Herausragend in Sachen Strahlenbeständigkeit:

Technischer Kunststoff aus Polyetheretherketon (PEEK).

 

 

Die strukturelle Grundlage von PEEK: Von Natur aus robuste Strahlungsbeständigkeit

Die Strahlungsbeständigkeit von PEEK ist kein Zufall; es ergibt sich aus seiner charakteristischen molekularen Architektur.

Robustes molekulares Rückgrat:  PEEK enthält zahlreiche (aromatische) Benzolringe zusammen mit stark polaren Ketongruppen (-CO-) und Etherbindungen (-O-). Das hochstabile konjugierte Pi-Bindungssystem der aromatischen Ringe absorbiert und verteilt Energie aus energiereicher Strahlung und trägt so dazu bei, eine Spaltung der Molekülkette zu verhindern. Diese aromatische Ringstruktur ist für die Strahlungsbeständigkeit von PEEK von zentraler Bedeutung. 

Hohe Bindungsenergie:  Die CC- und CO-Bindungen in der Polymerkette haben hohe Bindungsenergien und benötigen zum Aufbrechen erhebliche Energie. Durch Bestrahlung erzeugte freie Radikale lösen daher weniger wahrscheinlich eine Spaltung (Abbau) der Hauptkette aus und fördern eher die Vernetzung.

Vernetzung statt Abbau:  Unter Bestrahlung kommt es bei PEEK überwiegend zu einer Vernetzung zwischen den Ketten und nicht zu einem Abbau durch Kettenspaltung. Das resultierende dreidimensionale Netzwerk kann die Sprödigkeit zwar leicht erhöhen, trägt aber dazu bei, die strukturelle Integrität und mechanische Festigkeit zu bewahren und die schnelle Versprödung und Pulverbildung zu vermeiden, die bei vielen Standardkunststoffen auftritt.

Wie sich PEEK unter Bestrahlung verhält

Untersuchungen zeigen, dass PEEK sehr hohen Strahlungsdosen standhalten kann und gleichzeitig seine nützliche Leistung beibehält.

Hohe Dosistoleranz:  PEEK kann mehr als 1.000 kGy (ca. 100 Mrad) ohne katastrophales Versagen tolerieren. Im Vergleich dazu verschlechtern sich viele Allzweckkunststoffe bereits bei Dosen von nur 10–100 kGy stark. Einige Studien berichten, dass PEEK auch nach einer Einwirkung von 5.000 kGy noch ein gewisses Maß an mechanischer Leistung behält.

Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften:  Bevor die kritische Dosis erreicht wird, nehmen die Zugfestigkeit, der Elastizitätsmodul und andere mechanische Eigenschaften von PEEK langsam ab. In den frühen Stadien der Bestrahlung kann die Vernetzung sogar zu einer leichten Erhöhung des Moduls führen, während ein Großteil der Zähigkeit des Materials erhalten bleiben kann.

Stabile elektrische Leistung:  PEEK ist ein ausgezeichneter elektrischer Isolator. Obwohl sein Volumenwiderstand bei Bestrahlung abnimmt, ist die Verringerung weitaus geringer als bei vielen anderen Isoliermaterialien, wie z. B. Epoxidharz, und trägt dazu bei, dass elektrische Komponenten auch bei langfristiger Strahlenexposition eine zuverlässige Isolierung aufrechterhalten.

Geringe Ausgasung:  In Umgebungen mit Hochvakuumstrahlung können flüchtige Substanzen, die von einem Material freigesetzt werden, Präzisionsinstrumente wie Weltraumteleskope und Teilchendetektoren kontaminieren. PEEK hat eine extrem geringe Flüchtigkeit und erzeugt nach der Bestrahlung nur sehr wenig Gas, wodurch es sich gut für Anwendungen mit hoher Sauberkeit eignet.

Die radiochemische Ausbeute (G)  bezieht sich auf die Anzahl der Radikale, Ionen, Moleküle oder anderen Produkte, die entstehen, wenn 1 g Material 100 eV Energie absorbiert. Eine geringere strahlungsinduzierte Radikalausbeute weist im Allgemeinen auf eine stärkere Strahlungsresistenz hin. Die folgende Tabelle listet typische Radikalausbeuten für ausgewählte Polyaryletherketone auf. Die Ausbeute ist bei im Vakuum bestrahlten Proben höher als an der Luft und bei 77 K höher als bei 300 K im Vakuum. Mit anderen Worten: Die Radikalausbeute nimmt ab, wenn die Bestrahlungstemperatur im Vakuum steigt, und sie nimmt auch ab, wenn der Sauerstoffgehalt bei derselben Bestrahlungstemperatur steigt.

Schlüsselfaktoren, die die Strahlungsbeständigkeit von PEEK beeinflussen

Die Strahlungsbeständigkeit von PEEK ist nicht absolut; es hängt von mehreren Faktoren ab:

Strahlungsart und -energie:  Gammastrahlen, Elektronen, Protonen und Neutronen interagieren über unterschiedliche Mechanismen mit Materialien und verursachen daher unterschiedliche Formen und Ausmaße von Schäden. Strahlung mit starker ionisierender Kraft und hoher Durchdringung wirkt sich tendenziell gleichmäßiger auf die Eigenschaften der Masse aus, während hochenergetische Partikel stärkere lokale Schäden hervorrufen können.

Bestrahlungsumgebung – sauerstoffreiche Bedingungen (Luft):  Dies ist die anspruchsvollste Umgebung. Sauerstoff reagiert mit durch Strahlung erzeugten Radikalen, beschleunigt den oxidativen Abbau und führt zu Vergilbung, Versprödung und einem viel schnelleren Leistungsabfall als in Vakuum oder sauerstofffreien Umgebungen.

Inerte Bedingungen (Vakuum oder Inertgas):  PEEK schneidet ohne Sauerstoff am besten ab. Die Vernetzung wird zur dominierenden Reaktion und verlängert die Lebensdauer des Materials erheblich.

Temperatur:  Erhöhte Temperaturen verstärken strahlungsinduzierte chemische Veränderungen und beschleunigen Oxidation und Abbau. Die Kombination von Wärme und Strahlung stellt daher eine größere Herausforderung dar. Dennoch behält PEEK aufgrund seiner inhärenten Hitzebeständigkeit mit Langzeitgebrauchstemperaturen von bis zu 250 °C einen Vorteil.

Zusatzstoffe:  Neat PEEK-Harz bietet die stärkste intrinsische Strahlungsbeständigkeit. Verstärkungen wie Glas- oder Kohlefasern können Grenzflächendefekte verursachen, die während der Bestrahlung zu Spannungskonzentrationspunkten werden und möglicherweise zu einer geringfügigen Verringerung der Strahlungstoleranz führen. Dies ist in der Regel ein akzeptierter Kompromiss, wenn eine höhere mechanische Festigkeit erforderlich ist.

Typische Anwendungen

Kernreaktoren:  Kabelisolierung, Sensorummantelung, Dichtungen, Lager und andere interne Komponenten, die langfristiger Neutronen- und Gammastrahlung standhalten müssen.

Umgang mit nuklearen Abfällen:  Komponenten für Geräte, die zur Aufnahme oder Verarbeitung radioaktiver Materialien verwendet werden.

Satelliten und Raumstationen:  Draht- und Kabelsysteme, Steckverbinder und strukturelle Stützen, die auch bei langfristiger Einwirkung von kosmischer Strahlung und geladenen Teilchen stabil bleiben müssen.

Teilchenbeschleuniger:  Detektorkomponenten und Vakuumkammerisolatoren, die in intensiven Strahlungsfeldern eingesetzt werden, einschließlich Anlagen wie dem Large Hadron Collider (LHC).

Sterilisation von Medizinprodukten:  Gehäuse und interne Strukturen für chirurgische Instrumente, die durch Gammastrahlung oder Elektronenstrahlen sterilisiert werden und so wiederholte Sterilisationszyklen mit begrenzter Alterung ermöglichen.

Elektronik:  Isolierung und Kapselung für elektronische Komponenten, die in speziellen Umgebungen eingesetzt werden, beispielsweise in Bereichen in der Nähe von Kernkraftwerken.

Zusammenfassung und Ausblick 

Dank seiner ausgeprägten aromatischen Molekülstruktur bietet Polyetheretherketon (PEEK) eine Strahlungsbeständigkeit, die die der meisten technischen Kunststoffe übertrifft. Seine Fähigkeit, die strukturelle Integrität sowie wichtige physikalische und mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und hohen Strahlungsdosen aufrechtzuerhalten, macht es zu einem herausragenden Material für die Technik unter extremen Umweltbedingungen.