Polyetheretherketon (PEEK) ist ein hochleistungsfähiger technischer Spezialkunststoff. Er ist bekannt für seine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit., chemisch PEEK zeichnet sich durch Widerstandsfähigkeit, Verschleißfestigkeit und mechanische Festigkeit aus und findet daher breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Elektronik. Mit den stetig steigenden Anwendungsanforderungen wächst auch der Bedarf an ultrafeinen PEEK-Pulvern kontinuierlich. Dieser Trend zeigt sich besonders deutlich im 3D-Druck, bei Verbundwerkstoff-Prepregs, Beschichtungen und im Spritzgussverfahren. Ultrafeine Pulver weisen im Allgemeinen Partikelgrößen unter 10 µm auf. In einigen anspruchsvollen Anwendungen sind sogar Partikelgrößen im Submikrometerbereich von 1–5 µm erforderlich. Diese Anforderungen stellen hohe Anforderungen an die Mahlprozesse. Der Prozess muss eine präzise Partikelgrößenverteilung gewährleisten. Partikelgröße Kontrolle ist unerlässlich. Gleichzeitig muss eine hohe Materialreinheit gewährleistet sein. Thermische Zersetzung und Verunreinigungen müssen unbedingt vermieden werden. Die größten Herausforderungen beim Feinvermahlen von PEEK ergeben sich aus verschiedenen intrinsischen Materialeigenschaften.
PEEK zeichnet sich durch hohe Zähigkeit und einen hohen Schmelzpunkt von ca. 343 °C aus. Es ist zudem temperaturempfindlich und unterliegt sehr strengen Reinheitsanforderungen. Herkömmliche mechanische Mahlverfahren wie Kugel- oder Hammermühlen sind daher ungeeignet. Diese Verfahren erzeugen im Betrieb häufig übermäßige Wärme, die zu Materialzersetzung führen kann. Darüber hinaus kann mechanischer Verschleiß Metallverunreinigungen in das Pulver einbringen.
Infolgedessen hat sich die Branche schrittweise hin zu berührungslosen Niedertemperatur-Trockenmahlverfahren verlagert. Zu diesen gehören unter anderem die Strahlmühle und die Windsichtermühle (ACM) sind die am weitesten verbreiteten Lösungen. Die Strahlmühle ist auch als Wirbelschicht-Gegenstrahlmühle bekannt. Dieser Artikel vergleicht die Funktionsprinzipien dieser beiden Technologien. Er analysiert außerdem ihre jeweiligen Vorteile und Grenzen. Abschließend wird bewertet, welches Verfahren besser für die Feinvermahlung von PEEK geeignet ist.
Prinzipvergleich: Strahlmühle vs. Luftklassierermühle
Strahlmühle:
Hochdruck-Druckluft oder -Dampf wird durch Düsen beschleunigt, um einen Überschallstrom (300–500 m/s) zu erzeugen. Die Partikel kollidieren in der Mahlkammer mit hoher Geschwindigkeit miteinander, wodurch die Partikelgröße durch gegenseitigen Aufprall reduziert wird. Es gibt keine beweglichen mechanischen Teile. Ein interner oder externer dynamischer Klassierer gewährleistet eine präzise Partikelgrößentrennung. Gängige Typen sind Wirbelschicht-Gegenstrahlmühlen und Schleifenmühlen. Der Mahlprozess ist aufgrund der Gasausdehnungskühlung von Natur aus niedrigtemperaturig und kann Temperaturen unter −20 °C erreichen. Es findet kein Metallkontakt statt.
Luftklassierermühle (ACM):
Dieses System kombiniert mechanisches Prallschleifen mit Windsichtung. Das Material wird zunächst durch schnell rotierende Hämmer oder Stiftscheiben zerkleinert und anschließend durch ein integriertes Windsichterrad klassiert. Feine Partikel werden mit dem Luftstrom abgeführt, während grobe Partikel zur weiteren Vermahlung zurückgeführt werden. ACMs eignen sich für die mittelfeine Vermahlung und bieten einen relativ hohen Durchsatz.
| Artikel | Strahlmühle | Luftklassierermühle (ACM) |
|---|---|---|
| Schleifprinzip | Hochgeschwindigkeits-Teilchen-Teilchen-Kollision, keine beweglichen Teile | Mechanische Einwirkung + Luftklassifizierung, rotierende Teile |
| Partikelgrößenbereich | 0,5–10 μm (Submikronbereich problemlos erreichbar) | 10–100 μm (ultrafein <5 μm ist schwierig) |
| Wärmeerzeugung | Extrem niedrig (Luftstromkühlung) | Mäßige (mechanische Reibung) |
| Kontaminationsrisiko | Sehr niedrig (kein Metallkontakt) | Mittel (Komponentenverschleiß kann Verunreinigungen verursachen) |
| Energieverbrauch | Mittel bis hoch (Druckluftbedarf) | Relativ niedrig (mechanischer Antrieb) |
| Durchsatz | Mittel (Präzision, kleiner bis mittlerer Maßstab) | Hoch (Großproduktion) |
| Geeignete Materialien | Wärmeempfindliche, hochreine, harte und zähe Materialien | Allgemeine Materialien, klebrige oder mittelharte Materialien |
Prozessanforderungen für die Ultrafeinvermahlung von PEEK
Als teilkristalliner thermoplastischer Kunststoff neigt PEEK dazu, beim Mahlen Wärme zu erzeugen, was zu Schmelzen, Agglomeration oder Zersetzung führen kann. Darüber hinaus gelten für Anwendungen in der Medizin und Luft- und Raumfahrt extrem strenge Reinheitsanforderungen, die eine Verunreinigung mit Metallionen ausschließen. Ultrafeine PEEK-Pulver werden häufig verwendet in:
- 3D-Druck (Lasersintern oder Schmelzschichtung, wobei eine enge Partikelgrößenverteilung und gute Fließfähigkeit erforderlich sind, vorzugsweise sphärische oder nahezu sphärische Partikel);
- Verbundverstärkung (wie zum Beispiel Kohlenstofffaser/PEEK-Prepregs);
- Beschichtungen und Spritzgussfüllstoffe.
Die Branchenpraxis zeigt, dass Strahlmahlen ist das gängige Verfahren zur Ultrafeinvermahlung von PEEK aus folgenden Gründen:
- Niedrige Temperatur und keine Kontamination: Strahlmühlen basieren auf der Kollision von Partikeln ohne mechanische Komponenten, was zu minimaler Wärmeentwicklung und keinem Metallverschleiß führt und somit eine thermische Zersetzung wirksam verhindert und eine hohe Reinheit gewährleistet.
- Hervorragende Ultrafeinfähigkeit: Strahlmühlen erreichen problemlos d97 < 10 μm und sogar 1–5 μm mit enger Partikelgrößenverteilung und erfüllen damit die Anforderungen hochpräziser Anwendungen. Internationale Verarbeiter (wie z. B. Jet-Pulverisierer) werden in der Luft- und Raumfahrt sowie im 3D-Druck häufig Strahlmühlen für PEEK-Pulver eingesetzt.
- Gute Partikelformkontrolle: Wirbelschicht-Strahlmühlen können nahezu kugelförmige Partikel erzeugen und so die Fließfähigkeit des Pulvers verbessern.
- Vorteile für wärmeempfindliche Materialien: Obwohl PEEK einen hohen Schmelzpunkt besitzt, kann es bei Überhitzung lokal erweichen. Der Expansionskühlungseffekt des Strahlmahlens ist für solche Werkstoffe ideal geeignet.
Im Gegensatz dazu bieten Windsichter zwar einen höheren Durchsatz und einen geringeren Energieverbrauch, ihr mechanischer Schlagmechanismus erzeugt jedoch tendenziell Wärme und führt zu Verunreinigungen. Daher sind sie für hochreines, ultrafeines PEEK nicht optimal geeignet. Luftsichtermühlen eignen sich besser für Anwendungen, die mittlere Partikelgrößen (z. B. 20–50 μm) in allgemeinen Kunststoffen oder lebensmittelgeeigneten Materialien erfordern.
AbschlussStrahlmahlen ist die optimale Lösung für die Ultrafeinvermahlung von PEEK
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für die Feinvermahlung von PEEK – insbesondere bei der Herstellung hochreiner Pulver unter 10 μm – die Strahlmühle (vor allem die Wirbelschicht-Gegenstrahlmühle) das optimale Verfahren darstellt. Sie bietet die beste Balance zwischen Feinheit, Reinheit, Betrieb bei niedrigen Temperaturen und Kontrolle der Partikelgrößenverteilung und vermeidet so effektiv die mit Windsichtermühlen verbundenen thermischen Risiken und Kontaminationsrisiken. Obwohl Strahlmühlen höhere Anfangsinvestitionen und einen höheren Energieverbrauch erfordern, bieten sie eine überlegene Kosteneffizienz für hochwertige PEEK-Anwendungen.
Für extrem hohe Durchsatzanforderungen lassen sich Strahlmühlen zur weiteren Optimierung mit externen Sichtern kombinieren. Für nicht ultrafeine Produkte (über ca. 20 μm) können Windsichtermühlen eine Alternative darstellen. In anspruchsvollen Anwendungen bleibt die Strahlmühle jedoch unverzichtbar. Mit zukünftigen Entwicklungen wie energieeffizienten Düsen und intelligenter Sichtersteuerung werden Strahlmühlen eine noch wichtigere Rolle in der PEEK-Pulververarbeitung spielen.
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— Gepostet von Emily Chen