PE - Polyethylen

Polyethylen (PE) ist das weltweit am meisten produzierte thermoplastische Polymer mit einer jaehrlichen globalen Produktion von ueber 100 Millionen Tonnen. Dieses teilkristalline, flexible Polymer wird in seinen Eigenschaften stark von den relativen Anteilen amorpher und kristalliner Phasen in seiner Molekuelstruktur beeinflusst.

Der globale Polyethylenmarkt wurde 2024 auf etwa 121 Milliarden US-Dollar geschaetzt und wird laut Grand View Research bis 2030 voraussichtlich mit einer jaehrlichen Wachstumsrate (CAGR) von 4,2% wachsen. Dieses Wachstum wird durch die steigende Nachfrage in den Bereichen Verpackung, Bau und Automobil angetrieben.

Die Polyethylene sind im Vergleich zu den meisten gaengigen Chemikalien inert, aufgrund ihrer paraffinischen Natur, ihres hohen Molekulargewichts und ihrer teilkristallinen Struktur. Bei Temperaturen unter 60°C sind sie in allen Loesungsmitteln teilweise loeslich. Polyethylen entspricht den FDA-Vorschriften fuer Lebensmittelkontaktanwendungen und erfuellt die ASTM D4976-Spezifikationen fuer Polyethylen-Kunststoff-Form- und Extrusionsmaterialien.

Unter normalen Bedingungen sind ethylenische Polymere nicht toxisch und koennen sogar in Kontakt mit Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten verwendet werden, jedoch koennen bestimmte Additive aggressiv sein. Frueher wurde Polyethylen nach seiner Dichte und dem Herstellungsverfahren klassifiziert. Heutzutage werden Polyethylene treffender als verzweigte und lineare Kettenpolyethylene beschrieben, wie von der Plastics Industry Association definiert.

Abhaengig von den Reaktionsbedingungen und dem katalytischen System, das bei der Polymerisation verwendet wird, koennen fuenf verschiedene Typen von Polyethylen hergestellt werden:

• Polyethylen niedriger Dichte (LDPE)
• Polyethylen hoher Dichte (HDPE)
• Lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE)
• Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMWPE)
• Polyethylen ultraniederer Dichte (ULDPE)

LDPE – Polyethylen niedriger Dichte

LDPE macht etwa 18% der weltweiten Polyethylenproduktion aus, wobei der Markt 2024 laut ICIS auf 32 Milliarden US-Dollar geschaetzt wurde. Das Verfahren zur Herstellung von LDPE verwendet Druecke zwischen 1000 und 3000 Atmosphaeren und Temperaturen zwischen 100 und 300°C gemaess den Spezifikationen von ASTM D1248. Temperaturen ueber 300°C werden generell nicht verwendet, da das Polymer zur Degradation neigt. Verschiedene Initiatoren (organische Peroxide) wurden verwendet, wobei Sauerstoff der wichtigste ist. Die Reaktion ist stark exotherm, und somit ist eine der Hauptschwierigkeiten des Prozesses die Abfuehrung ueberschuessiger Waerme aus dem Reaktionsmedium. Die stark exotherme Natur der Reaktion bei hohen Druecken fuehrt zu einer grossen Anzahl verzweigter Ketten, was eine wichtige Beziehung zu den Polymereigenschaften hat.

LDPE verfuegt ueber eine einzigartige Kombination von Eigenschaften: Zaehigkeit, hohe Schlagfestigkeit, hohe Flexibilitaet, Ungiftigkeit, Transparenz, gute Verarbeitbarkeit, Stabilitaet und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften. Diese Eigenschaften machen LDPE zur bevorzugten Wahl fuer flexible Verpackungsanwendungen, die weltweit etwa 60% des gesamten LDPE-Verbrauchs ausmachen.

Obwohl LDPE sehr widerstandsfaehig gegen Wasser und einige waessrige Loesungen bei hohen Temperaturen ist, wird es langsam von Oxidationsmitteln angegriffen. Die Wasserdurchlaessigkeit von LDPE ist im Vergleich zu anderen Polymeren gering. Die Durchlaessigkeit fuer polare organische Verbindungen wie Alkohol oder Ester ist viel niedriger als fuer unpolare organische Verbindungen wie Heptan oder Diethylether.

LDPE kann durch Extrusion, Blasformen und Spritzguss verarbeitet werden. Es wird in Folien fuer Industrie- und Agrarverpackungen, Folien fuer Lebensmittelverpackungen, Kaschierung, Spielzeug, Haushaltswaren, Drahtbeschichtung und Kabel, Rohre und Schlaeuche eingesetzt.

LLDPE – Lineares Polyethylen niedriger Dichte

Lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) ist ein Copolymer von Ethylen mit einem α-Olefin (Propylen, 1-Buten, 1-Hexen oder 1-Octen). LLDPE hat eine lineare Molekuelstruktur mit kurzen Verzweigungen und enger Molekulargewichtsverteilung im Vergleich zu Polyethylen niedriger Dichte (LDPE).

Die kurzkettigen Verzweigungen beeinflussen sowohl bei LLDPE als auch bei LDPE die Morphologie und einige physikalische Eigenschaften wie Steifigkeit, Dichte, Haerte und Zugfestigkeit.

Die Eigenschaften von LLDPE-Folien sind auf seine Linearitaet und Kristallinitaet zurueckzufuehren. Die Molekuelstruktur des LLDPE ist im Wesentlichen linear aufgrund des verwendeten Katalysatortyps. Seine Kristallinitaet ist, obwohl viel niedriger als bei HDPE, groesser als bei LDPE. Diese erhoehte Kristallinitaet zusammen mit linearen Polymerketten wirkt sich positiv auf die mechanischen Eigenschaften der Folien aus, ohne eine Verschlechterung ihrer optischen Eigenschaften zu verursachen. Im Vergleich zu HDPE weist LLDPE eine niedrigere Zugfestigkeit und Haerte auf, je mehr der Verzweigungsanteil steigt, und zeigt eine groessere Schlag- und Reissfestigkeit (Folien).

LLDPE ist ein Thermoplast mit hoher Heisssiegeleignung und wird haeufig in der Verpackung von Massengueter eingesetzt, wobei es LDPE in zahlreichen Anwendungen ersetzt.

Verwendet in Folien fuer den industriellen Einsatz, Einwegwindeln und Saugeinlagen allgemein, Spielzeug, Pharma- und Krankenhausbereich, Draht- und Kabelbeschichtung.

Die Schlauchfolienextrusion liefert Materialien fuer Verpackungen. In Mischungen mit HDPE oder LDPE wird LLDPE in Industriesaecken, Lebensmittelverpackungen und Agrarfolien eingesetzt. Die Giessfolienextrusion liefert Produkte fuer Luftpolsterfolie.

LLDPE kann fuer Spritzguss-Verschluesse fuer den Haushaltsgebrauch, Behaelter, flexible Artikel und Allzweckteile verwendet werden.

HDPE – Polyethylen hoher Dichte

HDPE ist das groesste Segment des Polyethylenmarktes und repraesentiert etwa 52% der weltweiten PE-Produktion mit ueber 52 Millionen Tonnen jaehrlich. Das Material entspricht ISO 1133 fuer Schmelzflussratenprufung und ASTM D1505 fuer Dichtemessstandards.

Die Linearitaet der Ketten und folglich die hoechste Dichte von HDPE fuehren dazu, dass Orientierung, Ausrichtung und Packung der Ketten effizienter sind; intermolekulare Kraefte (Van-der-Waals) koennen intensiver wirken und folglich ist die Kristallinitaet hoeher als bei LDPE. Bei hoeherer Kristallinitaet kann das Schmelzen bei hoeherer Temperatur erfolgen.

Aufgrund der Kristallinitaet und des Unterschieds im Brechungsindex zwischen amorpher und kristalliner Phase sind HDPE-Folien (hergestellt ueber Ziegler-Natta oder Phillips) duenn transluzent, weniger transparent als LDPE (hergestellt ueber freie Radikale) und weniger als kristallin.

Waehrend die elektrischen Eigenschaften wenig durch Dichte und Molekulargewicht des Polymers beeinflusst werden, erfahren die mechanischen Eigenschaften einen starken Einfluss durch das Molekulargewicht, den Verzweigungsanteil, die morphologische Struktur und die Orientierung.

Die Orientierung der Polymerketten uebt einen starken Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Polymers aus. Materialien aus hochorientiertem HDPE sind etwa zehnmal widerstandsfaehiger als solche aus nicht orientiertem Polymer, da die Orientierung die Kettenpackung erhoeht und folglich die Steifigkeit des Polymers steigert.

Generell hat HDPE eine geringe chemische Reaktivitaet.

Bei Umgebungstemperatur ist HDPE in keinem Loesungsmittel loeslich, obwohl viele Loesungsmittel wie z.B. Xylol einen Quelleffekt verursachen. Bei hohen Temperaturen loest sich HDPE in einigen aliphatischen und aromatischen Kohlenwasserstoffen. HDPE ist relativ waermebestaendig.

HDPE findet Anwendung in verschiedenen Segmenten der Kunststoffverarbeitungsindustrie, darunter Blasformen, Extrusion und Spritzguss.

Spritzguss

Durch das Spritzgussverfahren wird HDPE fuer die Herstellung von Eimern, Schalen, Wannen, Spielzeug, Lebensmittelbehaeltern, Toilettensitzen, Schalen, Deckeln und Flaschen, Kisten, Wassertanks und vielen weiteren Produkten verwendet.

Blasformen

Fuer das Blasformverfahren bieten HDPE-Harze eine ausgezeichnete Kombination aus Steifigkeit und Umweltspannungsrissbestaendigkeit, was sie zu den Materialien fuer zahlreiche Anwendungen bei Industriebehaeltern, Haushaltsprodukten, Flaschen, Faessern usw. macht.

Extrusion

Fuer die Extrusion wird HDPE empfohlen fuer Draht- und Kabelisolierung, Gefrierbeutel, Metallrohrbeschichtung, Rohre fuer Kanalisation und Gasverteilung, Sanitaerabwasser, Muellbeutel, Einkaufstaschen usw.

Einige brasilianische Industrien erkunden bereits einen neuen Markt und entwickeln eine spezifische HDPE-Sorte fuer das Blasformen von Kraftstofftanks.

HDPE und LDPE haben viele gemeinsame Anwendungen, aber generell ist HDPE haerter und widerstandsfaehiger und LDPE flexibler und transparenter. Ein Beispiel fuer das Verhaeltnis von Haerte und Flexibilitaet ist die Tatsache, dass HDPE fuer Gewindeverschluesse (steif) und LDPE fuer Verschluesse ohne Gewinde (flexibel) verwendet wird.

UHMWPE – Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht

Der Polymerisationsprozess von UHMWPE verwendet einen Ziegler-Natta-Katalysator aehnlich dem fuer konventionelles HDPE.

UHMWPE ist aehnlich wie HDPE (0,93 bis 0,94 g/cm³), opak weiss, mit einer Glasuebergangstemperatur (Tg) von -100°C bis -125°C und einer Schmelztemperatur (Tm) von 135°C, Kristallinitaet von etwa 45%.

Basierend auf der langen Molekuelkette, der hohen Dichte und dem Fehlen von Verzweigungen in ihrer Struktur verleihen dem UHMWPE Eigenschaften wie hoehere Abriebbestaendigkeit als andere Thermoplaste, gute Korrosionsbestaendigkeit, hohe zyklische Ermuedungsbestaendigkeit, hohe Schlagfestigkeit, hohe Spannungsrissbestaendigkeit, hohe chemische Bestaendigkeit, hohe Haerte und niedriger Reibungskoeffizient.

Die Eigenschaften der Abrieb-, Schlag- und Chemikalienbestaendigkeit, Selbstschmierung, niedriger Reibungskoeffizient, Laermabsorption und weitere bereits erwaehnte Eigenschaften machen UHMWPE besonders geeignet fuer den Einsatz in vielfaeltigen Anwendungen:

• Bergbau: Beschichtungen, Mischer, Schaber, Lager und Rohre
• Chemische Industrie: Rohre, Pumpen, Ventile, Filter, Dichtungen, Mischer, Beschichtung von Metall- und Betontanks
• Getraenke- und Lebensmittelindustrie: automatische Verpackung, Foerderbaender, Rollen, Fuellduesen, Pumpen
• Zellstoff und Papier: Saugkastenabdeckungen und -profile
• Textilindustrie: Fuehrungen, Lager und Laermminderer
• Weitere Anwendungen: industrielle Foerderbaender, Sportartikel, chirurgische und orthopaedische Artikel

ULDPE – Polyethylen ultraniederer Dichte

Es handelt sich um ein Polyethylen mit einer Dichte von etwa 0,865 g/cm³, das eine groessere Festigkeit, hoehere Flexibilitaet und bessere optische Eigenschaften im Vergleich zu LLDPE bietet.

Der Haupteinsatz von ULDPE ist als modifizierendes Harz, insbesondere fuer Polyethylen hoher Dichte (HDPE), Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) und Polypropylen (PP). Die Zugabe von ULDPE zu Polyethylenen und PP verbessert die Schlagfestigkeit, Flexibilitaet und Reissfestigkeit dieser Polymere.

Diese Harze sind ideal fuer die Herstellung von Folien fuer Fluessigkeitsverpackungen, da die Verpackungen neben der Vermeidung von Lecks und Verschuettungen eine hohe Reissfestigkeit aufweisen. Die Verarbeitung von Giessfolien erfolgt durch Blas- oder Extrusionsverfahren.