Teil 1 von 6: Die Grundlagen des Polyethylens

Polyethylen ist seit 80 Jahren im Handel erhältlich. Nach all dieser Zeit, in der wir Erfahrungen sammeln konnten, sollte man meinen, dass wir alles über diese Materialfamilie gelernt haben. Nach den Gesprächen zu urteilen, die ich mit Leuten über die Auswahl des richtigen PE für eine Anwendung führe, hat die Industrie jedoch noch viel zu lernen.

Polyethylen gilt als „Massenware“, eine Bezeichnung, die den Eindruck erweckt, dass man sich bei der Auswahl des richtigen Materials nicht viele Gedanken machen muss. Aber PE kann bemerkenswert kompliziert sein, einfach weil es das einzige Polymer ist, das in einem breiten Spektrum von Dichten erhältlich ist.

Die Dichte ist normalerweise eine inhärente Eigenschaft. Alle Polycarbonate haben eine Dichte von 1,19-1,20 g/cm3, alle Polypropylene decken einen sehr engen Bereich von 0,898-0,905 g/cm3 ab, und die Dichte von PBT-Polyester beträgt 1,31 g/cm3. Es ist möglich, die Dichte eines jeden Materials zu verändern, doch sind diese Anpassungen mit Änderungen der Zusammensetzung verbunden. Der Zusatz von Weichmachern verringert die Dichte von PVC, die meisten Schlagzähigkeitsmodifikatoren verringern die Dichte des Basisharzes, dem sie zugesetzt werden, und Füllstoffe und Verstärkungen erhöhen in der Regel die Dichte eines Materials.

Aber PE kann in einem Dichtebereich von 0,86-0,97 g/cm3 hergestellt werden, ohne die molekulare Zusammensetzung auch nur ein bisschen zu verändern. Und in diesem Bereich kann das Polymer eine breite Palette von Eigenschaften aufweisen.

Das war nicht immer so. Polyethylen wurde, wie viele Polymere, auf die wir heute kommerziell angewiesen sind, durch Zufall geschaffen. Forscher, die mit Gasen unter hohem Druck experimentierten, entdeckten, dass sie bei Experimenten mit Ethylengas eine feste Verbindung erhielten, die das Ergebnis der Polymerisation des Ethylenmoleküls war. Es dauerte etwa sechs Jahre, bis das Material kommerziell genutzt werden konnte, und nach heutigen Maßstäben war der Polymerisationsprozess grob und erzeugte eine sehr enge Produktpalette.

Heute nennen wir diese Materialien Polyethylen niedriger Dichte (LDPE). Aber diese Nomenklatur gab es damals noch nicht, weil es kein Polyethylen hoher Dichte gab und man nicht wusste, dass ein solches Material überhaupt möglich sein würde. Seit einiger Zeit wissen wir, dass LDPE aus Ketten besteht, die eine erhebliche Menge an Verzweigungen enthalten. Die langen Verzweigungen verhindern, dass sich die Kettenrückgrate eng aneinander schmiegen. Dies schränkt die Kristallisationsfähigkeit des Materials ein und verringert die intermolekularen Anziehungskräfte, die für tragende Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit verantwortlich sind.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung von PE hat es den Verarbeitern ermöglicht, Folien zu entwickeln, die dünner und stärker sind als je zuvor. (Quelle: Reifenhauser)

Die ursprüngliche Verwendung von PE war die Isolierung von Drähten und Kabeln, so dass die Flexibilität von LDPE eine positive Eigenschaft war. Wenn wir jedoch versuchten, ein Produkt wie einen 5-Gallonen-Eimer aus LDPE herzustellen, ihn mit 40-60 Pfund Inhalt zu füllen und dann die vollen Behälter drei oder vier Mal hoch zu stapeln, würden sie schnell zusammenbrechen. Es ist daher verständlich, dass PE-Anwendungen in den 1940er Jahren und bis in die Mitte der 1950er Jahre hinein etwas eingeschränkt waren.

Das waren Karl Ziegler und Guilio Natta. Im Jahr 1954 entdeckten sie unabhängig voneinander und in gewisser Weise konkurrierend Katalysatoren, mit denen die Polymerisation von Ethylen ohne die zuvor erforderlichen extremen Temperaturen und Drücke möglich war. Noch wichtiger war, dass das entstehende Molekül weitgehend frei von den Verzweigungen war, die die Ergebnisse der Hochdruckverfahren kennzeichneten. Diese linearen Moleküle konnten sich enger zusammenlagern, was zu ganz anderen Eigenschaften führte. Polyethylen hoher Dichte (HDPE) war stärker, steifer und härter, alles Folgen des höheren Kristallinitätsgrads, der sich aus der regelmäßigeren Anordnung der linearen Polymerketten ergab. Außerdem war es weniger schlagfest, insbesondere bei kalten Temperaturen. Aber die höhere Festigkeit und Steifigkeit des Materials machte Produkte wie diese 5-Gallonen-Eimer möglich.

Zwei Forscher bei Phillips Petroleum hatten etwa ein Jahr vor Ziegler und Natta ein ähnliches Verfahren entdeckt, und dieses System zur Polymerisation von PE ist noch heute als Phillips-Verfahren bekannt. Die technische Errungenschaft war jedoch Gegenstand eines langwierigen Rechtsstreits, der erst in den 1980er Jahren beigelegt wurde. Zu diesem Zeitpunkt hatte sich die Bezeichnung Ziegler-Natta bereits fest etabliert, und die beiden erhielten 1963 den Nobelpreis für Chemie für ihre Errungenschaft.

Nachdem diese Übergangsmetallkatalysatoren bekannt wurden, entwickelte sich die Welt des Polyethylens rasch weiter. Es konnte ein breites Spektrum an Dichten von 0,91-0,97 g/cm3 mit einer entsprechend großen Bandbreite an Eigenschaften hergestellt werden. Weitere Fortschritte führten in den späten 1970er Jahren zum linearen Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE). Dieses Material ermöglichte eine kontrolliertere Verzweigung als herkömmliches LDPE.

Mit all diesen Entwicklungen ist die Aufgabe, das richtige PE für eine Anwendung auszuwählen, immer komplizierter geworden. Die Auswahl des richtigen PE-Typs war schon immer schwieriger als die Auswahl anderer Harze, gerade wegen der ungewöhnlichen Vielseitigkeit des Polymers. In den meisten Polymerfamilien unterscheiden sich die ungefüllten und unmodifizierten Typen in erster Linie durch ihr Molekulargewicht. Qualitäten mit höherem Molekulargewicht sind leistungsfähiger, aber aufgrund ihrer höheren Schmelzviskosität schwieriger zu verarbeiten. Im Allgemeinen wird das Molekulargewicht von PE in der Spezifikation der Schmelzflussrate oder des Schmelzindex erfasst.

Aber bei PE gibt es noch eine weitere Eigenschaft, die bei der Definition der Leistungsfähigkeit des Materials berücksichtigt werden muss: die Dichte. Die Möglichkeit, zwei Eigenschaften statt einer anzugeben, bietet eine größere Vielfalt, erschwert aber auch die richtige Auswahl. Die Person, die das Material auswählt, muss verstehen, wie sich die Eigenschaften in Abhängigkeit von Molekulargewicht und Dichte verändern. (Die Molekulargewichtsverteilung ist ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden muss, aber darauf gehen wir später ein).

In unserer nächsten Kolumne werden wir die Wechselwirkung zwischen Molekulargewicht und Dichte definieren und dann aufzeigen, wie wichtig es ist, zu wissen, wie man PE-Sorten auf der Grundlage dieser beiden miteinander verbundenen, aber letztlich unabhängigen Parameter auswählt.