PEEK-Kunststoff 101 | Technische Eigenschaften, Verarbeitung, Anwendungen

PEEK ist ein Hochleistungskunststoff, der aufgrund seiner Eigenschaften wie hoher Temperaturbeständigkeit, hoher Festigkeit, geringem Gewicht und Biokompatibilität in vielen Branchen Anwendung findet. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über PEEK, seine Eigenschaften, Herstellungsverfahren und Anwendungsgebiete.

Was ist PEEK?

Polyetheretherketon (PEEK) ist ein hochleistungsfähiges, teilkristallines aromatisches Polymer. Seine chemische Grundstruktur besteht aus alternierenden Ether- und Ketonbindungen, in deren Hauptkette Benzolringe eingebettet sind. Als Flaggschiff der Polyaryletherketon-Familie nimmt PEEK die Spitze der Polymerleistungshierarchie ein und wird oft als „König der Harze“ bezeichnet. Es ist ein idealer Metallersatzstoff und zeichnet sich durch hervorragende mechanische Eigenschaften, stabile thermochemische Eigenschaften, geringes Gewicht und außergewöhnliche Biokompatibilität aus.

PEEK-Materialarten

PEEK wird aufgrund seiner Eigenschaften und Verarbeitungsmethoden in mehrere Hauptvarianten unterteilt:

• Hochtemperatur-PEEK: Charakterisiert durch überlegene thermische Stabilität, wobei auch in Hochtemperaturumgebungen eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit und chemische Stabilität erhalten bleiben.
• Kohlenstofffaserverstärktes PEEK: Verstärkt mit Kohlenstofffasern zur deutlichen Steigerung der mechanischen Festigkeit, Steifigkeit und Verschleißfestigkeit.
• Glasfaserverstärktes PEEK: Verstärkt mit Glasfasern zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und der Dimensionsstabilität.
• Leitfähiges PEEK: Modifiziert mit leitfähigen Füllstoffen (z. B. Kohlenstoffnanoröhren oder Metallpulvern), um die gewünschte elektrische Leitfähigkeit zu erzielen.
• Medizinisches PEEK: Speziell behandelt und gereinigt, um die strengen Anforderungen an Medizinprodukte zu erfüllen. Medizinisches PEEK zeichnet sich durch hervorragende Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit aus und besitzt häufig inhärente antimikrobielle Eigenschaften.

Eigenschaften von PEEK

PEEK ist ein technischer Spezialkunststoff mit ausgewogenen Leistungseigenschaften. Er bietet hervorragende Wärmebeständigkeit, Beständigkeit gegen Heißwasser und Dampf, Lösungsmittelbeständigkeit, überlegene elektrische Isolation und hohe Dauerfestigkeit.

Die folgende Tabelle beschreibt detailliert die wichtigsten physikalischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften von unverstärktem PEEK und seinen drei wichtigsten verstärkten Varianten:

Mechanische Leistung

PEEK zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit und seinen hohen Elastizitätsmodul aus. Seine Zugfestigkeit kann 90 MPa übersteigen, und seine Biegefestigkeit und sein Biegemodul sind ebenso beeindruckend. Gleichzeitig besitzt PEEK eine gute Zähigkeit und Schlagfestigkeit. Diese Kombination aus Steifigkeit und Flexibilität gewährleistet, dass PEEK-Bauteile auch unter komplexen Belastungen nicht spröde brechen.

Elektrische Eigenschaften

PEEK besitzt hervorragende elektrische Isolationseigenschaften. Der spezifische Volumenwiderstand des PEEK-Harzes liegt typischerweise über 10 Ω.¹⁶ Ω · cm.

Chemische Resistenz

PEEK bietet eine gute Beständigkeit gegenüber nahezu allen Chemikalien, mit Ausnahme von konzentrierter Schwefelsäure. Es behält seine chemische Stabilität auch bei erhöhten Temperaturen. Im Vergleich zu anderen technischen Kunststoffen wie Polycarbonat, modifiziertem Polyphenylenether und Polysulfon ist die Beständigkeit von PEEK gegenüber chemischer Spannungsrisskorrosion deutlich überlegen.

Ist PEEK jedoch nicht ausreichend kristallisiert, kann das Eintauchen in bestimmte Chemikalien wie Aceton zu Spannungsrissen führen. Diese Anfälligkeit lässt sich durch eine Wärmebehandlung (z. B. 1 Stunde bei 200 °C) beseitigen, um den Kristallinitätsgrad zu maximieren und die Beständigkeit gegen umweltbedingte Spannungsrisse zu verbessern.

Wärmewiderstand

PEEK weist eine ausgezeichnete thermische Stabilität auf und kann bei einer Dauereinsatztemperatur von bis zu 240 °C eingesetzt werden. Thermogravimetrische Analysen bestätigen diese Stabilität: PEEK zeigt bei 400 °C keinen Masseverlust und bei 500 °C lediglich einen Masseverlust von 2.5 %.

Hydrolyse- und Dampfbeständigkeit

Die Beständigkeit von PEEK gegenüber heißem Wasser und Dampf ist eine seiner herausragendsten Eigenschaften. Nach dem Eintauchen in 80 °C heißes Wasser für 800 °C bleiben Zugfestigkeit und Dehnung des Materials nahezu unverändert. Selbst in 200 °C heißem Dampf zeigen sich keine signifikanten Veränderungen der Zugfestigkeit, der Masse oder des Aussehens, was einen langfristigen Einsatz in Dampfumgebungen ermöglicht. Unter allen gängigen technischen Kunststoffen bietet PEEK die höchste Beständigkeit gegenüber Dampf und Hydrolyse.

Verarbeitung und Herstellung von PEEK

Spritzguss

PEEK besitzt einen hohen Schmelzpunkt und eine im Vergleich zu technischen Kunststoffen relativ hohe Schmelzviskosität, was hohe Verarbeitungstemperaturen erfordert. Die Zylindertemperaturen werden zwischen 350 °C und 400 °C geregelt. Vor dem Spritzgießen muss das Material vorgetrocknet werden, üblicherweise 3 Stunden lang bei 150 °C.

Als kristallines Harz muss PEEK während des Formgebungsprozesses eine ausreichende Kristallisation erreichen, um seine überlegenen Eigenschaften zu entfalten.

• Eine Formtemperatur von 150 °C bis 160 °C ergibt opake, hochkristalline Teile, wobei die Oberflächenschicht transparent bleiben und eine geringe Kristallinität aufweisen kann.
• Die Verwendung einer Formtemperatur von 180 °C führt zu Produkten mit einem höheren Gesamtkristallinitätsgrad.

Wenn während der ersten Formgebungsphase keine hohen Formtemperaturen angewendet werden können, ist eine Nachbehandlung (Glühen) erforderlich, um die endgültige Kristallinität des Bauteils zu erhöhen. PEEK kann mit Standard-Spritzgießmaschinen verarbeitet werden, wobei große, dünnwandige oder komplexe Teile jedoch Schnecken mit einem hohen Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D-Verhältnis) und einem kurzen Kompressionsbereich erfordern können.

Laminatbildung

PEEK wird als Matrixmaterial mit Glasfaser-, Kohlenstofffaser- oder Hybridverstärkungen zur Herstellung von Hochleistungs-Verbundlaminaten verwendet. Diese Verbundplatten weisen über einen breiten Temperaturbereich unterhalb von 300 °C eine hohe Beibehaltung ihres Biegeelastizitätsmoduls auf.

Zerspanung und Nachbearbeitung

PEEK-Werkstoffe weisen eine ausgezeichnete Bearbeitbarkeit auf, die die Herstellung von hochpräzisen Bauteilen durch konventionelle Bearbeitungstechniken wie Drehen, Fräsen und Bohren ermöglicht. Präzisions-CNC-Bearbeitung können Maßtoleranzen von bis zu 0.01 mm erreichen.

Die Sekundärbearbeitung umfasst maschinelle Bearbeitung, Ultraschallschweißen, Galvanisierenund Sputtern. Die Verbindung kann mit Klebstoffen wie Epoxid-, Polyurethan- oder Silikonklebern hergestellt werden. Zur Verbesserung der Haftfestigkeit kann eine Vorbehandlung der PEEK-Oberfläche, beispielsweise Ätzen mit Chromsäure, erforderlich sein.

Anwendung von PEEK

Als technischer Spezialkunststoff ist PEEK aufgrund seiner hervorragenden Beständigkeit gegenüber Wärme, Strahlung und Chemikalien sowie seiner überlegenen mechanischen und elektrischen Eigenschaften in zahlreichen Branchen sehr geschätzt.

Luft- und Raumfahrt

Die Eigenschaften von PEEK – darunter Wärmebeständigkeit, inhärente Flammschutzwirkung, Beständigkeit gegen Heizöl, hohe Festigkeit und Steifigkeit – werden bei zahlreichen Flugzeugteilen genutzt, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden.

• PEEK-Komponenten wie Radarbauteile und Radome weisen eine ausgezeichnete Witterungsbeständigkeit auf.
• Motorteile aus PEEK sind für den Langzeiteinsatz bei Temperaturen über 200 °C geeignet.
• Es wird für verschiedene Dichtungsmaterialien in Flugzeugen verwendet.
• Für Türgriffe, Kabinenverkleidungen, Steuerknüppel und Hubschrauberheckrotoren wird kohlenstoff- oder glasfaserverstärktes PEEK verwendet.

Hochleistungswerkstoffe wie APC-2 (PEEK-Matrix) von ICI weisen eine mehr als zehnmal höhere Zähigkeit als herkömmliche Epoxidharz-Verbundwerkstoffe auf. Dadurch können PEEK-Verbundwerkstoffe Epoxidharz in großflächigen Strukturen wie Raumstationskomponenten, Flugzeugflügeln und anderen anspruchsvollen Anwendungen ersetzen. Ein bemerkenswertes kostensparendes Anwendungsbeispiel ist das Spritzgießen von Raketenzündrohren aus glasfaserverstärktem PEEK. Hierbei werden herkömmliche Metallteile ersetzt, während die Integrität unter den extremen Belastungen beim Zünden und Abheben erhalten bleibt.

Automobilindustrie

PEEK wird in der Automobilindustrie vor allem für hochbelastete, verschleißanfällige und hochtemperaturbeständige Bauteile eingesetzt.

• Kolbenhemden und Kolbenringe
• Rotorhalterungen und Lager
• Lagerhalter
• Turbinenlastlaufräder
• Dichtungen und Getriebestützsitze
• Gehäuse für Reifendrucksensoren

Mechanische und industrielle Ausrüstung

Im Maschinenbau und bei Büroautomatisierungsmaschinen findet PEEK breite Anwendung für Zahnräder, Lager, Ventilsitze, Kolbenringe, Kupplungen, Waschvorrichtungen und Trennklaue für Fotokopierer.

Lager und Käfige: Spezielle selbstschmierende PEEK-Sorten bieten hohe Festigkeit, ausgezeichnete Verschleißfestigkeit, niedrigen Reibungskoeffizienten und gute Zähigkeit und eignen sich daher ideal für die Herstellung von Kugellagerkäfigen und Axiallagern.

Kolbenringe für Dieselmotoren: PEEK hat aufgrund seiner überlegenen thermischen und Schmiereigenschaften Metall in Dieselmotoren-Kolbenringen ersetzt. PEEK-Ringe behalten ihre Leistungsfähigkeit auch bei 160 °C heißem Öl, bieten eine ausgezeichnete Dauerfestigkeit und erzeugen im Betrieb deutlich weniger Geräusche als ihre Pendants aus Metall.

Schrauben und Befestigungselemente: Aufgrund seiner hohen Festigkeit, Steifigkeit und überlegenen chemischen Beständigkeit werden PEEK-Schrauben häufig in anspruchsvollen mechanischen und chemischen Verarbeitungsanlagen eingesetzt.

Rohre und Verbindungen: Die außergewöhnliche Beständigkeit von PEEK gegenüber Wasser, Heißwasser und Dampf, gepaart mit hoher Festigkeit, guter Ermüdungsbeständigkeit und minimaler Auswaschung von Verunreinigungen, führt zu seinem weitverbreiteten Einsatz bei Komponenten für die Fluidförderung.

Zentrifugenteile: PEEK kann mittels elektrostatischer Beschichtung oder Wirbelschichtverfahren auf Metalloberflächen aufgebracht werden, um Laufräder und andere Zentrifugenkomponenten herzustellen. Dabei werden seine chemische Beständigkeit, Hitzebeständigkeit und hervorragende Haftung auf Metallen genutzt.

Detektionssensoren: Spritzgegossene PEEK-Komponenten werden in Leitfähigkeitssensoren für Kessel und andere Systeme eingesetzt. Diese Anwendung nutzt die hervorragende Beständigkeit von PEEK gegenüber Heißwasser und Dampf, seine ausgezeichnete Dimensionsstabilität und seine effektive elektrische Isolation.

Über Getzshape

Wir von Getzshape sind erfahrene Hersteller von CNC-gefrästen Kunststoffteilen. Wir haben bereits zahlreiche Kunststoffteile gefertigt, darunter auch Hochleistungsteile aus PEEK. Wenn Sie hochwertige PEEK-Befestigungselemente, Lager, Kolben oder andere kundenspezifische PEEK-Komponenten suchen, kontaktieren Sie uns gerne. Kontakt aufnehmen.