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Polyethylen (Kurzzeichen PE, veraltet Polyäthylen, gelegentlich auch Polyethen genannt) ist ein durch Polymerisation von Ethen [CH2 = CH2] hergestellter thermoplastischer Kunststoff mit der vereinfachten
Ketten-Strukturformel
Polyethylen gehört zur Gruppe der Polyolefine.
Bekannte Handelsnamen sind:
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. Als moderne Alternative zu Ziegler-Natta-Katalysatoren zählen die Metallocenkatalysatoren. Diese waren bereits 1950 bekannt, der Durchbruch gelang allerdings erst 1973, als Reichert und Meyer geringe Mengen Wasser zu einem System aus Titanocen und Alkylaluminiumchlorid hinzufügten. Die Metallocenkatalysatoren erzeugen Polyethylen mit engeren Molekulargewichtsverteilungen und gleichmässigerem Co-monomereinbau als die Ziegler-Natta-Katalysatoren.
Kommerziell wird Polyethylen in grossen Mengen seit 1957, vor allem in Rohrleitungssystemen für die Gas- und Wasserversorgung für Kabelisolierungen und in Verpackungsmaterialien, etwa als Schrumpffolienverpackung, eingesetzt.
Man unterscheidet zwischen
|Eigenschaft||PE-LD||PE-HD||PE-LLD|
|Kristallisationsgrad in %||40 bis 50||60 bis 80||10 bis 50|
|Dichte in g/cm3||0,915 bis 0,935||0,94 bis 0,97||0.87 bis 0.94|
|E-Modul (N/mm2) bei 23°C||~200||~1000||60-600|
|Kristallitschmelzbereich in °C||105 bis 110||130 bis 135||40 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|
|Linearer Ausdehnungskoeffizient (K-1)||1.7 * 10-4||2 * 10-4||2 * 10-4|
|Zulässige Dauertemperatur in °C||80||100||30-90|
|Dielektrizitätszahl||2,4||-||-|
|Erweichungstemperatur in °C||110||140||40-120|
Ungefärbtes Polyethylen ist milchig-trüb und matt. Es fühlt sich wachsartig an und ist ritzbar. Es verbrennt mit tropfender, heller Flamme und brennt auch weiter, wenn man die Flamme entfernt. Chemisch besteht es aus Wasserstoff und Kohlenstoff, in der Form hochmolekularer Alkane. Seine Eigenschaften lassen sich durch geeignete Copolymerisation gezielt ändern. Polyethylen besitzt eine hohe Beständigkeit gegen Säuren, Laugen und weiteren Chemikalien.
Polyethylen ist teilkristallin. Durch höhere Kristallinität erhöhen sich die Dichte und auch die mechanische und chemische Stabilität.
Polyethylen nimmt kaum Wasser auf, es schwimmt auf Wasser. Die Gas- und Wasserdampfdurchlässigkeit ist niedriger als bei den meisten Kunststoffen; Sauerstoff, Kohlendioxid und Aromastoffe lässt es hingegen gut durch.
Die Verwendbarkeit wird dadurch eingeschränkt, dass es bei Temperaturen von über 80°C erweicht. Polyethylen ohne geeignete Vorbehandlung ist nicht oder nur schlecht zu bedrucken oder zu kleben. Durch Sonneneinstrahlung kann bei PE eine Versprödung eintreten, meist wird Russ als UV-Stabilisator eingesetzt.
Da die meisten Kunststoffkleber mit Hilfe von Lösungsmitteln (z. B. Aceton) den Kunststoff "anlösen", funktionieren sie meist nicht mit Polyethylen. Ausserdem verhindert die unpolare hydrophobe Oberfläche dies, was auch das Bedrucken von PE stark erschwert. Nach einer Behandlung mit Laser, Plasma (Hochdruckplasma ("Corona") oder Niederdruckplasma) oder starken Säuren (z.B. Chromschwefelsäure) lässt sich PE jedoch verkleben und bedrucken.
Gebrochene Teile aus Polyethylen lassen sich dagegen besser mit einem regelbaren Heissluftgebläse verschweissen.
In der Gasversorgung werden Rohre aus PE-80, PE-100 und PE-X ausschliesslich über die Heizwendelschweisstechnik, bzw. PE-80 und PE-100 bei grösseren Druchmessern (> DN 200) auch mittels der Stumpfschweisstechnik (Spiegelschweissen) verbunden. In der Trinkwasserversorgung ist auch eine Verbindung mittels Steckfittingen weit verbreitet.
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. Werden im Niederdruckverfahren geträgerte (heterogene) Katalysatoren eingesetzt, fällt das Polyethylen in Form fester Körner an. Industriell werden fast ausschliesslich geträgerte Katalysatoren (Gasphasen- und Slurryverfahren) eingesetzt. Gelöste Katalysatoren werden meist zu Versuchszwecken in chemischen Laboren verwendet, hierbei fällt das Produkt als zähe Lösung an.
Seit einigen Jahren sind auch Single-Site-Katalysatoren (auch Metallocen-Katalysatoren genannt) in der Anwendung, die gegenüber Ziegler-Natta-Katalysatoren den Vorteil einer besseren Kontrolle der Reaktion und geringerem Aufreinigungsbedarf nach der Synthese aufweisen.
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: