Glossar
PEEK - Polyether-Etherketon
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andere Bezeichnungen: Poly(4-hydroxyphenyl[4-phenoxyphenyl]methanon) Kurzzeichen: PEEK CAS-Nr.: 29658-26-2 |
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Wichtige Handelsnamen und Markeneigner GATONE® - Gharda Chemicals Ltd. KADEL® - Solvay Advanced Polymers KETASPIRE®- Solvay Advanced Polymers KETRON® - Quadrant Group SUSTAPEEK® - Röchling Ingeneerig Plastics VESTAKEEP® - Evonic Industries AG VICTREX® - Victrex Manufacturing Ltd. |
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Geschichtliches PEEK (Polyether-Etherketon) wurde bereits um 1960 in den Laboratorien von ICI (Imperial Chemical Industries, UK; seit 2006 Akzo Nobel, BV) entwickelt, jedoch erst im Jahre 1979 am Markt eingeführt. Nach einer Management by out-Vereinbarung übernahm das britische Unternehmen Victrex Manufacturing Ltd. 1993 von ICI die Produktion und ist seither Marktführer. Mit dem Auslaufen der Patente haben sich weltweit auch andere Hersteller am Markt etabliert. Ein potenter deutscher Hersteller für PEEK-Halbzeug ist das Essener Spezialchemie-Unternehmen Evonic Industries AG, das aus der Degussa AG hervorgegangen ist. |
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Allgemeine Beschreibung PEEK ist ein biologisch inerter, geruchsloser und physiologisch unbedenklicher Kunststoff, der keinerlei Additive oder Hilfsstoffe enthält. Den Kunststoff zeichnen hohe chemische Stabilität sowie herausragende physikalische und mechanische Eigenschaften aus, die ihn zu einem nahezu universell einsetzbaren Werkstoff machen, der in vielen Bereichen sogar keramische und metallische Werkstoffe vollwertig substituieren kann. Nur der verhältnismäßig hohe Preis dieses High-Tech-Kunststoffes setzt der Anwendung ökonomische Grenzen. PEEK verfügt in dem weiten, von keinem anderen Kunststoff erreichten Temperaturbereich von etwa -60 °C bis etwa +300 °C über hohe mechanische Festigkeit und Steifigkeit, ausgezeichnete Gleiteigenschaften bei gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit sowie über sehr gute Dimensionsstabilität. PEEK ist zudem ein hochspannungsfester, elektrischer Isolator. Seine inhärente Flammwidrigkeit und seine nur geringe Rauchentwicklung im Brandfall sind weitere bemerkenswerte und anwendungsfördernde Eigenschaften dieses High-Tech-Werkstoffes. |
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Chemische Eigenschaften PEEK ist ein semikristalliner Kunststoff. Er gehört zur Stoffklasse der Polyaryl-Etherketone, dem die monomere Verbindung 4-hydroxy-phenyl(4-phenoxy-phenyl) methanon (C19H14O3, Molgewicht = 290,3 g/mol) zu Grunde liegt, das Kondensationsprodukt von Dinatrium-Hydrochinon und 4,4‘-Difluor-Benzophenon. PEEK ist im hohen Maße hydrolysebeständig und damit unempfindlich gegenüber Säuren und Laugen sowie Heißwasser und Heißdampf. Ausgenommen davon sind nur starke Mineralsäuren, wie konzentrierte Schwefelsäure, konzentrierte Salpetersäure und Flusssäure, die den Kunststoff zerstören. Auch freie Halogene und Ozon schädigen den Kunststoff bis zur völligen Zersetzung. Deshalb ist PEEK in Gegenwart von Sauerstoff gegenüber UV-Strahlung unbeständig und für Außenkonstruktionen weniger geeignet. Einige halogenierte Lösungsmittel, wie Tri- und Perchlorethylen, lassen den Kunststoff bei längerer Einwirkdauer quellen, gegenüber vielen anderen Chemikalien und Lösungsmitteln, wie Benzin, Alkoholen, Benzol und weiteren aromatischen Kohlenwasserstoffen ist PEEK jedoch inert. Der Kunststoff ist chemisch und durch Heißdampf sterilisierbar. |
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Verwendung Wegen seiner hervorragenden Beständigkeit und günstigen mechanischen Eigenschaften hat PEEK als High-Tech-Werkstoff schnell Eingang in den allgemeinen chemischen Labor- und Apparatebau gefunden und sich auch im Maschinenbau, im Versuchsbau und in der Automatisierungstechnik viele weitere Einsatzgebiete erobert. Durch Einlagerung von Glasfaser und anderen Materialien können die mechanischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zweckoptimiert werden. Mechanische Antriebselemente aus PEEK sind wartungsarm und zeichnen sich durch hohe Laufruhe aus. PEEK-Beschichtungen auf Metalloberflächen sind temperaturbeständig und verhindern langandauernd Korrosionen. Für die Vakuumtechnik empfiehlt sich PEEK als hochbelastbares, nicht ausgasendes Dichtmaterial. Seiner einzigartigen elektrischen und mechanischen Eigenschaften halber sowie seiner Flammwidrigkeit ist PEEK inzwischen auch in allen Bereichen der Halbleiter-, Elektronik- und Elektroindustrie, der Luft- und Raumfahrt-Industrie und des Fahrzeugbaus oft der Werkstoff der Wahl. Die gute Strahlenresistenz gegenüber Neutronen- und anderer Partikelstrahlung haben PEEK schließlich als Material für Konstruktionselemente in Bereichen der Nuklearindustrie und Kerntechnik interessant gemacht, etwa für den Reaktor- und Beschleunigerbau. Aufgrund seiner chemischen Stabilität, der völligen physiologischen Unbedenklichkeit und Biokompatibilität haben medienkontaktierende Konstruktionselemente aus PEEK, wie Rohrleitungen, Dichtungen und Behälter im Apparatebau für die Lebensmittelindustrie sowie für die Pharmaindustrie zahlreiche Anwendungen gefunden. Zunehmend werden auch sensible Bereiche der Medizintechnik für den Einsatz von PEEK erschlossen. So sind PEEK-beschichtete Materialien zur Verringerung des Verschleißes von Gelenkprothesen und anderen Implantaten ebenso Realität geworden, wie im Bereich der Zahnmedizin als Werkstoff für metallfreie, prothetische Versorgungen. Letztendlich hat auch die chemische und biochemische Präzisionsanalytik durch Bauelemente aus PEEK neue Entwicklungen erfahren. Hierzu gehören völlig metallfreie Hochdruck-Pumpensysteme, ebenso metallfreie Hochdruckkapillaren und andere Hochdruckleitungen sowie hochdruckfeste Dichtelemente, wie Ferrules, für die Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC). |
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Handelsformen PEEK wird als virginales Halbzeug in unterschiedlichsten Dimensionierungen und Formen gehandelt, wie Platten, Stangen, Profil- und Hohlstäbe, Rohre und Kapillaren. Durch Einlagen von Glasfasern oder anderen mineralischen Stoffen werden diverse anwendungsoptimierte PEEK-Qualitäten hergestellt. Eingearbeitete elektrisch leitfähige Materialien, wie Graphit oder Metallpulver, liefert PEEK-Qualitäten mit dauerhaft antistatischen Eigenschaften. |
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Verarbeitung PEEK erweicht, wie alle Thermoplaste, beim Erwärmen und lässt sich im geschmolzenen Zustand gut verformen. Nach Abkühlen unterhalb seiner Schmelztemperatur behält PEEK die eingenommene Form dauerhaft bei, so dass sich das Material für alle Spritzguss- und Extrusionsverfahren eignet. Ferner ist PEEK üblichen Fügeverfahren, wie Schweißen und Kleben, zugänglich und kann durch Heißverstemmen als Alternative zum Kleben sowie durch Kalandrieren verarbeitet werden. Im erkalteten Zustand ist PEEK problemlos durch alle spanabhebenden Verfahren bearbeitbar, etwa durch Fräsen, Schleifen, Hobeln, Bohren und Drehen. Schließlich können Metalle und andere Materialien dauerhaft mit PEEK beschichtet werden. |
| Technische Daten | |
| allgemeine Eigenschaften | |
| Dichte (virginales Material) | ca. 1,31 g / cm3 (ISO 1183) |
| Farben | beige-braun (vergleichbar mit RAL 7032), eingefärbt: schwarz, blau, gelb oder grün |
| Lichtdurchlässigkeit | undurchlässig |
| Wasseraufnahme | |
| in Atmosphäre +23 °C/50 % | rel. Feuchte 0,2 % (ISO 62) |
| in Wasser +23 °C/ Wassersättigung | 0,45 % (ISO 62) |
| Brennverhalten (UL 94) | V-0 (IEC 60695-11-10) |
| Sauerstoff-Index (LOI) | 35 % O2 (ISO 4599-1/2) |
| thermische Eigenschaften | |
| Wärmeleitfähigkeit | 0,25 W / m · K (DIN 52612) |
| Schmelztemperatur | +340 °C (ISO 11357-1/3) |
| Wärmeformbeständigkeit | +152 °C [1,8 MPa] (ISO 75 HDT/A) +160 °C [1,8 MPa] (ISO 75/A) |
| linearer Wärmeausdehnungskoeffizient | 1,7 · 10-5 / K |
| spezifische Wärmekapazität | 1,7 kJ / kg · K |
| maximale Einsatztemperatur | |
| kurzzeitig | +300 °C |
| dauerhaft | +240 °C (UL 746) |
| minimale Einsatztemperatur | -65 °C |
| elektrische Eigenschaften | |
| spezifischer Durchgangswiderstand | 1014 Ω / cm(IEC 60093) |
| spezifischer Oberflächenwiderstand | >1013 Ω / cm2 (ANSI/ESD STM 11.11) |
| Durchschlagsfestigkeit | 24 kV / mm (IEC 60243-1) |
| Dielektrizitätskonstante (50 Hz) | 3,2 (IEC 60250) |
| Dielektrizitätskonstante (1 MHz) | 3,2 (IEC 60250) |
| Dielektrischer Verlustfaktor (100 Hz) | 0,001 (IEC 60250) |
| Dielektrischer Verlustfaktor (1 MHz) | 0,002 (IEC 60250) |
| mechanische Eigenschaften | |
| Shore-Härte (D) | 85 |
| Kugeldruck-Härte | 190 N · mm2 (ISO 2029-1) |
| Rockwell-Härte | M 105 (ISO 2039-2) |
| Kerbschlagarbeit | 55 kJ · mm2 (ISO 179) |
| Charpy-Kerbschlagzähigkeit | 3,5 kJ · mm2 (ISO 179-1/1eA) |
| Zugelastizitätsmodul | 4,3 GPa (ISO 527-1/2) |
| Zugfestigkeit | 115 MPa (ISO 527-1/2) |
| Scherfestigkeit | 50 MPa (ISO 527-1/2) |
| Bruchdehnung | 17 % (ISO 527-1/2) |
| chemische Beständigkeit | |
| Benzin, Diesel und andere aliphatische Kohlenwasserstoffe | beständig |
| Schmierstoffe, Fette und Öle | beständig |
| Benzol, Xylol und andere aromatische Kohlenwasserstoffe | beständig |
| halogenierte Lösungsmittel | beständig |
| hochhalogenierte Lösungsmittel | wenig beständig |
| Ester, Ketone | beständig |
| Alkalilaugen, Amine und Pyridin | beständig |
| konzentrierte Mineralsäuren | wenig beständig |
| oxidierende Säuren | unbeständig |
| freie Halogene | unbeständig |
| Ozon | unbeständig |
| Wasserstoffperoxidlösung | beständig |
| Heißwasser und Wasserdampf | beständig |
| UV-Strahlung bei O2-Ausschluß | beständig |
| radioaktive Strahlung | beständig |
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Weiterführende Literatur (1) S. Béland, High Performance Thermoplastic Resins and their Composites. Willam Andrew Applied Science Publishers [1990], ISBN 978-0-81551-278-3 (2) E. Wintermantel, Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen: Implantate für Medizin und Umwelt. Springer Berlin - Heidelberg [1996], ISBN: 3-540-59405-1 (3) D. Parker et al., High Temperature Polymers. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. John Wiley-VCH, Weinheim [2002] (4) E. Wintermantel et al., Medizintechnik Life Science Engineering, Part IV: Werkstoffe in der Medizintechnik. Springer Berlin - Heidelberg [2008], ISBN 978-3-54074-925-7 (5) D. Kemmish, Update on the Technology and Applications of Polyaryletherketones. Smithers Rapra Technology [2010], ISBN 978-1-84735-408-2 (6) C. Abt, Metallfreie Teleskoparbeiten - innovatives Konzept unter ganzheitlichen Bedingungen, GZM- Praxis und Wissenschaft, 17, 3 [2012] |