Del 1 af 6: Grundlæggende oplysninger om polyethylen

Polyethylen har været kommercielt tilgængeligt i 80 år. Med al den tid til at samle erfaring kunne man forvente, at vi ville have lært alt, hvad der er værd at vide om denne materialefamilie. Men at dømme ud fra de samtaler, jeg har med folk om valg af den rigtige PE til en anvendelse, har industrien meget at lære endnu.

Polyethylen betragtes som et “råvaremateriale”, en betegnelse, der giver indtryk af, at man ikke behøver at gøre sig mange overvejelser for at vælge den rigtige materialekvalitet. Men PE kan være bemærkelsesværdigt kompliceret, simpelthen fordi det er den eneste polymer, der er tilgængelig i et bredt spektrum af densiteter.

Densitet er normalt en iboende egenskab. Alle polycarbonater har en massefylde på 1,19-1,20 g/cm3 , alle polypropylener dækker et meget snævert område fra 0,898-0,905 g/cm3 , og PBT-polyesterens massefylde er 1,31 g/cm3 . Det er muligt at ændre tætheden af ethvert materiale, men disse justeringer indebærer ændringer i sammensætningen. Tilsætning af blødgørere vil reducere PVC’s massefylde, de fleste slagfasthedsmodifikatorer vil reducere massefylden af den basisharpiks, som de tilsættes, og fyldstoffer og forstærkning vil typisk øge et materiales massefylde.

Men PE kan fremstilles til en massefylde, der dækker et område på 0,86-0,97 g/cm3 uden at ændre den molekylære sammensætning en smule. Og på tværs af dette område kan polymeren præsentere en bred vifte af egenskaber.

Det har ikke altid været sådan. Polyethylen blev ligesom mange af de polymerer, som vi er afhængige af kommercielt i dag, skabt ved et uheld. Forskere, der eksperimenterede med gasser under højt tryk, opdagede, at når de udførte forsøg med ethylengas, fik de en fast forbindelse, der var resultatet af polymerisering af ethylenmolekylet. Det tog ca. seks år at markedsføre materialet, og efter nutidens standarder var polymeriseringsprocessen grov og gav et meget snævert udvalg af produkter.

I dag kalder vi disse materialer for polyethylen med lav massefylde (LDPE). Men denne nomenklatur fandtes ikke dengang, fordi der ikke fandtes noget som polyethylen med høj densitet og ingen forståelse for, at et sådant materiale overhovedet kunne være muligt. Vi har i nogen tid forstået, at LDPE består af kæder, der indeholder en betydelig mængde forgreninger. De lange forgreninger forhindrer kæderygsøjlerne i at pakke sig tæt sammen. Dette begrænser materialets evne til at krystallisere og reducerer de intermolekylære tiltrækninger, der er ansvarlige for at give bærende egenskaber som styrke og stivhed.

Den løbende udvikling af PE har gjort det muligt for forarbejdningsvirksomhederne at konstruere film, der er tyndere og stærkere end nogensinde før. (Kilde: Reifenhauser)

Den første anvendelse af PE var som isolering til tråd og kabel, så fleksibiliteten i LDPE var en positiv egenskab. Men hvis vi skulle forsøge at fremstille et produkt som f.eks. en 5-gal spand af LDPE, fylde den med 40-60 lb indhold og derefter stable de fyldte beholdere tre eller fire i højden, ville de hurtigt falde sammen. Så forståeligt nok var PE-anvendelserne noget begrænsede gennem 1940’erne og ind i midten af 1950’erne.

Der kommer Karl Ziegler og Guilio Natta ind i billedet. I 1954 opdagede de, som arbejdede uafhængigt og i nogen grad konkurrerende, katalysatorer, der gjorde det muligt at polymerisere ethylen uden de ekstreme temperaturer og tryk, der tidligere var nødvendige. Endnu vigtigere var det resulterende molekyle stort set fri for de forgreninger, der kendetegnede resultaterne af højtryks-processerne. Disse lineære molekyler kunne pakkes tættere sammen, hvilket skabte et meget anderledes sæt af egenskaber. Polyethylen med høj densitet (HDPE) var stærkere, stivere og hårdere, hvilket alt sammen var en konsekvens af den højere grad af krystallinitet, der opstod som følge af den mere regelmæssige placering af de lineære polymerkæder. Det var også mindre slagfast, især ved kolde temperaturer. Men materialets øgede styrke og stivhed gjorde det muligt at fremstille produkter som disse 5-gal-spande.

To forskere hos Phillips Petroleum havde opdaget en lignende proces ca. et år før Ziegler og Natta, og dette system til polymerisering af PE er stadig kendt den dag i dag som Phillips-processen. Det tekniske resultat blev imidlertid genstand for en langvarig retssag, som først blev afgjort i 1980’erne, og på det tidspunkt havde Ziegler-Natta-betegnelsen slået rod, og de delte Nobelprisen i kemi i 1963 for deres bedrift.

Når disse overgangsmetalkatalysatorer blev kendt, voksede polyethylenverdenen hurtigt. Der kunne fremstilles et bredt spektrum af densiteter fra 0,91-0,97 g/cm3 med et tilsvarende bredt spektrum af egenskaber. Yderligere fremskridt resulterede i lineær polyethylen med lav massefylde (LLDPE) i slutningen af 1970’erne. Dette materiale indførte forgrening på en mere kontrolleret måde, end det var muligt i traditionelt LDPE.

Med al denne udvikling er opgaven med at vælge den rigtige PE til en anvendelse blevet stadig mere kompliceret. Det har altid været vanskeligere at vælge den rigtige PE-kvalitet end at vælge andre harpikser, netop på grund af polymerens usædvanlige alsidighed. I de fleste polymerfamilier adskiller de ufyldte og umodificerede kvaliteter sig primært ved deres molekylvægt. Kvaliteter med en højere molekylvægt giver bedre resultater, men er vanskeligere at forarbejde på grund af deres højere smelteviskositet. Generelt er PE’s molekylevægt angivet i specifikationen for smelteflowhastighed eller smelteindeks.

Men med PE er der en anden egenskab, der skal tages i betragtning, når materialets ydeevne skal defineres: densiteten. Muligheden for at specificere to egenskaber i stedet for én giver større variation, men det gør det også vanskeligere at nå frem til et passende valg. Den person, der vælger materialet, skal forstå, hvordan egenskaberne ændrer sig som funktion af både molekylvægt og massefylde. (Molekylvægtfordelingen er endnu en faktor, der skal tages i betragtning, men det kommer vi ind på senere).