Polyethylen

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Polyethylen (Kurzzeichen PE, veraltet Polyäthylen, gelegentlich auch Polyethen genannt) ist ein durch Polymerisation von Ethen $hergestellter, teilkristalliner, thermoplastischer Kunststoff mit der Formel \left[-CH_2-CH_2-\right_n$ . Es gehört zur Gruppe der Polyolefine.
Bekannte Handelsnamen sind: Alathon, Dyneema, Hostalen, Lupolen, Spectra, Trolen, Vestolen.

Polyethylen.jpg
Atomformel des Polyethylen.

Historische Informationen

Polyethylen wurde im Jahre 1898 vom Chemiker Hans von Pechmann entdeckt und am 27. März 1933 erstmals durch Reginald Gibson und Eric Fawcett in den ICI-Laboratorien in England industriell unter einem Druck von ca. 1400 bar und einer Temperatur von 170°C hergestellt, wo es sich als weißer, wachsartiger Belag auf der Innenwand des Autoklaven bildete. Erst 1940 konnte ein wirtschaftlich rentables Herstellungs-Verfahren entwickelt werden. 1953 entwickelten der Deutsche Karl Ziegler und der Italiener Giulio Natta den Ziegler-Natta-Katalysator, mit dessen Hilfe eine Polymerisation von Ethen auch bei Normaldruck möglich wurde. Dafür erhielten die Wissenschaftler 1963 den Nobelpreis für Chemie.

Kommerziell wird Polyethylen in großen Mengen seit 1957, vor allem in Rohrleitungssystemen für die Gas- und Wasserversorgung für Kabelisolierungen und in Verpackungsmaterialien, eingesetzt.

PE-Typen

Man unterscheidet zwischen

PE-HD (HDPE): schwach verzweigte Polymerketten, daher hohe Dichte zwischen 0,94 g/cm³ und 0,97 g/cm³, („HD“ steht für „high density“).

PE-LD (LDPE): stark verzweigte Polymerketten, daher geringe Dichte zwischen 0,915 g/cm³ und 0,935 g/cm³, („LD“ steht für „low density“).

PE-LLD (LLDPE): lineares Polyethylen niederer Dichte, dessen Polymermolekül nur sehr wenige und kurze Verzweigungen aufweist.
PE-HMW: hochmolekulares Polyethylen. Die Polymerketten sind länger als bei PE-HD, PE-LD oder PE-LLD, die mittlere Molmasse liegt bei 500 bis 1000 kg/mol.
PE-UHMW: ultrahochmolekulares Polyethylen mit einer mittleren Molmasse von bis zu 6000 kg/mol und einer Dichte von 0,93 bis 0,94 g/cm³.

- bgcolor="#efefef"	Eigenschaft	PE-LD	PE-HD	PE-LLD	-	Kristallisationsgrad in %	40 bis 50	60 bis 80	30 bis 40	-	Dichte in g/cm³	0,915 bis 0,935	0,94 bis 0,97	0.90 bis 0.93	-	Schubmodul N/mm² bei 23°C	~130	~1000	-	-	Kristalitschmelzbereich in °C	105 bis 110	130 bis 135	121 bis 125	-	Chemikalienbeständigkeit	gut	besser	gut	-	Spannung an der Streckgrenze in N/mm²	8,0-10	20,0-30,0	10,0-30,0	-	Dehnung an der Streckgrenze in %	20	12	16	-	E-Modul (N/mm²)	200	1000	-	-	Lineare Ausdehnungskoeffizient (K^-1)	1.7 * 10^-4	2 * 10^-4	2 * 10^-4	-	Zulässige Dauertemperatur in °C	80	100	-	-	Erweichungstemperatur in °C	110	140	-

Eigenschaften

Im Gegensatz zu PVC besteht Polyethylen lediglich aus Wasserstoff und Kohlenstoff, es kann also in der Müllverbrennung im Idealfall zu Kohlendioxid und Wasserdampf verbrennen. Es verbrennt mit tropfender, heller Flamme und brennt auch weiter, wenn man die Flamme entfernt. Die Ökobilanz ist gut. Polyethylen besitzt eine hohe Beständigkeit gegen den Angriff von Säuren, Laugen und weiteren Chemikalien. Polyethylen ist teilkristallin, mit steigendem Kristallinitätsgrad steigt die Dichte. Durch höhere Kristallinität erhöhen sich auch die mechanische und chemische Stabilität. Polyethylen nimmt kaum Wasser auf, es schwimmt auf Wasser; Wasseraufnahme weniger als 0,1 %, Dichte <1 g/cm³, und quillt in polaren Lösungsmitteln praktisch nicht. Für Wasserdampf ist es undurchlässig; Sauerstoff, Kohlendioxid und Aromastoffe lässt es hingegen gut durch. Seine Eigenschaften lassen sich durch geeignete Copolymerisation gezielt ändern.

Ein Nachteil des Polyethylens ist, dass es bei Temperaturen von über 80°C nicht einsetzbar ist. Ungefärbtes Polyethylen ist milchig-trüb und matt. Polyethylen fühlt sich wachsartig an, es ist ritzbar.

Aufgrund der unpolaren Oberfläche ist Polyethylen ohne geeignete Vorbehandlung (z. B. Coronarentladung oder Abflammen) nur schlecht zu bedrucken oder zu kleben.

Grundsätzlich steigt die Chemikalienbeständigkeit von PE mit der Dichte. Die Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit ist höher als bei den meisten Kunststoffen. Durch Sonneneinstrahlung kann bei PE eine Versprödung eintreten, meist wird Ruß als UV-Stabilisator eingesetzt.

Generelle Eigenschaften des Polyethylen:

niedrige Dichte (0,915–0,965 g/cm³)
hohe Zähigkeit und Reißdehnung
gutes Gleitverhalten, geringer Verschleiß (v.a. PE-UHMW)
Temperaturbeständigkeit von -85°C bis +90°C
optisch, milchig weiß
sehr gutes elektrisches und dielektrisches Verhalten (spezifischer Durchgangswiderstand ca. 10¹⁸ Ohm/cm)
sehr geringe Wasseraufnahme
sehr gut spanabhebend und spanlos zu Verarbeiten
Brennt gut; rückstandsfrei: CO₂ + H₂O als Verbrennungsprodukte
PE ist beständig gegen fast alle polaren Lösungsmittel (T<60°C), Säuren, Laugen, Wasser, Alkohole, Öl, HD-PE auch gegen Benzin.

Herstellung

Polyethylen wird durch Polymerisation von Ethylengas hergestellt. Im Hochdruckverfahren entsteht Weich-Polyethylen (PE-LD), im Niederdruckverfahren entsteht das Hart-Polyethylen (PE-HD). Bei beiden Herstellungsverfahren fällt es zunächst als zähe Flüssigkeit an.

PE-LD wird bei Drücken von 1000 bis 3000 bar und Temperaturen von 100°C bis 300°C unter Einsatz von Initiatoren (Radikalstarter) (Sauerstoff oder Peroxide) aus dem Monomer Ethen hergestellt.

PE-HD wird industriell nach dem Ziegler-Natta-Verfahren produziert. Kennzeichnend sind bei diesem Verfahren der geringe Druck (1 bis 50 bar) und die niedrige Temperatur (20°C bis 150°C). Als Katalysatoren werden Titanester, Titanhalogenide oder Aluminiumalkyle verwendet. Alternativ erhält man PE-HD auch mit dem Phillips-Verfahren bei Temperaturen von 85 bis 180°C und Drücken von 30 bis 40 bar.

PE-UHMW ist mit modifizierten Ziegler-Katalysatoren herstellbar.

Polyethylen ist mit einem Anteil von ca. 29 Prozent der weltweit am meisten produzierte Kunststoff. Im Jahr 2001 wurden 52 Millionen Tonnen hergestellt.

Vernetzung

PE-Makromoleküle lassen sich dreidimensional vernetzen. Durch die Vernetzung verbessert sich die Temperaturbeständigkeit des Materials. Außerdem erhöhen sich die Schlagzähigkeit und die Spannungsrissbeständigkeit. Die Vernetzung erfolgt während der Verarbeitung oder im Anschluss daran. Vernetztes Polyethylen wird als PE-X bezeichnet. Es gibt vier verschiedene Vernetzungsverfahren:

Peroxid-Vernetzung (PE-Xa)
Silan-Vernetzung (PE-Xb)
Strahlen-Vernetzung (PE-Xc)
Azo-Vernetzung (PE-Xd)

Anwendungsgebiete

PE-LD und PE-LLD: das Material wird vor allem in der Folienproduktion eingesetzt. Typische Produkte sind Müllsäcke, Schrumpffolien und Landwirtschaftsfolien. In geringem Umfang wird PE-LD und PE-LLD auch zur Herstellung von Kabelummantelungen, Rohren und Hohlkörpern verwendet.

PE-HD: wichtigstes Anwendungsgebiet sind im Blasformverfahren hergestellte Hohlkörper, beispielsweise Flaschen für Reinigungsmittel im Haushalt, aber auch großvolumige Behälter mit einem Fassungsvermögen von bis zu 1000 l (so genannte IBC). Außerdem wird PE-HD zu Spritzgußteilen (überwiegend Verpackungen)verarbeitet, zudem werden Folien und Rohre aus Polyethylen im Extrusionsverfahren hergestellt.

PE-UHMW: wird beispielsweise für Pumpenteile, Zahnräder, Gleitbuchsen, Implantate und Prothesen verwendet. Fasern aus PE-UHMW gehören, auf ihr Gewicht bezogen, zu den stärksten bekannten künstlichen Fasern (Dyneema©, DSM). Sie werden als chirurgisches Nahtmaterial verwendent. Sie sind wohl die einzigen bisher bekannten Fasern welche als Material für einen Weltraumlift im Gespräch sind.

PE-X: wird unter anderem für Warmwasser-Rohre und als Isolation von Mittel- und Hochspannungskabeln eingesetzt.

HDPE: ist eines der Materialien, aus denen Mörser hergstellt werden, aus denen bei professionellen Großfeuerwerken Feuerwerkskörper verschossen werden.