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Hintergrundwissen zu Polyethylen

Hintergrundwissen zu Polyethylen

 

Polyethylen wird auch Polyethen oder einfach nur kurz PE genannt. Neben Polyvinylchlorid (PVC) ist Polyethylen der Kunststoff, der in der Industrie am häufigsten hergestellt wird. Im Alltag begegnet uns PE an vielen Stellen.

So bestehen beispielsweise Plastiktüten, Folien, Gefrierbeutel, Kunststoffeimer, Plastikkörbe, Getränkekisten, Plastikflaschen oder Mülleimer meist aus Polyethylen. Kabelisolierungen, Rohre und andere Bauteile werden ebenfalls aus PE angefertigt. Doch was ist Polyethylen eigentlich genau?

 

Der folgende Beitrag vermittelt ein wenig Hintergrundwissen zu Polyethylen:

 

Was ist Polyethylen?

Polyethylen gehört in die Gruppe der Thermoplaste. Dazu später mehr. Bei Zimmertemperatur ist PE vergleichsweise weich. Deshalb zeigen sich beispielsweise bei einer Schüssel aus PE im Laufe der Zeit Gebrauchsspuren in Form von Kratzern auf der Oberfläche.

Gegenüber Laugen, Salzlösungen und den meisten Säuren hingegen zeigt sich PE unempfindlich. Wenn Polyethylen keine Farbpigmente hinzugefügt werden, ist das Material lichtdurchlässig. PE ist zwar nicht komplett durchsichtig, aber trotzdem transparent.

Eine Ausnahme gilt bei sehr dünnen Folien aus PE, denn sie sind durchsichtig. Je nachdem, um welche Art von PE es sich handelt, liegt die Dichte zwischen 0,9 und 0,95 Gramm pro Kubikzentimeter. Damit ist PE leichter als Wasser und schwimmt darin.

 

Wie entsteht Polyethylen?

PE entsteht durch die Polymerisation von Ethen. Als Polymerisation wird der chemische Vorgang bezeichnet, bei dem mehrere Moleküle eines Stoffes zu einer neuen Verbindung zusammentreten. Ethen wiederum ist ein gasförmiger Stoff, der aus Eröl gewonnen wird.

Die Herstellung von PE erfordert ein komplexes und anspruchsvolles Verfahren. Damit es zu einer radikalischen Polymerisation kommt, sind Temperaturen von 100 Grad Celsius und ein Druck von etwa 100 MPa notwendig. 100 MPa entsprechen dem Tausendfachen des normalen Luftdrucks.

Erst wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wandelt sich Ethen in Polyethen um. Genauer gesagt, entsteht bei der radikalischen Polymerisation Hochdruck-Polyethen. Im Zuge der chemischen Reaktion kommt es zu Kettenverzweigungen. An der wachsenden Kette abstrahiert ein Radikalmolekül ein Wasserstoffatom. Dadurch entsteht ein neues radikalisches Zentrum.

Auch von diesem Zentrum aus kann die Kette weiter wachsen. Hochdruck-Polyethylen ist dehnbar und zäh. Da seine Dichte bei 0,9 Gramm pro Kubikzentimeter liegt, wird dieses Polyethylen auch als PE-LD bezeichnet. Das Kürzel LD steht für das englische low density und bedeutet übersetzt geringe Dichte. PE-LD wird beispielsweise zu Plastiktüten und Folien weiterverarbeitet.

Kommt bei der Herstellung ein Katalysator ins Spiel, wird deutlich weniger Druck benötigt, um die chemische Reaktion auszulösen. Bei dem Katalysator handelt es sich um eine Verbindung aus Trialkylaluminium. Bei dieser Verbindung ist das Aluminium-Atom an organische Bestandteile gebunden.

Die chemische Reaktion heißt Ziegler-Natta-Polymerisation, benannt nach dem Wissenschaftler Karl Ziegler, der diese Möglichkeit der PE-Synthese entdeckt hat. Bei der Ziegler-Natta-Polymerisation wandelt sich das Ethen in ein Polyethylen mit unverzweigten Ketten um. Gleichzeitig weist dieses Polyethylen mit etwa 0,95 Gramm pro Kubikzentimeter eine höhere Dichte auf.

Deshalb wird dieses Polyethylen auch PE-HD genannt. HD steht für high density, also hohe Dichte. Aus PE-HD werden stabile Kunststoffprodukte wie beispielsweise Rohre gefertigt. 

 

Was ist ein Thermoplast?

Wie vorhin erwähnt, ist PE ein Thermoplast. Ein Thermoplast kennzeichnet sich dadurch, dass er formbar ist. Dabei wird er umso weicher und formbarer, je mehr Wärme ins Spiel kommt. Allerdings funktioniert das nur bis zu einem bestimmten Punkt.

Wird die Hitze zu groß, schmilzt ein Thermoplast nämlich. Dadurch unterscheidet sich ein Thermoplast von einem Duroplast. Wird ein Duroplast erhitzt, schmilzt er nämlich nicht, sondern er zersetzt sich. 

Aus chemischer Sicht charakterisiert sich ein Thermoplast dadurch, dass es keine Quervernetzung zwischen den einzelnen Molekülketten gibt. Statt von chemischen Verbindungen werden die Molekülketten bei einem Thermoplasten von zwischenmolekularen Kräften zusammengehalten. Die Zufuhr von Energie, beispielsweise in Form von Wärme, kann dazu führen, dass sich die Molekülketten verschieben.

Die Folge davon ist, dass der Kunststoff immer flexibler wird, bis er irgendwann anfängt, zu schmelzen. Auch Zug kann dazu führen, dass sich die Molekülketten verschieben. So lässt sich eine Plastiktüte beispielsweise bis zu einem gewissen Grad ziehen und dehnen. Wird der Zug aber zu groß, reichen die zwischenmolekularen Kräfte nicht mehr aus, um die Molekülketten zusammenzuhalten. In der Folge reißt die Plastiktüte. Darin unterscheidet sich ein Thermoplast von einem Elastomer.

Bei einem Thermoplast muss recht kräftig gezogen werden, damit er sich verformt. Hört der Zug auf, bleibt der Thermoplast in dem verformten Zustand zurück. Werden beim Einkaufen beispielsweise viele schwere Dinge in eine Plastiktüte gefüllt, hält die Tüte das Gewicht zwar aus, dehnt sich aber.

Werden die Dinge aus der Plastiktüte genommen, zieht sie sich nicht wieder zusammen, sondern verbleibt in ihrer auseinandergezogenen Form. Ein Elastomer hingegen lässt sich ganz einfach ziehen und dehnen. Wird er losgelassen, kehrt er in seinen ursprünglichen Zustand zurück. Ein Beispiel für einen Elastomer ist ein Gummiband. 

Wie hart oder weich ein Thermoplast ist, wird von seiner Glasübergangstemperatur bestimmt. Unterhalb seiner Glasübergangstemperatur ist ein Thermoplast fest, stabil und lässt sich nicht verformen. Über seiner Glasübergangstemperatur wird ein Thermoplast weich und verformbar. Polyethylen ist ein eher weicher Thermoplast, der schon bei Zimmertemperatur recht flexibel ist. In Sachen Flexibilität und Formbarkeit kann bei der Herstellung aber auch durch die Zugabe von Weichmachern nachgeholfen werden.

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