PEEK - Polyetheretherketon

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein ultra-hochleistungsfaehiges teilkristallines thermoplastisches Polymer aus der Familie der Polyaryletherkete (PAEK). PEEK gilt weithin als eines der leistungsfaehigsten kommerziell erhaeltlichen Konstruktionspolymere und bietet eine aussergewoehnliche Kombination von Eigenschaften: Dauergebrauchstemperaturen bis 260°C, hervorragende Bestaendigkeit gegen praktisch alle organischen und anorganischen Chemikalien, inhaerente Flammwidrigkeit (UL 94 V-0), Biokompatibilitaet fuer permanent implantierbare Medizinprodukte sowie ausgezeichnete Bestaendigkeit gegen Gamma-Strahlung, Elektronenstrahlen und Dampfsterilisation. PEEK ist das Material der Wahl, wenn Metallersatz unter extremsten thermischen, chemischen und mechanischen Bedingungen gefordert wird.

Der globale PEEK-Markt wurde 2024 auf etwa 790 Millionen US-Dollar geschaetzt und wird voraussichtlich mit einer jaehrlichen Wachstumsrate (CAGR) von 7,8 % bis 2030 wachsen, angetrieben durch Leichtbauinitiativen in der Luft- und Raumfahrt, expandierende Medizinimplantatanwendungen und zunehmende Verbreitung in Oel- und Gas-, Halbleiter- und Automobilsektoren. Trotz seines Premium-Preispunktes sind die Gesamtbetriebskosten von PEEK oft niedriger als bei Metallalternativen, wenn Gewichtseinsparungen, Korrosionseliminierung und verlaengerte Lebensdauer beruecksichtigt werden.

PEEK entspricht den ASTM-D6262-Spezifikationen fuer Polyetheretherketon-(PEEK)-Spritzguss- und Extrusionsmaterialien. PEEK in Medizinqualitaet erfuellt ASTM F2026 fuer PEEK-Polymere in chirurgischen Implantatanwendungen und ist ein biokompatibles Material der Klasse VI gemaess USP-Pruefung. Luft- und Raumfahrttypen entsprechen AMS 3914 und erfuellen die Materialspezifikationen von Airbus und Boeing. Alle Typen erreichen inhaerenter UL 94 V-0 und erfuellen die FAR-25.853-Anforderungen fuer Waermefreisetzung und Rauchdichte in Flugzeugkabinen.

Wichtige Eigenschaften von PEEK umfassen:

• Extreme Temperaturbestaendigkeit mit einer Glassuebergangstemperatur von 143°C, einem Schmelzpunkt von 343°C und Dauergebrauchsfaehigkeit bis 260°C unter mechanischer Belastung.
• Hervorragende chemische Bestaendigkeit gegen praktisch alle organischen Loesungsmittel, Saeuren (ausser konzentrierter Schwefelsaeure), Basen, Kohlenwasserstoffe und Luftfahrtfluessigkeiten. PEEK wird nur von konzentrierter Schwefelsaeure und einigen Supersaeuren angegriffen.
• Biokompatibilitaet gemaess USP-Klasse VI und ISO 10993 fuer permanent implantierbare Medizinprodukte einschliesslich Wirbelsaeulenfusionskaefige, Zahnimplantate und Traumafixierung.
• Inhaerente Flammwidrigkeit mit UL-94-V-0-Einstufung ohne Additive, mit aussergewoehnlich geringer Rauch- und Giftgaserzeugung — entscheidend fuer Luft- und Raumfahrt- sowie Nahverkehrsanwendungen.
• Ausgezeichnete Bestaendigkeit gegen Gamma-Strahlung, Elektronenstrahlen und Autoklaven-Dampfsterilisation, mit Erhaltung der mechanischen Integritaet ueber Tausende von Sterilisationszyklen.
• Ueberlegene Ermuedungsbestaendigkeit und Langzeit-Kriechverhalten unter anhaltenden mechanischen und thermischen Belastungen.
• Strahlungstransparenz (Durchlaessigkeit fuer Roentgen- und CT-Strahlen) bei ungefuellten Typen, die postoperative Bildgebung von Medizinimplantaten ohne Artefakte ermoeglicht.

Chemische Struktur und Kristallisation

PEEK wird durch Stufenwachstumspolymerisation von 4,4’-Difluorbenzophenon mit dem Dinatriumsalz von Hydrochinon in einem hochsiedenden polaren Loesungsmittel (typischerweise Diphenylsulfon) bei Temperaturen um 300°C synthetisiert. Die resultierende Polymerkette besteht aus wiederkehrenden Ether-Ether-Keton-Verknuepfungen zwischen aromatischen Ringen und erzeugt eine aussergewoehnlich stabile Molekuelstruktur, die fuer die bemerkenswerte thermische und chemische Bestaendigkeit von PEEK verantwortlich ist.

PEEK kristallisiert bei relativ hohen Temperaturen, wobei typische Kristallinitaetswerte von 35–45 % durch ordnungsgemaesse Verarbeitung erreichbar sind. Werkzeugtemperaturen von 175–200°C sind erforderlich, um optimale Kristallinitaet waehrend des Spritzgusses zu entwickeln. Amorphes PEEK kann durch schnelles Abkuehlen hergestellt und anschliessend getempert werden, um Kristallinitaet zu entwickeln, falls erforderlich. Der Kristallinitaetsgrad beeinflusst signifikant die chemische Bestaendigkeit, Verschleisseigenschaften und mechanische Leistung bei erhoehten Temperaturen.

Verfuegbare Typen

Ungefuelltes PEEK bietet die Basiskombination aus Zaehigkeit, chemischer Bestaendigkeit und thermischer Leistung. Ungefuellte Typen werden in Medizinimplantaten (wo Strahlungstransparenz entscheidend ist), Chemikalienverarbeitungsdichtungen und Anwendungen eingesetzt, die maximale Dehnung und Ermuedungsbestaendigkeit erfordern. Ungefuelltes PEEK bietet die hoechste Reinheit und ist der Ausgangspunkt fuer Lebensmittelkontakt- und Pharmaanwendungen.

Kohlefaserverstaerktes PEEK (10–30 % CF) liefert das hoechste Steifigkeits-Gewichts-Verhaeltnis und die beste Verschleissbestaendigkeit unter PEEK-Compounds. Kohlefaserverstaerkte Typen werden in Luft- und Raumfahrt-Strukturbauteilen, Gleitlager- und Buchsenanwendungen sowie Halbleiter-Handhabungsanlagen eingesetzt. Diese Typen bieten Biegemodule ueber 20.000 MPa und ausgezeichnete Waermeleitfaehigkeit im Vergleich zu anderen Polymeren.

Glasfaserverstaerktes PEEK (10–30 % GF) bietet erhoehte Steifigkeit und Festigkeit zu geringeren Kosten als Kohlefasertypen bei gleichzeitiger Beibehaltung guter elektrischer Isoliereigenschaften. Glasfaserverstaerktes PEEK wird in elektrischen Steckverbindern, Strukturkonsolen und Hochtemperatur-Elektroisolierung eingesetzt, wo sowohl mechanische Leistung als auch dielektrische Eigenschaften erforderlich sind.

Gleitlager- und Verschleiss-PEEK enthaelt PTFE, Graphit und/oder Kohlefaser zur Herstellung selbstschmierender Compounds mit extrem niedrigen Reibungskoeffizienten und hervorragender Verschleissbestaendigkeit. Diese Typen ersetzen Metalllager, Buchsen, Dichtungsringe und Druckscheiben in Anwendungen, wo Schmierung schwierig oder unmoeglich ist, wie bei Unterwasser-Ausruestung und Lebensmittelverarbeitungsmaschinen.

Medizin- und Implantat-PEEK wird unter cGMP-Bedingungen mit vollstaendiger Rueckverfolgbarkeit und chargenspezifischer Biokompatibilitaetspruefung gemaess ASTM F2026 und ISO 10993 hergestellt. Medizinisches PEEK wird fuer Permanent-Implantate eingesetzt, darunter Wirbelsaeulenfusionskaefige (Intervertebralkoerper), Zahnimplantat-Abutments, Traumafixierungsplatten und Schaedelrekonstruktion. Sein Elastizitaetsmodul kann an kortikalen Knochen angenaehert werden, wodurch Stress-Shielding reduziert wird — ein signifikanter Vorteil gegenueber Titanimplantaten.

Verarbeitung

PEEK wird im Spritzguss bei Schmelzetemperaturen von 370–400°C und Werkzeugtemperaturen von 175–200°C verarbeitet. Diese erhoehten Verarbeitungstemperaturen erfordern Spezialausruestung einschliesslich hochtemperaturfaehiger Zylinder, Schnecken und Heisskanalsysteme. Vortrocknung (3 Stunden bei 150°C) wird fuer optimale Oberflaechenqualitaet empfohlen, obwohl PEEK im Vergleich zu Polyestern relativ unempfindlich gegen feuchtigkeitsbedingten Abbau ist.

PEEK kann auch durch Extrusion (Rundstab, Platte, Rohr, Folie), Formpressen, additive Fertigung (FDM, SLS, FFF mit spezialisierten Hochtemperatur-3D-Druckern) und Pulverbeschichtung verarbeitet werden. Die mechanische Bearbeitung aus extrudierten Halbzeugen ist gaengig fuer Kleinserien- und Prototypenproduktion. PEEK eignet sich fuer Nachbearbeitungsverfahren einschliesslich CNC-Bearbeitung, Ultraschallschweissen, Laserschweissen und Oberflaechenbehandlungen wie Plasma- und Corona-Behandlung fuer Klebanwendungen.