Kunststoffe tauchen überall in Deinem Alltag auf. Dabei existieren verschiedene Arten an Kunststoff. Polyethylen ist einer dieser Kunststoffe. Du fragst Dich, wo Polyethylen verwendet wird? Genau dieser Frage und vielen mehr kannst Du hier nachgehen.
Polyethylen Definition
Polyethylen ist ein thermoplastischer Polymer, der aus dem Monomer Ethen hergestellt wird.
Polyethylen wird auch Polyethen genannt und wird häufig durch PE abgekürzt. Das Polymer ist ein Thermoplast. Das bedeutet, Du kannst Polyethylen bei einer gewissen Temperatur verformen.
Der Kunststoff zählt zu den Polyolefinen. Polyolefine ist ein Begriff für Polymere, deren Monomere Alkane sind. Dazu zählt neben Polyethylen aus Ethen beispielsweise Polypropylen aus Propen.
In Abbildung 1 kannst Du die Strukturformel von Polyethylen sehen. Das n stellt hierbei die Anzahl der Ethen-Monomere dar, die sich wiederholen.
Abb. 1: Strukturformel von Polyethylen
Polyethylen Monomer
Ein Monomer ist eine niedermolekulare Verbindung, aus der Polymere erzeugt werden. Du kannst Dir Monomere als Bausteine vorstellen, aus denen Polymere zusammengesetzt sind. Abbildung 2 zeigt Dir Ethen.
Abb. 2: Strukturformel von Ethen
Polyethylen Eigenschaften
Nachdem Du weißt, was Polyethylen überhaupt ist, willst Du bestimmt mehr über die Eigenschaften von Polyethylen wissen.
Wie Du bereits gelernt hast, wird Polyethylen aus Ethen hergestellt. Somit besteht die Polymerkette von PE aus sich wiederholenden Ethenmolekülen. Die Summenformel von Ethen und so von einer Einheit lautet C2H4. Die Dichte einer Einheit beträgt 28,05 g/mol.
Polyethylen ist ein teilkristallines Polymer. Der Kunststoff weist eine geringe Festigkeit auf und ist weniger hart und steif. Jedoch ist Polyethylen gut dehnbar und zäh gegenüber Schlägen. Besonders bei Einwirkung von höheren Temperaturen lässt sich PE stark dehnen.
PE weist als teilkristalliner Polymer kristalline Bereiche mit einer regelmäßigen Anordnung sowie amorphe Bereiche ohne Ordnung und Regelmäßigkeit auf.
Weiterhin besitzt Polyethylen noch folgende Eigenschaften:
- beständig gegenüber Säuren und Basen sowie weiteren chemische Substanzen
- geringe Durchlässigkeit und Aufnahme von Wasser
- geringe Durchlässigkeit von polaren Gasen
- gutes Durchdringen von Sauerstoff, Aromastoffe und CO2
- leitet keinen elektrischen Strom und wirkt somit isolierend
Das Aussehen von Polyethylen kann völlig unterschiedlich sein. Es gibt Formen, die transparent sind, aber es existieren auch milchige, trübe sowie undurchsichtige Arten von Polyethylen. Denn durch chemische Abänderungen und Verarbeitungsverfahren existieren mehrere Formen von Polyethylen. Darüber erfährst Du später mehr.
Polyethylen Schmelzpunkt
Der Schmelzpunkt von Polyethylen liegt bei etwa 130 °C. Du solltest jedoch beachten, dass bei Temperaturen ab 80 °C PE weich wird. Diese beiden Werte sind jedoch nur eine Orientierung, je nach Art an Polyethylen.
Entdeckung von Polyethylen
Im Jahr 1898 erzeugte Hans von Pechmann, ein Chemiker aus Deutschland, erstmals Polyethylen. Er erwärmte einen Stoff namens Diazomethan. Dabei entstand eine weiße Masse mit einer wachsartigen Konsistenz. Die Substanz erhielt den Namen Polymethylen.
1933 wurde bei der Firma „Imperial Chemical Industries“ einen ähnlichen Fund gemacht. Dort wurde Ethylen zusammen mit Benzaldehyd einem hohen Druck ausgesetzt. Hierbei kam es zur Bildung einer weißen Masse mit wachsartiger Konsistenz. Diese Reaktion wurde durch eine Kontamination mit Sauerstoff ermöglicht. Aufgrund dessen forschte das Unternehmen etwa zwei Jahre, um ein Syntheseverfahren für Polyethylen zu realisieren. Die Patentanmeldung erfolgte erstmals 1936.
Polyethylen Herstellung
Der Ausgangsstoff für die Herstellung von Polyethylen ist Ethylengas. In der Regel wird hierbei Ethylengas aus der Petrochemie genutzt. Es gibt auch die Möglichkeit, Ethylengas aus Bioethanol zu erzeugen, aber diese Variante ist aktuell kaum verbreitet. Die Herstellung von Polyethylen erfolgt durch eine Polymerisation.
Das Niederdruckverfahren und das Hochdruckverfahren sind die beiden bedeutungsvollsten Verfahrensweisen, mit denen Polyethylen erzeugt wird. Diese zwei Prozessarten lernst Du im Folgenden näher kennen.
Herstellung mit dem Hochdruckverfahren
Wie Du in der Bezeichnung erkennen kannst, herrschen bei diesem Prozess hohe Drücke. Der Druck liegt zwischen 1500 bar und 3800 bar. Bei diesen Drücken und einer Temperatur zwischen 100 °C und 200 °C findet eine radikalische Polymerisation von Ethen statt. Hierbei dienen kleine Mengen an Sauerstoff oder an Peroxiden als Radikalstarter. Das Produkt, das als dickflüssige Substanz anfällt, wird in einen Extruder befördert. Der Extruder enthält eine Öffnung, durch die die Substanz gedrückt wird. Anschließend wird das Produkt zu einem Granulat gemahlen.
Du weißt nicht, was eine radikalische Polymerisation ist? Dann ließ Dir gerne die Erklärung darüber durch.
Herstellung mit dem Niederdruckverfahren
Beim Niederdruckverfahren wird mit niedrigeren Drücken gearbeitet. Es werden drei verschiedene Varianten unterschieden. Tabelle 1 gibt Dir einen Überblick.
| Polymerisationsart | Reaktionsbedingungen | Beschreibung |
| Lösungspolymerisation | > 130 °C,bis 70 bar,in n-Hexan, Cyclohexan oder Toluol | Polyethylen fällt als Lösung an,Abtrennung mittels Destillation |
| Suspensionspolymerisation | 60 °C bis 105 °C,8 bar bis 40 bar,in aliphatischen Kohlenwasserstoffen oder in Benzin | Polyethylen fällt als nicht lösliches Produkt aus,Abtrennung beispielsweise mittels Zentrifugation |
| Gasphasenpolymerisation | 85 °C bis 100 °C,20 bar, | Ethen wird in einem Wirbelbettreaktor polymerisiert,Polyethylen entsteht als Pulver |
Tab. 1: Varianten des Niederdruckverfahrens
Die Destillation ist ein Verfahren zum Trennen von Flüssigkeiten. Mittels Verdampfen und anschließendem Kondensieren ist eine Separation von Flüssigkeiten möglich.
Bei allen drei Varianten werden Ziegler-, Phillips- oder Metallocen-Katalysatoren eingesetzt. Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie einer Reaktion herab, was zu einer vergrößerten Reaktionsgeschwindigkeit führt.
Chemische Modifikation von Polyethylen
Durch mehrere Methoden kann Polyethylen verändert werden. Es besteht die Möglichkeit, Polyethylen direkt während der Polymerisation durch Nutzung von polaren oder unpolaren Copolymeren abzuändern. Durch polymeranaloge Reaktionen kann eine Modifikation auch nach Abschluss der Polymerisation erfolgen. Mithilfe einer polymeranalogen Reaktion kannst Du eine bestimmte funktionelle Gruppe in eine andere abwandeln. Durch die Modifikation verändern sich auch die Eigenschaften der Polymere, zum Beispiel die Kristallinität und die Dichte.
Unpolare und polare Copolymere
Zunächst lernst Du einige unpolare und polare Copolymere kennen. Copolymere setzen sich aus zwei oder mehreren Monomer-Arten zusammen. In Tabelle 2 siehst Du einen kurzen Überblick über Copolymere, die Ethen enthalten. Die Liste soll Dir als kleine Übersicht dienen, tiefergehende Informationen sollen hier jedoch nicht aufgeführt werden.
| Unpolare Copolymere mit Ethen | Polare Copolymere mit Ethen |
| α-Olefine | Ethylen-Copolymere mit ungesättigten Alkoholen |
| Metallocen-Polyethylen | Ethylen-Acrylsäure-Copolymere |
| Polyethylen mit multimodaler Molmassenverteilung | Ethylen-Copolymere mit ungesättigten Estern |
| Cycloolefin--Copolymere | |
Tab. 2: Unpolare und polare Copolymere mit Ethen
Polymeranaloge Reaktionen
Zu den polymeranalogen Reaktionen zählen die Vernetzung, Chlorierung und die Sulfochlorierung.
Durch verschiedene Verfahrensweisen der Vernetzung kann aus Polyethylen, das als Thermoplast vorliegt, ein vernetztes Polymer erzeugt werden. Vernetztes Polyethylen kannst Du höheren Temperaturen aussetzen, da es im Gegensatz zu nicht modifizierten Polyethylen nicht schmilzt. Weiterhin besitzt vernetztes Polyethylen eine höhere Abriebfestigkeit, ist beständiger gegenüber Spannungsrissen und die Schlagzähigkeit bei tieferen Temperaturen ist gesteigert.
Es stehen unterschiedliche Arten der Vernetzung zur Verfügung. Es existieren die Peroxidvernetzung, die Elektronenstrahlvernetzung, die Azovernetzung und die Silanvernetzung. Dieses Thema soll an dieser Stelle jedoch nicht weiter vertieft werden.
Der Vernetzungsgrad spielt eine zentrale Rolle bei dem Verhalten des Polymers. Wenn der Vernetzungsgrad niedrig ist, tritt Polyethylen als thermoplastischer Elastomer auf. Bei einem hohen Vernetzungsgrad liegt das Polyethylen als Duroplast vor.
Thermoplastische Elastomere kannst Du Dir als eine Mischung aus einem Elastomer und einem Thermoplast vorstellen. Sie sind ähnlich wie ein herkömmlicher Elastomer. Jedoch lassen sich diese Polymere durch Erhöhung der Temperatur verformen. Dieses Verhalten ist charakteristisch für einen Thermoplast.
Duroplasten sind Polymere, die sich durch Zufuhr von Wärme nicht verformen lassen. Die Struktur der Duroplasten besteht aus vernetzten Makromolekülen. Durch kovalente Bindungen entsteht ein Netz, wodurch ein Verformen nicht mehr möglich ist.
Bei der Chlorierung von Polyethylen wird ein Wasserstoffatom des Polymers durch Chlor ersetzt. Analog findet bei der Sulfochlorierung eine Substitution von Wasserstoffatomen durch Chlorsulfongruppen (-SO2Cl) statt. Durch diese Modifikationen verändern sich die Stoffgrößen und Eigenschaften von Polyethylen. Zum Beispiel steigt durch die Sulfochlorierung die Stabilität gegenüber UV-Strahlung.
Arten von Polyethylen
Im Verlauf der Erklärung hast Du schon erfahren, dass es verschiedene Arten von Polyethylen gibt. Tabelle 3 fasst die unterschiedlichen Polymer-Arten zusammen.
| Abkürzung | Bezeichnung | Beschreibung |
| PE-HD, HDPE | Polyethylen high density | - hohe Dichte
- die Dichte liegt zwischen 0,94 g/cm3 und 0,97 g/cm3
- wenige Verzweigungen
|
| PE-LD, PELD | Polyethylen low density | - geringe Dichte
- die Dichte liegt zwischen 0,915 g/cm3 und 0,935 g/cm3
- viele Verzweigungen
|
| PE-LLD | Polyethylen linear low density,Lineares Polyethylen niedriger Dichte | - kurze Verzweigungen
- durch eine Copolymerisation zwischen Ethen und höhere α-Olefine entstehen die Verzweigungen
|
| PE-HMW | Polyethylen high molecular weight,Hochmolekulares Polyethylen | - lange Polymerketten
- mittlere Molmasse zwischen 500 und 1000 kg/mol
|
| PE-UHMW | Polyethylen ultra high molecular weight,Ultramolekulares Polyethylen | - mittlere Molmasse von maximal 6000 kg/mol
- eine Dichte zwischen 0,93 g/cm3 und 0,94 g/cm3
|
| PE-X, XLPE oder VPE | vernetztes Polyethylen | - |
Tab. 3: Verschiedene Arten von Polyethylen
Polyethylen Verwendung
Polyethylen ist der am häufigsten verwendete Kunststoff auf der Welt. Hierbei unterscheidet sich jedoch die Verwendung, je nachdem, welche Art von Polyethylen vorliegt. Im Folgenden siehst Du die Verwendungsbereiche der unterschiedlichen Arten von PE.
Verwendung von PE-HD:
- Flaschen für Reinigungsmittel
- Platten und Folien in der Verpackungsindustrie
- Rohre und Kabelleitungen in Schwellenländern
- Spritzgussteile
Verwendung von PE-LD und PE-LLD:
- Frischhaltefolien, landwirtschaftliche Folien, Folien in der Industrie und weitere Folien
- Müllbeutel
- Tragetaschen
- Beschichtungen in Milchkartons
Verwendung von PE-UHMW:
- Zahnräder, Teile für Pumpen und Gleitbuchsen
- Dichtungen, Membranen
- Implantate und Außenseite von Endoprothesen
Verwendung von PE-X:
- Material zum Isolieren in Kabeln
- Gas- und Wasserrohre
- geformte Teile in der Automobilindustrie, im Bau von Apparaten und in der Elektrotechnik
Polyethylen – Das Wichtigste
- Polyethylen ist ein Thermoplast aus dem Monomer Ethen. Das Polymer wird mit PE abgekürzt.
- Polyethylen Eigenschaften:
- teilkristallin
- gut dehnbar
- ab einer Temperatur von 80 °C wird das Polymer weich
- beständig gegenüber Säure, Basen und weiteren chemischen Stoffen
- Polyethylen Herstellung: Polyethylen kann aus Ethylengas mithilfe des Niederdruckverfahrens oder des Hochdruckverfahrens hergestellt werden.
- Polyethylen kann durch Copolymere, Vernetzung, Chlorierung und Sulfochlorierung chemisch verändert werden.
- Es existieren mehrere Arten von Polyethylen: PE-HD, PE-LD, PE-LLD, PE-HMW, PE-UHMW und PE-X.
- Polyethylen Verwendung: Der Verwendungsbereich der Polyethylen-Arten ist unterschiedlich.
Nachweise
- Sebastian Koltzenburg et al. (2014). Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen. Springer-Verlag Berlin.
- history.de: Polyethylen wird entdeckt. (02.11.2022)
- Prof. Dr. em. Wilhelm Keim (2006). Kunststoffe: Synthese, Herstellungsverfahren, Apparaturen. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.
- Abb. 1: Polyethylene (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Polyethylene_repeat_unit.svg) von Template:Av wiki unter der Lizenz public domain
- Abb. 2: Strukturformel von Ethen (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ethene_structural.svg) von McMonster unter der Lizenz public domain
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