei etwa 500 €/kg. Dies reflektiert den komplexen Herstellungsprozess und die geringe Weltproduktion im Vergleich zu Massenkunststoffen. Hersteller wie Victrex, Solvay (KetaSpire), Evonik (Vestakeep) und Ensinger bieten verschiedene Modifikationen an, darunter glasfaserverstärkte (GF30) und kohlefaserverstärkte (CF30) Typen, die die Steifigkeit auf bis zu 6,3 GPa erhöhen.