PEEK – der Hochleistungskunststoff
Hochleistungskunststoffe nehmen unter den Kunststoffen einen ganz besonderen Platz ein. Die Kombination aus hoher Leistungsfähigkeit und spezifischen Eigenschaften wird für viele anspruchsvolle Anwendungen benötigt, die dann sogar ihren hohen Preis rechtfertigen. Polyetheretherketon (PEEK) behauptet unter ihnen eine führende Position. Der folgende Artikel behandelt diesen Kunststoff, von seiner Definition und Eigenschaften über die Anwendungsbereiche und Herstellungsprozesse bis hin zu den Kosten und der Wiederverwertung.
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Was sind Hochleistungskunststoffe?
Hochleistungskunststoffe sind Materialien, die für Anwendungen konzipiert sind, bei denen herkömmliche Kunststoffe an ihre Grenzen stoßen. Sie zeichnen sich meist durch eine hohe Beständigkeit gegenüber Temperaturen, Chemikalien und mechanischer Belastung aus. PEEK ist ein typischer und sehr bekannter Vertreter für diese Kunststoffklasse, der die Möglichkeiten vieler Industriezweige erheblich erweitert hat.
Polyetheretherketon und seine Eigenschaften
PEEK ist ein hochtemperaturbeständiger thermoplastischer Kunststoff und gehört zur Gruppe der Polyaryletherketone. Seine Schmelztemperatur beträgt erstaunliche 335 °C. PEEK ist bekannt für seine außergewöhnliche mechanische Festigkeit und chemische Resistenz gegen die meisten aggressiven Verbindungen. Es kann kontinuierlich bei Temperaturen von bis zu 250°C eingesetzt werden, ohne dass seine Eigenschaften darunter leiden. PEEK ist schwer entflammbar und bietet gute Isoliereigenschaften sowie eine hohe Verschleißfestigkeit. Seine mechanische Stabilität und Resistenz gegenüber aggressiven Substanzen machen das PEEK zu einem begehrten Material in anspruchsvollen Anwendungsbereichen. PEEK ist schwer entflammbar und bietet gute Verschleißeigenschaften. Dazu kommt das geringe Gewicht des Materials. Im festen Zustand lässt sich das PEEK drehen, sägen, bohren, hobeln oder fräsen. Im geschmolzenen Zustand kann es im Spritzguss oder mit der Extrusion geformt werden. Diese Kombination aus Eigenschaften verleiht PEEK einen besonderen Status unter den Kunststoffen. Allerdings weist PEEK auch Schwächen auf. Es zeigt sich insbesondere unbeständig gegen UV-Strahlung in Verbindung mit Luftsauerstoff und reagiert empfindlich auf konzentrierte Salpetersäure.
Anwendungsbereiche von PEEK
Aufgrund dieser Eigenschaften findet PEEK Verwendung in einer Vielzahl von Branchen, darunter die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, Medizintechnik und Elektronik. Es wird für Komponenten verwendet, die hohe Anforderungen an die Materialbeständigkeit stellen, wie z.B. Implantate, Isolatoren oder Bauteile in der Automobil- und Flugzeugkonstruktion. In der Luft- und Raumfahrtindustrie dient es als Komponente für hochbelastete Teile, die Leichtigkeit mit Stabilität vereinen müssen. Im Automobilsektor ermöglicht das PEEK Innovationen im Leichtbau und in der Leistungssteigerung. Auch in der Medizintechnik hat PEEK aufgrund seiner guten Biokompatibilität und Sterilisierbarkeit einen festen Platz, vor allem bei der Herstellung von Implantaten. In der Elektronikindustrie schützt es sensible Bauteile vor thermischen und chemischen Einflüssen. Diese branchenübergreifende Präsenz unterstreicht die Bedeutung des PEEK und erklärt seinen hohen Bekanntheitsgrad.
Der Herstellungsprozess von Polyetheretherketon
Der Herstellungsprozess von Polyetheretherketon in seinen verschiedenen Erscheinungsformen als Bauteil bildet eine Schnittstelle zwischen komplexer chemischer Synthese und präziser ingenieurtechnischer Verarbeitung dar, durch die das Polymer mit den außergewöhnlichen Eigenschaften entsteht. Der Weg von den Rohstoffen bis zum fertigen PEEK-Produkt gelingt mit einer Reihe aufwendiger Schritte.
Ausgangsmaterialien und Polymerisation
Die Ausgangsstoffe für das PEEK werden in einem kontrollierten Umfeld zusammengeführt, um die Polymerisation einzuleiten. Diese Reaktion erfolgt typischerweise in einem Lösungsmittel unter Anwendung von Hitze und Druck. Dadurch wird die Bildung von Ketten aus Ether- und Ketogruppen ermöglicht, die für das PEEK charakteristisch sind. Das PEEK gehört zur Gruppe der Polyaryletherketone (PAEK). Bei diesen werden Ether- und Ketogruppen über aromatische Arylgruppen verbunden. Die Ether- und Ketogruppen können dabei nahezu beliebig angeordnet sein, was zu einer großen Bandbreite von steuerbaren Eigenschaften führt.
Hochtemperatur-Polykondensation
Nach der initialen Polymerisation durchläuft das entstehende Polymer eine Polykondensation bei extrem hohen Temperaturen. So lässt sich ein Polymer mit hohem Molekulargewicht erreichen, das für die mechanischen und thermischen Eigenschaften von PEEK verantwortlich ist. Die Polykondensation erfordert die präzise Überwachung der Temperatur, damit die gewünschte Polymerstruktur ohne Abbau der Ketten zu erreichen ist.
Isolierung und Reinigung
Nachdem das PEEK-Polymer gebildet wurde, muss es von Lösungsmitteln und anderen Nebenprodukten getrennt werden. Dazu setzt man verschiedene Verfahren wie Ausfällung, Filtration und Trocknung ein. Diese Reinigung ist ein wesentliches Element des Prozesses, mit dem die Reinheit des Endprodukts erreicht wird. Nur ein reines Endprodukt erzielt die gewünschte Leistung in Anwendungen.
Formgebung
Das gereinigte PEEK-Polymer wird anschließend in die gewünschte Form gebracht. Dies kann durch Extrusion, Spritzgießen oder das Pressen von Pulver zu Halbzeugen erfolgen. Die spezifische Methode hängt von der endgültigen Anwendung des Materials ab. Die hohe Schmelztemperatur von 335° Celsius stellt hohe Anforderungen an eine spezielle Ausrüstung und Technik der kunststoffverarbeitenden Unternehmen, um den Prozess zu ermöglichen.
Nachbearbeitung
In vielen Fällen wird PEEK nach der Formgebung einer Nachbearbeitung unterzogen, um spezifische Oberflächeneigenschaften herzustellen. Dies umfasst z.B. mechanische Bearbeitung, Polieren oder Beschichten. Die Nachbearbeitung ist Voraussetzung für Anwendungen mit hoher Präzision und Oberflächenqualität, wie sie typisch für die Medizintechnik oder die Luft- und Raumfahrt sind.
Qualitätssicherung
Jeder Schritt im Herstellungsprozess des PEEK unterliegt aufwendigen Qualitätskontrollen, um die Konsistenz und Zuverlässigkeit des Endprodukts sicherzustellen. Dies beginnt bei der chemischen Zusammensetzung, der molekularen Struktur und der mechanischen und thermischen Eigenschaften des Polymers.
Kosten und Wiederverwertung: Lohnt sich die Investition?
Die Frage nach der Wirtschaftlichkeit von PEEK lässt sich nicht allein durch den Preis pro Kilogramm beantworten. Zwar übersteigen die Anschaffungskosten leicht das Zehnfache von herkömmlichen Kunststoffen und mehr, aber das rechnet sich. Erstens sorgt die hohe Verschleißfestigkeit und Lebensdauer des Werkstoffs dafür, dass ein Austausch eines Bauteils seltener erfolgen muss.
Das sorgt gleichzeitig auch für geringe Lebenszykluskosten. Die Maschinen, in denen Teile aus PEEK verbaut sind, verfügen oft über längere Laufzeiten und benötigen weniger Reparaturen. Zweitens lässt sich PEEK relativ einfach recyceln und kann nahezu verlustfrei wiederverwertet werden. Es wird immer wieder eingeschmolzen und neu verarbeitet.