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.

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.

Polyethylen Entdeckung

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.

Polyethylen 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.

Polyethylen Herstellung mit dem Niederdruckverfahren

Beim Niederdruckverfahren wird mit niedrigeren Drücken gearbeitet. Es werden drei verschiedene Varianten unterschieden. Tabelle 1 gibt Dir einen Überblick.

Tab. 1: Varianten des Niederdruckverfahrens

Bei allen drei Varianten werden Ziegler-, Phillips- oder Metallocen-Katalysatoren eingesetzt. Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie einer Reaktion herab, was zu einer vergrößerten Reaktionsgeschwindigkeit führt.

Polyethylen Chemische Modifikation

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.

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.

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.

Polyethylen Arten

Im Verlauf der Erklärung hast Du schon erfahren, dass es verschiedene Arten von Polyethylen gibt. Tabelle 3 fasst die unterschiedlichen Polymer-Arten zusammen.

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