PEEK vs. PEKK: Materialeigenschaften, Verarbeitung und Auswahl der Anwendung

1. Einführung in PAEK-Polymere

Die Polyaryletherketon (PAEK)-Familie repräsentiert eine Gruppe von Hochleistungsthermoplasten, die für ihre außergewöhnliche thermische Stabilität, mechanische Festigkeit und chemische Beständigkeit bekannt sind. Diese teilkristallinen und amorphen Polymere dienen als robuste Alternativen zu Metallen, Keramiken und anderen technischen Kunststoffen in anspruchsvollen Industrien wie Luft- und Raumfahrt, Medizinprodukten und Elektronik. Innerhalb der PAEK-Familie sind Polyetheretherketon (PEEK) und Polyetherketonketon (PEKK) die bekanntesten und am häufigsten verglichenen Mitglieder. Während beide Materialien einen ähnlichen aromatischen Grundbaustein aufweisen, führen ihre unterschiedlichen Molekülstrukturen zu Unterschieden in der Kristallinität, dem Verarbeitungsverhalten und der Endanwendungsleistung. 

2. Fundamentale chemische Struktur und Zusammensetzung

Der Kernunterschied zwischen PEEK und PEKK liegt in der Anordnung ihres chemischen Grundgerüsts, die ihr thermisches und mechanisches Verhalten bestimmt.

PEEK (Polyetheretherketon): Dieses Polymer besteht aus sich wiederholenden Einheiten, die eine Ketongruppe und zwei Etherbindungen in der Monomereinheit enthalten. Seine chemische Struktur bietet eine ausgewogene Kombination aus Zähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Verarbeitbarkeit. PEEK wird über eine nukleophile Substitutionsreaktion unter Verwendung von 4,4'-Difluorbenzophenon und Hydrochinon als primäre Rohstoffe hergestellt. Dieser Syntheseweg ist etabliert, beinhaltet aber höherwertige Ausgangsmaterialien und eine präzise Kontrolle.

PEKK (Polyetherketonketon): Im Gegensatz dazu enthält PEKK zwei Ketongruppen und eine Etherbindung pro sich wiederholender Einheit. Die zusätzliche Ketongruppe erhöht die aromatische Dichte des Polymers, was zu einer höheren intrinsischen thermischen Stabilität und Steifigkeit führt. PEKK wird typischerweise durch eine elektrophile Substitutionsreaktion unter Verwendung preiswerter und leicht verfügbarer Monomere wie Diphenylether und Terephthaloyl-/Isophthaloylchlorid synthetisiert. Dieser Prozess bietet eine größere Flexibilität bei der Anpassung des Verhältnisses von Terephthalsäure- zu Isophthalsäureeinheiten, wodurch einstellbare Schmelzpunkte von 280 °C bis 390 °C ermöglicht werden.

Parameter	PEEK	PEKK
Struktur
Monomer-Verhältnis	1 Keton : 2 Ether	2 Ketone : 1 Ether
Polymerisationsmethode	Nukleophile Substitution	Elektrophile Substitution
Schmelzpunkt-Einstellbarkeit	Fest (~343 °C)	Einstellbar (280-390 °C)
Rohstoffkosten	Höher (fluorierte Monomere)	Niedriger (gängige Acylchloride)

3. Thermische und mechanische Eigenschaften

Die strukturellen Unterschiede zwischen PEEK und PEKK führen direkt zu unterschiedlichen Leistungseigenschaften unter thermischer und mechanischer Belastung.

3.1 Thermische Eigenschaften

Glasübergangstemperatur (Tg): PEKK weist typischerweise eine höhere Glasübergangstemperatur (ungefähr 156-165 °C) auf, verglichen mit PEEKs 143 °C. Dies verleiht PEKK eine bessere Leistung bei erhöhten Temperaturen, bevor die Molekularbewegung einsetzt.

Schmelztemperatur (Tm): Während PEEK einen festen Schmelzpunkt von ungefähr 343 °C hat, kann der Schmelzpunkt von PEKK zwischen 280 °C und 390 °C konstruiert werden, abhängig vom Isomerverhältnis, das während der Polymerisation verwendet wird. Diese Einstellbarkeit ermöglicht eine bessere Verarbeitungsoptimierung.

Dauereinsatztemperatur: Beide Materialien behalten eine ausgezeichnete thermische Stabilität bei, wobei PEEK für den Dauereinsatz bei 260 °C geeignet ist, während bestimmte PEKK-Sorten diesen Bereich aufgrund ihrer erhöhten thermischen Beständigkeit geringfügig erweitern können.

3.2 Mechanische Leistung

Festigkeit und Steifigkeit: Die höhere aromatische Dichte von PEKK bietet eine größere Steifigkeit und Festigkeit bei erhöhten Temperaturen im Vergleich zu ungefülltem PEEK. Beide Materialien können jedoch durch Kohlefaser (CF) oder Glasfaser (GF) erheblich verbessert werden. Beispielsweise weist 18 % kohlefaserverstärktes PEEK eine Zugfestigkeit von 196 MPa und einen Zugmodul von 13,9 GPa auf.

Kristallinitätsverhalten: PEEK erreicht einen höheren Kristallinitätsgrad (typischerweise 30-35 %) im Vergleich zur schwächeren Kristallstruktur von PEKK. Diese höhere Kristallinität in PEEK trägt zu seiner überlegenen chemischen Beständigkeit und Ermüdungsleistung bei. Die langsamere Kristallisationskinetik von PEKK kann für die Herstellung amorpher Teile mit höherer Transparenz oder für Anwendungen, die eine verbesserte Schichthaftung in der additiven Fertigung erfordern, von Vorteil sein.

Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit: Beide Materialien weisen eine außergewöhnliche Ermüdungsbeständigkeit auf, wobei PEEK besonders dafür bekannt ist, die beste Ermüdungsleistung unter allen Kunststoffen zu haben. PEEK zeigt auch eine hervorragende Verschleißfestigkeit und niedrige Reibungskoeffizienten, insbesondere wenn es mit Kohlefaser, Graphit oder PTFE modifiziert wird.

4. Verarbeitungs- und Herstellungseigenschaften

Das Verarbeitungsverhalten von PEEK und PEKK unterscheidet sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallisationskinetik und thermischen Anforderungen erheblich.

4.1 Additive Fertigung (3D-Druck)

PEEK-Verarbeitung: Das Drucken von PEEK erfordert anspruchsvolle Geräte, die in der Lage sind, Düsentemperaturen von 400 °C zu erreichen, und eine beheizte Baukammer, die auf 120 °C oder höher gehalten wird, um Verformungen und Delamination aufgrund schneller Kristallisation zu verhindern. Das Erreichen einer optimalen Schichthaftung erfordert ein präzises Wärmemanagement während des gesamten Bauprozesses.

PEKK-Vorteile: Die langsamere Kristallisationsrate und das breitere Verarbeitungsfenster von PEKK machen es im Allgemeinen besser für die additive Fertigung geeignet als PEEK. Die langsamere Kristallisation verhindert Teileverformungen und reduziert innere Spannungen, während die einstellbare Schmelztemperatur die Optimierung der Druckparameter ermöglicht. Die überlegene Leistung von PEKK in der additiven Fertigung hat zu seiner Einführung in der Luft- und Raumfahrt und in medizinischen Anwendungen geführt, wo komplexe Geometrien erforderlich sind.

4.2 Traditionelle Herstellungsverfahren

Beide Materialien können mit herkömmlichen thermoplastischen Verfahren wie Spritzguss, Extrusion und Formpressen verarbeitet werden, wenn auch mit unterschiedlichen optimalen Parametern.

Spritzguss: PEEK erfordert Schmelztemperaturen von 370-400 °C und Formtemperaturen von 160-180 °C, um eine ordnungsgemäße Kristallinität zu erreichen. PEKK kann bei ähnlichen Temperaturen verarbeitet werden, bietet aber aufgrund seines einstellbaren Schmelzpunkts und der langsameren Kristallisation, die das Risiko einer unvollständigen Füllung oder vorzeitigen Verfestigung verringert, eine größere Flexibilität.

Extrusion und Formpressen: Beide Materialien können zu Filamenten, Platten und Stäben extrudiert werden, wobei PEEK aufgrund seiner ausgezeichneten dielektrischen Festigkeit (190 kV/mm) und Strahlungsbeständigkeit besonders für Draht- und Kabelbeschichtungen geeignet ist. Die feine Pulverform von PEKK (z. B. KetaSpire KT-880FP) eignet sich gut für das Formpressen und andere Verfahren, die von Pulvermaterialien profitieren.

5. Anwendungen und Branchenakzeptanz

Während sowohl PEEK als auch PEKK Märkte mit hoher Leistung bedienen, spiegeln ihre Anwendungsvorlieben ihre einzigartigen Materialeigenschaften wider.

5.1 PEEK-Anwendungen

Die kommerzielle Reife und das ausgewogene Eigenschaftsprofil von PEEK haben zu einer weitverbreiteten Akzeptanz in verschiedenen Branchen geführt:

Luft- und Raumfahrt: Kabinenkomponenten, Lager, Dichtungen und Kabelbaumsysteme, die von Gewichtsreduzierung und Flammwidrigkeit (UL94 V-0) profitieren.

Medizin: Wirbelsäulen-Fusionsgeräte, Trauma-Fixierungsplatten, zahnärztliche Instrumente und chirurgische Werkzeuge, die wiederholte Sterilisation und Biokompatibilität erfordern.

Industrie: Komponenten für die Halbleiterherstellung (Waferträger), Pumpendichtungen, Kolbenringe und Verdichterventilplatten, die chemische Beständigkeit und geringen Verschleiß erfordern.

Elektronik: Hochtemperatursteckverbinder, Spulen und Isolierfolien, die dielektrische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen beibehalten.

5.2 PEKK-Anwendungen

Die Verarbeitungsvorteile und die Hochtemperaturleistung von PEKK machen es besonders geeignet für:

Additiv gefertigte Luft- und Raumfahrtkomponenten: Komplexe Halterungen, Kanäle und Gehäuse, die durch Fused Filament Fabrication oder selektives Lasersintern hergestellt werden.

Medizinische Implantate: Patientenspezifische Schädel- und Gesichtsimplantate, die von der knochenähnlichen Steifigkeit und der radiografischen Sichtbarkeit von PEKK profitieren.

Beschichtungssysteme: Schutzbeschichtungen für chemische Verarbeitungsanlagen, bei denen die langsamere Kristallisation von PEKK Risse während der Anwendung und Aushärtung verhindert.

6. Wirtschaftliche Überlegungen und Marktumfeld

Das kommerzielle Umfeld und die Kostenstrukturen für PEEK und PEKK unterscheiden sich erheblich, was ihre Einführung in verschiedenen Branchen beeinflusst.

Produktion und Marktposition: PEEK dominiert die PAEK-Familie mit über 80 % des Weltmarktanteils. Zu den wichtigsten Herstellern gehören Victrex (UK), Solvay (Belgien) und Evonik (Deutschland), mit wachsender Kapazität von chinesischen Herstellern wie Zhongyan Technology. Der globale PEEK-Markt wurde 2024 auf etwa 56 Milliarden RMB geschätzt und soll bis 2029 82,3 Milliarden RMB erreichen. Im Gegensatz dazu ist die PEKK-Produktion begrenzter, wobei Unternehmen wie Arkema und Kaisheng New Materials die Entwicklung anführen.

Kostenstrukturanalyse: Die PEEK-Produktion erfordert teure fluorierte Monomere (4,4'-Difluorbenzophenon), die einen erheblichen Teil der Rohstoffkosten ausmachen. Ungefähr 0,7-0,8 Tonnen fluorierte Monomere werden benötigt, um 1 Tonne PEEK-Harz herzustellen. Die PEKK-Synthese verwendet kostengünstigere Rohstoffe, hauptsächlich Diphenylether und Terephthaloyl-/Isophthaloylchlorid, die Massenchemikalien sind. Dieser grundlegende Unterschied in den Rohstoffkosten verschafft PEKK einen potenziellen wirtschaftlichen Vorteil, insbesondere für preissensible Anwendungen.

7. Materialauswahlrahmen

Die Wahl zwischen PEEK und PEKK erfordert eine systematische Bewertung der Anwendungsanforderungen im Vergleich zu den Materialeigenschaften:

Primäre Leistungskriterien identifizieren:

• Für maximale chemische Beständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und elektrische Isolierung: PEEK.
• Für extreme Temperaturleistung, additive Fertigung oder Anwendungen, die einstellbare Schmelzpunkte erfordern: PEKK.

Verarbeitungseinschränkungen bewerten:

• Für herkömmliches Spritzgießen mit Standardausrüstung: PEEK.
• Für komplexe additive Fertigung oder wenn das Verarbeitungsfenster ein Problem darstellt: PEKK.

Wirtschaftliche Faktoren berücksichtigen:

• Für etablierte Anwendungen mit validierten Designs: PEEK.
• Für kostengetriebene Anwendungen oder solche, die von niedrigeren Rohstoffkosten profitieren: PEKK.

Langzeitanforderungen beurteilen:

• Für Anwendungen, die eine nachgewiesene Langzeitstabilität und eine umfassende behördliche Zulassung erfordern (z. B. medizinische Implantate): PEEK.
• Für neue Anwendungen, bei denen Verarbeitungsvorteile etablierte Erfolgsbilanzen überwiegen: PEKK.