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. Es 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 Industrie und Labor – wie Schläuche, Schlauchverbinder, Folien und Befestigungselemente – so wertvoll?
Die Kunststoffpyramide: PEEK steht ganz weit oben
Im Wikipedia-Artikel über Hochleistungskunststoffe führt die Kunststoffpyramide direkt ins Thema ein: Sie unterteilt Kunststoffe in die Kategorien Standardkunststoffe, Technische Kunststoffe und Hochleistungskunststoffe.
Das Fundament bilden die Standardkunststoffe, auch Massenkunststoffe genannt. Der Begriff bezeichnet die 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 rund zwei Drittel des weltweit verwendeten Kunststoffbedarfs ausmachen. Sie kommen dort zum Einsatz, wo keine großen Anforderungen an Temperaturbeständigkeit oder Festigkeit bestehen, zum Beispiel bei Verpackungsmaterialien, Gehäuse oder Kunststoff‧behältern, wie sie auch Reichelt Chemietechnik führt.
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.
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 sinkt die Vergleichbarkeit von Standard- und Hochleistungskunststoffen – das Leistungsspektrum hochwertiger Materialien erweitert sich immens. So wird das Hochleistungspolymer Polytetrafluorethylen (PTFE) etwa als Beschichtungsmaterial für Metalloberflächen verwendet, als Hochtemperaturschmiermittel oder als Werkstoff für chemikalienfeste Kunststoffschläuche und Dichtungen.
PEEK – ein Polymer mit chemischem „Rückgrat“
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.
Für chemisch interessierte und bewanderte Leser: PEEK gehört 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 verleiht. Im Vergleich zu anderen Kunststoffen haben sie eine sehr hohe Glasübergangs- und Schmelztemperaturen. Im Polymer PEEK enthält die Wiederholungseinheit zwei Ether-Gruppen und eine Ketogruppe.
PEEK eine Leichtbau-Alternative zu Metall
Polyetherketone wie PEEK zählen zu den Thermoplasten, die sich durch höhere Temperaturen verforgen lassen und nach dem Abkühlen diese Form behalten. Sie können also mit gängigen Prozessen der Kunststofftechnik wie Extrusion, Spritzgießen, Formpressen oder Spritzpressen verarbeitet und in Form gebracht werden.
Die Polymere sind normalerweise teilkristalline Kunststoffe. Das bedeutet, dass einige Abschnitte der Polymerstruktur kristallin vorliegen, während andere ungeordnet sind. Daraus resultiert eine bemerkenswert hohe mechanische Festigkeit und thermische Beständigkeit: Dauerhaft kann PEEK bis +240 °C und 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. Damit ist der Werkstoff für Hitzeschilde in Flugzeugen und Raumgefährten prädestiniert und bietet sich als leichtere Alternative zu Metallen an, auch für Komponenten und Teile wie Flügelklappen, Flossen und Sitze.
Gute Gleiteigenschaften beliebt im Fahrzeugbau
Zusätzlich zeichnet sich PEEK durch hervorragende Gleit- beziehungsweise Schmiereigenschaften aus, woraus besonders der Fahrzeugbau und die Ölförderung ihren Nutzen ziehen. An diese Branchen liefert Reichelt Chemietechnik beispielsweise Zahnräder und Lager aus Polyetherketonen wie PEEK. In der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie wiederum (high performance liquid chromatography, HPLC) ist PEEK ein wichtiger Werkstoff zur Fertigung hochdruckfester Kapillaren und Kapillar-Verbinder.
PEEK sieht üblicherweise bräunlich, gelblich oder eher grau aus, lässt sich jedoch beliebig einfärben wie viele andere Kunststoffe. Es ist gegenüber einer Vielzahl organischer und anorganische Chemikalien beständig, bis etwa +280 °C auch gegen Hydrolyse. Zudem ist der Hochleistungskunststoff resistent gegenüber hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung wie Gamma- oder Röntgenwellen. Unbeständig ist er allerdings gegenüber konzentrierten Mineralsäuren wie Salpetersäure oder Schwefelsäure, allgemein sauren oxidierenden Bedingungen, UV-Strahlung in Verbindung mit Luftsauerstoff und einigen Halogenkohlenwasserstoffen sowie aliphatischen Kohlenwasserstoffe bei höheren Temperaturen.
PEEK als Formgedächtnis-Kunststoff
Ein interessantes Charakteristikum von PEEK ist seine Eigenschaft als Formgedächtnispolymer: Das sind Kunststoffe, die nach einer extern ausgelösten Umformung wieder ihren Ausgangszustand einnehmen, sobald der verändernde Auslöser (wie etwa eine mechanischen Beanspruchung, erhöhte Temperatur oder UV-Licht) entfällt. Sie können sich also scheinbar an ihre ursprüngliche Form „erinnern“. Zusammen mit seiner Biokompatibilität macht dies PEEK attraktiv für spezielle Anwendungen in der Medizintechnik, zum Beispiel in Zahnimplantaten oder als Beschichtung von Gelenkprothesen.
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 sehr gut als Werkstoff für Hochdruckleitungen. PEEK-Schläuche und -Kapillaren von Reichelt Chemietechnik kommen für Hochdruck-Anwendungen in der Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie zum Einsatz.
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.
PEEK-Schlauchverbinder, wenn Temperaturen extrem werden
Im Angebot von 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 standardmäßig in HPLC-Laboren verschraubt, um Schläuche an Pumpen, Probeninjektoren oder Säulen anzuschließen. Sie gelten dort als absolut zuverlässige Bauteile.
Einteilige oder zweiteilige gerade HPLC-Verbinder, mit oder ohne Außengewinde und mit oder ohne Ferrule, lassen sich für Schläuche mit Außendurchmessern von bis zu 1/8“ (3,2 mm) verwenden. 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 sind hochgradig temperaturbeständig
RCT führt eine große Auswahl hochwertiger Halbzeuge, darunter 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 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.
Schrauben, Muttern & mehr aus PEEK, wenn‘s heiß wird
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 und in der Elektrotechnik verbaut. Aufgrund ihrer erhöhten mechanischen Festigkeit und des sehr guten Verschleißwiderstands dienen sie dort als Ersatz für Befestigungsteile aus PTFE. Ein Blick ins RCT-Sortiment:
- 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 und mit Innengewinden von M2,6 bis M10 erhältlich.
- Das Angebot vervollständigen hellbraune, ringförmige Unterlegscheiben oder Beilagscheiben unterschiedlich großer Durchmesser und Stärken. 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.
Ware auch über Online-Shop erhältlich
Reichelt Chemietechnik ist als langjähriger Ausrüster für Laboratorien und Industrie auch Spezialist für Produkte, die nicht nur für die Befestigungs- und Schlauchtechnik unverzichtbar sind. Im Sortiment unter rct-online.de findet sich 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 gehören zum Programm.
Kontakt:
RCT Reichelt Chemietechnik GmbH + Co.
Englerstraße 18
69126 Heidelberg
Tel. 06221/3125–0
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