Polyetheretherketon (PEEK)

Hochleistungswerkstoff für Kapillaren, Fittings, Folien und Befestigungselemente

Polyetheretherketon (PEEK) nimmt unter den Polymeren eine Sonderstellung ein. Dieser bemerkenswerte Hochleistungskunststoff hat gegenüber Massenkunststoffen wie etwa Polyethylen (PE) oder Polyvinylchlorid (PVC) einiges in petto, von extremer Hitzebeständigkeit bis hin zu beeindruckender Chemikalienfestigkeit. Das Material ist vielseitig einsetzbar und findet Verwendung in der Medizintechnik, Elektrotechnik, Prozesstechnik sowie Luft- und Raumfahrt.

Doch worauf fußen die bemerkenswerten Eigenschaften und was macht PEEK als Werkstoff für wichtige Komponenten in der Industrie und im Labor – wie Schläuche, Schlauchverbinder, Folien und Befestigungselemente – so wertvoll?

Die Kunststoff-Pyramide: Standardkunststoffe, Technische Kunststoffe und Hochleistungspolymere

Die Kunststoffpyramide unterteilt Kunststoffe in die drei Kategorien Standardkunststoffe, Technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe.

Das Fundament bilden die Standardkunststoffe, auch Massenkunststoffe genannt. Der Begriff bezeichnet solche thermoplastischen Kunststoffe, die günstig in großen Mengen produziert werden können und breite Verwendung finden. Dazu zählen vor allem Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) und Polystyrol (PS), die zusammen ca. zwei Drittel des weltweit verwendeten Kunststoffbedarfs ausmachen. Sie kommen in Anwendungen zum Einsatz, die keine großen Anforderungen an Temperaturbeständigkeit oder Festigkeit stellen, wie beispielsweise Verpackungsmaterialien, Kunststoffbehälter und Gehäuse.

Technische Kunststoffe wie Polyamid (PA) oder Polycarbonat (PC) stehen in der Kunststoffpyramide weiter oben und besitzen im Allgemeinen ein besseres technisches Eigenschaftsprofil. Sie sind jedoch teurer in der Herstellung.

Übersicht der thermoplastischen Kunststoffe

An der Spitze der Pyramide finden sich die Hochleistungskunststoffe, die auch als Hochleistungspolymere, Hochleistungsthermoplaste, Hightech-Kunststoffe oder Hochtemperaturkunststoffe bezeichnet werden. Sie können bei Dauergebrauchstemperaturen von über +150 °C – teilweise sogar bis kurzzeitig über +500 °C – eingesetzt werden und grenzen sich damit deutlich von den technischen und Standardkunststoffen ab. Ihre Herstellung ist jedoch in der Regel sehr viel anspruchsvoller und basiert auf komplexeren Monomeren. Dies macht sich auch im Preis bemerkbar, der das 20-fache des Preises von Standardkunststoffen betragen kann.

Doch mit steigender Komplexität der Herstellung vergrößert sich auch das Leistungsspektrum des resultierenden Kunststoffs. So findet das Hochleistungspolymer Polytetrafluorethylen (PTFE) etwa Verwendung als Beschichtungsmaterial auf Metalloberflächen, Hochtemperaturschmiermittel oder als Werkstoff für chemikalienfeste Kunststoffschläuche und Dichtungen.

PEEK als Hochleistungskunststoff für Schläuche, Fittings und mehr

Neben Polymeren wie zum Beispiel Polyparaphenylen (PPP), Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon (PESU, früher auch PES) oder Polyimid (PI) zählt auch Polyetheretherketon (PEEK) zu den Hightech-Kunststoffen. Die genannten Vertreter enthalten neben Arylgruppen weitere funktionelle Gruppen wie Sulfid-, Sulfon-, Ether-, Keto-, Arylimid- oder Imidgruppen.

PEEK gehört dabei zur Familie der Polyetherketone (PEK), in deren molekularen Struktur abwechselnd Ethergruppen (R–O–R) und Ketonfunktionalitäten (R–CO–R) vorkommen. Die Anordnung der Ether- und Ketogruppen ist dabei nahezu beliebig und eine Wiederholungseinheit kann mehr als eine Ether- oder Ketogruppe besitzen, was die Polyetherketone zu einer variablen Materialgruppe mit einem breiten Einsatzspektrum macht.

Die geläufigsten Vertreter sind (die) Polyaryletherketone (PAEK). In diesen sind die Ether- und Ketogruppen jeweils über eine in (1,4)-Position verknüpfte Arylgruppe verbunden, was ihnen ein äußerst starres Rückgrat und im Vergleich zu anderen Kunststoffen sehr hohe Glasübergangs- und Schmelztemperaturen verleiht. Im Polymer PEEK enthält die Wiederholungseinheit zwei Ethergruppen und eine Ketogruppe.

Die bemerkenswerten Eigenschaften von PEEK

Polyetherketone wie PEEK zählen zu den thermoplastischen Polymeren, sie können also durch höhere Temperaturen verformt werden und behalten nach Abkühlen diese Form bei. Das ermöglicht eine einfache Verarbeitung mittels typischer formgebender Verfahren wie Extrusion, Spritzgießen, Formpressen oder Spritzpressen.

Die Polymere sind normalerweise teilkristalline Kunststoffe, was bedeutet, dass einige Abschnitte der Polymerstruktur in kristalliner Form vorliegen, während andere ungeordnet sind. Daraus resultiert eine bemerkenswert hohe mechanische Festigkeit und thermische Beständigkeit: Dauerhaft kann PEEK bis +240 °C, kurzzeitig sogar bis +300 °C eingesetzt werden. Das aromatische Grundgerüst mit seinen delokalisierten Elektronen macht PEEK verglichen mit nichtaromatischen Polymeren außerdem weniger reaktionsfreudig und sehr schwer entflammbar, was das Polymer für Hitzeschilde im Flugzeugbau und der Raumfahrttechnik prädestiniert. Dort dient es als leichtere Alternative zu Metallen wie auch als Material für Flügelklappen, Flossen und Sitze.

Zusätzlich zeichnet sich PEEK durch hervorragende Gleiteigenschaften bzw. Schmiereigenschaften aus, was man sich besonders in der Ölförderung und im Fahrzeugbau zu Nutze macht, wo Polyetherketone wie PEEK als Zahnräder und Lager zum Einsatz kommen. Und in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (high performance liquid chromatography, HPLC) ist es ein wichtiger Werkstoff zur Fertigung hochdruckfester PEEK-Kapillaren und Kapillar-Verbinder.

PEEK ist in der Farbgebung überlicherweise bräunlich, gelblich oder gräulich, durch Farbstoffe kann jedoch jeder gewünschte Farbton erhalten werden. Es ist chemisch gegenüber einer Vielzahl organischer und anorganische Chemikalien und bis etwa +280 °C auch gegen Hydrolyse beständig. Zudem ist es resistent gegenüber hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung wie Gamma- oder Röntgenwellen. Unbeständig ist es allerdings gegenüber konzentrierten Mineralsäuren wie Salpetersäure oder Schwefelsäure, allgemein sauren oxidierenden Bedingungen, UV-Strahlung in Verbindung mit Luftsauerstoff und einigen Halogenkohlenwasserstoffen sowie aliphatischen Kohlenwasserstoffen bei höheren Temperaturen.

Ein interessantes Charakteristikum von PEEK ist seine Eigenschaft als Formgedächtnispolymer. Hierbei handelt es sich um Kunststoffe, die sich nach einer zwischenzeitlichen, extern ausgelösten Umformung scheinbar an ihre ursprüngliche Form „erinnern“ können und nach Wegfall des externen Stimulus – wie etwa einer mechanischen Beanspruchung, erhöhten Temperatur oder Bestrahlung mit UV-Licht – wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehren. Zusammen mit seiner Biokompatibilität macht dies PEEK attraktiv für spezielle Anwendungen in der Medizintechnik, wo es sich auch in Zahnimplantaten sowie als Beschichtung von Gelenkprothesen wiederfindet.

Produkte aus PEEK

Schläuche und Kapillaren aus PEEK

PEEK weist neben einer hohen chemischen und thermischen Beständigkeit auch eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Druckbeständigkeit auf und eignet sich daher vorzüglich als Werkstoff für Hochdruckleitungen. PEEK Schläuche und Kapillaren werden für Hochdruck-Anwendungen in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie eingesetzt.

Diese Schläuche widerstehen bei Raumtemperatur Maximaldrücken von bis zu 420 bar, je nach Abmessung, und werden im Sortiment der RCT Reichelt Chemietechnik entweder gestreift oder in eingefärbten Ausführungen mit Innendurchmessern von 0,13 mm bis 3,2 mm angeboten. Weiterhin stehen auch spiralförmig gewundene Kapillaren aus PEEK zur Verfügung. Die maximale Druckbelastung dieser Spiral-Kapillarschläuche beträgt 150 bar.

Schlauchverbinder

Im Angebot der Reichelt Chemietechnik finden sich zahlreiche Verbindungsmöglichkeiten für Kunststoffschläuche, gefertigt aus Polymeren und metallischen Legierungen. Zu den Kunststoffen, die für Schlauchverbinder verwendet werden, gehören neben Polypropylen (PP) oder etwa den fluorierten Typen aus Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Perfluoralkoxy (PFA) auch solche aus PEEK mit Arbeitstemperaturen von -65 °C bis +260 °C, kurzfristig auch +300 °C.

Einfache Kapillar-Verbinder wie auch Hochdruckverbinder aus PEEK finden überall dort Verwendung, wo höchste Anforderungen an die Druckbeständigkeit gestellt werden. Die Kapillar-Fittings werden in HPLC-Laboren standardmäßig zum Anschluss der Schläuche an Pumpe, Probeninjektor oder Säule verschraubt und gelten dort als absolut zuverlässige Bauteile.

Einteilige oder zweiteilige gerade HPLC-Verbinder, mit oder ohne Außengewinde und mit oder ohne Ferrule, können für Schläuche mit Außendurchmessern von bis zu 1/8" (3,2 mm) verwendet werden. Der zulässige Maximaldruck beträgt 450 bar. Für noch höhere Druckbelastungen kommen Hochdruck-Kapillar-Verbinder aus PEEK zum Einsatz. Sie verbinden Kapillaren mit einem Außendurchmesser von 1/16" und sind für maximale Betriebsdrücke von 600 bar ausgelegt. Die Hochdruckverbinder werden auch in verzweigender T-Form bzw. Kreuzform angeboten, der maximale Betriebsdruck dieser Hochdruck-T-Kapillar-Verbinder und Hochdruck-Kreuz-Kapillar-Verbinder liegt mit 200 bar bzw. 70 bar allerdings niedriger.

PEEK-Folien

RCT führt eine große Auswahl hochwertiger Halbzeuge, so auch ein weitreichendes Sortiment verschiedenartiger Kunststofffolien für Labor und Betrieb. Neben Folien aus technischen und Standardkunststoffen werden auch Hochleistungsfolien für den Einsatz in äußerst hohen Temperaturbereichen angeboten. Gefertigt sind diese aus den Hightech-Polymeren Polyimid (PI) und PEEK. Sie sind sind hochgradig beständig gegen organische und anorganische Medien wie etwa Alkohole, aromatischen Kohlenwasserstoffe, Ketone, Fette und Öle. Der Arbeitstemperaturbereich der PEEK-Folien liegt zwischen -50 °C bis +250 °C.

Befestigungselemente – Schrauben, Muttern & mehr

Seine hervorragende mechanische Festigkeit macht PEEK auch zum Ausgangsmaterial der Wahl für Befestigungselemente wie Kunststoffschrauben, Kunststoffmuttern und Unterlegscheiben aus Kunststoff.

Dank ihrer sehr hohen Temperaturbeständigkeit werden sie vorwiegend in mechanisch-thermisch hochbeanspruchten Teilen im Maschinenbau, im Pumpen- und Armaturenbau sowie in der Elektrotechnik verbaut. Aufgrund ihrer erhöhten mechanischen Festigkeit und des hervorragenden Verschleißwiderstands dienen sie dort als Ersatz für Befestigungsteile aus PTFE.

• PEEK-Schrauben liegen als Flachkopfschrauben mit Kreuzschlitz, Senkkopfschrauben mit Kreuzschlitz, Sechskantschrauben und Zylinderkopfschrauben mit Innensechskant vor.
• Dazugehörige Muttern aus PEEK sind ebenfalls Programmbestandteil der Befestigungselemente. Sie sind mit Innengewinden von M2,6 bis M10 erhältlich.
• Das Angebot wird durch hellbraune, ringförmige Unterlegscheiben oder Beilagscheiben unterschiedlich großer Durchmesser und Stärken vervollständigt. Sie werden über den Schraubenschaft gestülpt und haben die Aufgabe, beim Festziehen der Schraube die von ihrem Kopf ausgehende Kraft auf eine größere Fläche des zu befestigenden Bauteils zu verteilen.
   

PEEK-Befestigungselemente werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn eine äußerst hohe Temperaturbeständigkeit gefordert ist. Übersteigen diese Anforderungen die thermische Stabilität der Polyetheretherketon-Bauteile, können auch Muttern, Schrauben und Unterlegescheiben aus Keramik angeboten werden. Diese sind bis +1.600 °C temperaturbeständig, abriebfest und unempfindlich gegenüber oxidativen Bedingungen.

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Reichelt Chemietechnik ist als langjähriger Ausrüster für Laboratorien und die Industrie Spezialist für Produkte, die nicht nur für die Befestigungs- und Schlauchtechnik unverzichtbar sind. In unserem Sortiment finden Sie eine große Auswahl qualitativ hochwertiger Kapillaren und Schläuche, zugehöriger Kapillarverbinder, Folien und Befestigungselemente aus dem Hochleistungswerkstoff PEEK. Aber auch Zubehörartikel wie Hähne und Ventile oder Kapillar-Cutter und Schlauchschneider finden Sie in unserem Sortiment.

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