1. Introductie tot PAEK-polymeren
De polyaryletherketon (PAEK)-familie vertegenwoordigt een groep hoogwaardige thermoplasten die bekend staan om hun uitzonderlijke thermische stabiliteit, mechanische sterkte en chemische bestendigheid. Deze semi-kristallijne en amorfe polymeren dienen als robuuste alternatieven voor metalen, keramiek en andere technische kunststoffen in veeleisende industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart, medische apparatuur en elektronica. Binnen de PAEK-familie zijn polyetheretherketon (PEEK) en polyetherketonketon (PEKK) de meest prominente en veel vergeleken leden. Hoewel beide materialen een vergelijkbare aromatische ruggengraat delen, leiden hun verschillende moleculaire structuren tot verschillen in kristalliniteit, verwerkingsgedrag en prestaties bij eindgebruik.
2. Fundamentele chemische structuur en samenstelling
Het belangrijkste onderscheid tussen PEEK en PEKK ligt in hun chemische ruggengraat, die hun thermisch en mechanisch gedrag bepaalt.
PEEK (Polyetheretherketon): Dit polymeer bestaat uit herhalende eenheden die één ketongroep en twee etherbindingen in de monomere eenheid bevatten. De chemische structuur biedt een evenwichtige combinatie van taaiheid, thermische weerstand en verwerkbaarheid. PEEK wordt geproduceerd via een nucleofiele substitutiereactie met 4,4'-difluorbenzofenon en hydrochinon als primaire grondstoffen. Deze syntheseroute is goed ingeburgerd, maar omvat duurdere startmaterialen en een precieze controle.
PEKK (Polyetherketonketon): In tegenstelling hiermee bevat PEKK twee ketongroepen en één etherbinding per herhalende eenheid. De extra ketongroep verhoogt de aromatische dichtheid van het polymeer, wat resulteert in een hogere intrinsieke thermische stabiliteit en stijfheid. PEKK wordt typisch gesynthetiseerd via een elektrofiele substitutiereactie met behulp van goedkope en gemakkelijk verkrijgbare monomeren zoals difenylether en tereftaloyl/isoftaloylchloride. Dit proces biedt meer flexibiliteit bij het aanpassen van de verhouding van tereftaalzuur tot isoftaalzuureenheden, waardoor instelbare smeltpunten variërend van 280°C tot 390°C mogelijk zijn.
| Parameter | PEEK | PEKK |
| Structuur | |
|
| Monomeer verhouding | 1 keton : 2 ethers | 2 ketonen : 1 ether |
| Polymerisatiemethode | Nucleofiele substitutie | Elektrofiele substitutie |
| Smeltpunt instelbaarheid | Vast (~343°C) | Instelbaar (280-390°C) |
| Kosten grondstof | Hoger (gefluoreerde monomeren) | Lager (commodity acylchloriden) |
3. Thermische en mechanische eigenschappen
De structurele verschillen tussen PEEK en PEKK vertalen zich direct in verschillende prestatiekenmerken onder thermische en mechanische belasting.
3.1 Thermische eigenschappen
Glasovergangstemperatuur (Tg): PEKK vertoont typisch een hogere glasovergangstemperatuur (ongeveer 156-165°C) vergeleken met de 143°C van PEEK. Dit geeft PEKK betere prestaties bij verhoogde temperaturen voordat de moleculaire beweging begint.
Smelttemperatuur (Tm): Terwijl PEEK een vast smeltpunt heeft van ongeveer 343°C, kan het smeltpunt van PEKK worden ontworpen tussen 280°C en 390°C, afhankelijk van de isomeerverhouding die tijdens de polymerisatie wordt gebruikt. Deze instelbaarheid maakt een betere optimalisatie van de verwerking mogelijk.
Continue gebruikstemperatuur: Beide materialen behouden een uitstekende thermische stabiliteit, waarbij PEEK geschikt is voor continu gebruik bij 260°C, terwijl bepaalde PEKK-kwaliteiten dit bereik enigszins kunnen verlengen vanwege hun verbeterde thermische weerstand.
3.2 Mechanische prestaties
Sterkte en stijfheid: De hogere aromatische dichtheid van PEKK zorgt voor een grotere stijfheid en sterkte bij verhoogde temperaturen in vergelijking met ongevuld PEEK. Beide materialen kunnen echter aanzienlijk worden verbeterd met koolstofvezel (CF) of glasvezel (GF) versterking. Zo vertoont 18% koolstofvezelversterkt PEEK een treksterkte van 196 MPa en een trekmodulus van 13,9 GPa.
Kristalliniteitsgedrag: PEEK bereikt een hogere mate van kristalliniteit (typisch 30-35%) vergeleken met de zwakkere kristalstructuur van PEKK. Deze hogere kristalliniteit in PEEK draagt bij aan de superieure chemische bestendigheid en vermoeiingsprestaties. De langzamere kristallisatiekinetiek van PEKK kan voordelig zijn voor het produceren van amorfe onderdelen met een hogere transparantie of voor toepassingen die een verbeterde hechting van lagen vereisen bij additieve fabricage.
Vermoeiings- en slijtvastheid: Beide materialen vertonen een uitzonderlijke vermoeiingsweerstand, waarbij PEEK met name bekend staat om de beste vermoeiingsprestaties van alle kunststoffen. PEEK vertoont ook een uitstekende slijtvastheid en lage wrijvingscoëfficiënten, vooral wanneer het is gemodificeerd met koolstofvezel, grafiet of PTFE.
4. Verwerkings- en fabricagekenmerken
Het verwerkingsgedrag van PEEK en PEKK verschilt aanzienlijk vanwege hun verschillende kristallisatiekinetiek en thermische vereisten.
4.1 Additieve fabricage (3D-printen)
PEEK-verwerking: Het printen van PEEK vereist geavanceerde apparatuur die in staat is om spuittemperaturen van 400°C te bereiken en een verwarmde bouwkamer die op 120°C of hoger wordt gehouden om kromtrekken en delaminatie als gevolg van snelle kristallisatie te voorkomen. Het bereiken van een optimale hechting van de lagen vereist een nauwkeurig thermisch beheer gedurende het hele bouwproces.
PEKK-voordelen: De langzamere kristallisatiesnelheid en het bredere verwerkingsvenster van PEKK maken het over het algemeen geschikter voor additieve fabricage dan PEEK. De langzamere kristallisatie voorkomt vervorming van het onderdeel en vermindert interne spanningen, terwijl de instelbare smelttemperatuur de optimalisatie van printparameters mogelijk maakt. De superieure prestaties van PEKK in additieve fabricage hebben geleid tot de toepassing ervan in de lucht- en ruimtevaart en medische toepassingen waar complexe geometrieën vereist zijn.
4.2 Traditionele fabricagemethoden
Beide materialen kunnen worden verwerkt met behulp van conventionele thermoplastische technieken zoals spuitgieten, extrusie en compressiegieten, zij het met verschillende optimale parameters.
Spuitgieten: PEEK vereist smelttemperaturen van 370-400°C en matrijs temperaturen van 160-180°C om een goede kristalliniteit te bereiken. PEKK kan worden verwerkt bij vergelijkbare temperaturen, maar biedt meer flexibiliteit dankzij het instelbare smeltpunt en de langzamere kristallisatie, wat het risico op onvolledige vulling of voortijdige stolling vermindert.
Extrusie en compressiegieten: Beide materialen kunnen worden geëxtrudeerd tot filamenten, platen en staven, waarbij PEEK bijzonder geschikt is voor draad- en kabelcoatings vanwege de uitstekende diëlektrische sterkte (190 kV/mm) en stralingsbestendigheid. De fijne poedervorm van PEKK (bijv. KetaSpire KT-880FP) is zeer geschikt voor compressiegieten en andere processen die profiteren van poedermaterialen.
5. Toepassingen en industriële acceptatie
Hoewel zowel PEEK als PEKK dienen voor hoogwaardige markten, weerspiegelen hun toepassingsvoorkeuren hun unieke materiaaleigenschappen.
5.1 PEEK-toepassingen
De commerciële volwassenheid en het evenwichtige profiel van PEEK hebben geleid tot wijdverbreide acceptatie in meerdere industrieën:
Lucht- en ruimtevaart: Onderdelen voor vliegtuigcabines, lagers, afdichtingen en kabelboom systemen die profiteren van gewichtsvermindering en vlamweerstand (UL94 V-0).
Medisch: Apparaten voor wervelkolomfusie, traumafixatieplaten, tandheelkundige instrumenten en chirurgische instrumenten die herhaalde sterilisatie en biocompatibiliteit vereisen.
Industrieel: Onderdelen voor de halfgeleiderfabricage (wafersdragers), pompdichtingen, zuigerringen en compressorventielplaten die chemische bestendigheid en lage slijtage vereisen.
Elektronica: Connectoren, spoelen en isolatiefolies voor hoge temperaturen die diëlektrische eigenschappen behouden bij verhoogde temperaturen.
5.2 PEKK-toepassingen
De verwerkingsvoordelen en de prestaties bij hoge temperaturen van PEKK maken het bijzonder geschikt voor:
Additief vervaardigde lucht- en ruimtevaartcomponenten: Complexe beugels, kanalen en behuizingen geproduceerd via fused filament fabrication of selectief lasersinteren.
Medische implantaten: Patiëntspecifieke schedel- en maxillofaciale implantaten die profiteren van de botachtige stijfheid en radiografische zichtbaarheid van PEKK.
Coatingsystemen: Beschermende bekledingen voor chemische verwerkingsapparatuur waarbij de langzamere kristallisatie van PEKK scheuren tijdens het aanbrengen en uitharden voorkomt.
| Toepassingseis | Aanbevolen materiaal | Reden |
| Hoge vermoeiingsweerstand | PEEK | Superieure weerstand tegen cyclische belasting |
| Maximale chemische bestendigheid | PEEK | Hogere kristalliniteit biedt betere barrière-eigenschappen |
| Additieve fabricage | PEKK | Breder verwerkingsvenster en langzamere kristallisatie |
| Structurele onderdelen voor hoge temperaturen | PEKK | Hogere glasovergangstemperatuur en prestaties bij hoge temperaturen/vocht |
| Kosten gevoelige toepassingen | PEKK | Lagere grondstof- en verwerkingskosten |
| Elektrische isolatie | PEEK | Uitstekende diëlektrische sterkte en stabiliteit |
6. Economische overwegingen en marktomgeving
De commerciële omgeving en kostenstructuren voor PEEK en PEKK verschillen aanzienlijk, wat hun acceptatie in verschillende industrieën beïnvloedt.
Productie en marktpositie: PEEK domineert de PAEK-familie met meer dan 80% van het wereldwijde marktaandeel. Belangrijke producenten zijn onder meer Victrex (VK), Solvay (België) en Evonik (Duitsland), met een groeiende capaciteit van Chinese fabrikanten zoals Zhongyan Technology. De wereldwijde PEEK-markt werd in 2024 geschat op ongeveer 56 miljard RMB en zal naar verwachting in 2029 82,3 miljard RMB bereiken. De PEKK-productie blijft daarentegen beperkter, met bedrijven als Arkema en Kaisheng New Materials die de ontwikkeling leiden.
Kostenstructuuranalyse: De PEEK-productie vereist dure gefluoreerde monomeren (4,4'-difluorbenzofenon), die een aanzienlijk deel van de grondstofkosten uitmaken. Er zijn ongeveer 0,7-0,8 ton gefluoreerde monomeren nodig om 1 ton PEEK-hars te produceren. De PEKK-synthese maakt gebruik van goedkopere grondstoffen, voornamelijk difenylether en tereftaloyl/isoftaloylchloride, die commodity chemicaliën zijn. Dit fundamentele verschil in grondstofkosten geeft PEKK een potentieel economisch voordeel, met name voor prijsgevoelige toepassingen.
7. Materiaalselectiekader
Het kiezen tussen PEEK en PEKK vereist een systematische evaluatie van de toepassingsvereisten ten opzichte van de materiaaleigenschappen:
Identificeer primaire prestatiecriteria:
- Voor maximale chemische bestendigheid, vermoeiingsduurzaamheid en elektrische isolatie: PEEK.
- Voor extreme temperatuurprestaties, additieve fabricage of toepassingen die instelbare smeltpunten vereisen: PEKK.
Evalueer verwerkingsbeperkingen:
- Voor conventioneel spuitgieten met standaardapparatuur: PEEK.
- Voor complexe additieve fabricage of wanneer het verwerkingsvenster een probleem is: PEKK.
Overweeg economische factoren:
- Voor gevestigde toepassingen met gevalideerde ontwerpen: PEEK.
- Voor kosten gedreven toepassingen of die profiteren van lagere grondstofkosten: PEKK.
Beoordeel langetermijnvereisten:
- Voor toepassingen die een bewezen langetermijnstabiliteit en uitgebreide wettelijke goedkeuring vereisen (bijv. medische implantaten): PEEK.
- Voor opkomende toepassingen waarbij verwerkingsvoordelen opwegen tegen gevestigde track records: PEKK.
