Osa 1 6:sta: Polyeteenin perusteet

Polyeteeni on ollut kaupallisesti saatavilla 80 vuotta. Kun kokemusta on ehtinyt kertyä niin paljon, voisi olettaa, että olisimme oppineet kaiken, mitä tästä materiaaliperheestä voi tietää. Kuitenkin päätellen keskusteluista, joita käyn ihmisten kanssa oikean PE:n valitsemisesta sovellukseen, teollisuudella on vielä paljon opittavaa.

Polyeteeniä pidetään ”hyödykemateriaalina”, mikä antaa vaikutelman, että oikean materiaalilaadun valintaa ei tarvitse miettiä kovinkaan paljon. PE voi kuitenkin olla huomattavan monimutkainen yksinkertaisesti siksi, että se on ainoa polymeeri, jota on saatavilla laajalla tiheysalueella.

Tiheys on yleensä luontainen ominaisuus. Kaikkien polykarbonaattien tiheys on 1,19-1,20 g/cm3, kaikkien polypropeenien tiheys vaihtelee hyvin kapealla välillä 0,898-0,905 g/cm3, ja PBT-polyesterin tiheys on 1,31 g/cm3. Minkä tahansa materiaalin tiheyttä on mahdollista muuttaa, mutta nämä muutokset edellyttävät muutoksia koostumukseen. Pehmittimien lisääminen pienentää PVC:n tiheyttä, useimmat iskunkestävyyden modifiointiaineet pienentävät sen perushartsin tiheyttä, johon ne on lisätty, ja täyteaineet ja lujitteet lisäävät yleensä materiaalin tiheyttä.

Mutta PE:stä voidaan tehdä tiheyksiä, jotka kattavat alueen 0,86-0,97 g/cm3 ilman, että molekyylikoostumusta muutetaan yhtään. Ja tällä alueella polymeerillä voi olla monenlaisia ominaisuuksia.

Ei aina ollut näin. Polyeteeni, kuten monet nykyään kaupallisesti käyttämämme polymeerit, syntyi vahingossa. Tutkijat, jotka tekivät kokeita kaasuilla korkeassa paineessa, havaitsivat, että kun he tekivät kokeita etyleenikaasulla, he saivat kiinteän yhdisteen, joka oli tulosta etyleenimolekyylin polymerisaatiosta. Materiaalin kaupallistaminen kesti noin kuusi vuotta, ja nykypäivän standardien mukaan polymerisaatioprosessi oli raaka ja tuotti hyvin kapean tuotevalikoiman.

Tänään kutsumme näitä materiaaleja LDPE:ksi (low-density polyethylene). Mutta tätä nimikkeistöä ei ollut tuolloin olemassa, koska ei ollut olemassa sellaista asiaa kuin korkeatiheyksinen polyeteeni eikä ymmärrystä siitä, että sellainen materiaali olisi edes mahdollinen. Olemme jo jonkin aikaa ymmärtäneet, että LDPE koostuu ketjuista, joissa on huomattava määrä haarautumista. Pitkät oksat estävät ketjun selkärankaa pakkautumasta tiiviisti yhteen. Tämä rajoittaa materiaalin kyvykkyyttä kiteytyä ja vähentää molekyylien välisiä vetovoimatekijöitä, jotka ovat vastuussa kuormitusta kantavien ominaisuuksien, kuten lujuuden ja jäykkyyden, aikaansaamisesta.

PE:tä käytettiin alun perin johtojen ja kaapeleiden eristeenä, joten LDPE:n joustavuus oli positiivinen ominaisuus. Jos kuitenkin yrittäisimme valmistaa LDPE:stä esimerkiksi 5 gallonan ämpäriä, täyttää ne 40-60 kilon painoisella sisällöllä ja pinota täysiä säiliöitä kolme tai neljä korkealle, ne romahtaisivat nopeasti. PE:n käyttökohteita oli siis ymmärrettävästi jonkin verran rajoitetusti 1940-luvulla ja 1950-luvun puolivälissä.

Tulee Karl Ziegler ja Guilio Natta. Vuonna 1954 he löysivät itsenäisesti ja jokseenkin kilpailevasti työskennellen katalyyttejä, joiden avulla eteenin polymerisaatio voitiin toteuttaa ilman aiemmin tarvittavia äärimmäisiä lämpötiloja ja paineita. Vielä tärkeämpää oli, että tuloksena syntyvässä molekyylissä ei ollut suurelta osin haarautumia, jotka olivat tyypillisiä korkeapainemenetelmien tuloksille. Nämä lineaariset molekyylit pystyivät pakkautumaan tiiviimmin toisiinsa luoden hyvin erilaisia ominaisuuksia. Suurtiheyksinen polyeteeni (HDPE) oli lujempaa, jäykempää ja kovempaa, mikä oli seurausta lineaaristen polymeeriketjujen säännöllisemmästä sijoittelusta johtuvasta suuremmasta kiteisyydestä. Se oli myös vähemmän iskunkestävää, erityisesti kylmissä lämpötiloissa. Materiaalin parantunut lujuus ja jäykkyys mahdollistivat kuitenkin 5 gallonan ämpäreiden kaltaiset tuotteet.

Kaksi Phillips Petroleumin tutkijaa oli keksinyt samankaltaisen prosessin noin vuotta ennen Ziegleriä ja Nattaa, ja tämä PE:n polymerisointijärjestelmä tunnetaan vielä nykyäänkin nimellä Phillipsin prosessi. Teknisestä saavutuksesta käytiin kuitenkin pitkä ja pitkällinen oikeudenkäynti, joka ratkaistiin vasta 1980-luvulla, ja siihen mennessä Ziegler-Natta-nimitys oli jo vakiintunut, ja he jakoivat saavutuksestaan Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1963.

Kun nämä siirtymämetallikatalyytit tulivat tunnetuiksi, polyeteenin maailma laajeni nopeasti. Voitiin valmistaa laaja valikoima tiheyksiä 0,91-0,97 g/cm3 ja vastaavasti laaja valikoima ominaisuuksia. Muita edistysaskeleita tehtiin 1970-luvun lopulla lineaarisen pientiheyspolyeteenin (LLDPE) valmistamiseksi. Tässä materiaalissa käytettiin haarautumista hallitummin kuin perinteisessä LDPE:ssä.

Kaiken tämän kehityksen myötä oikean PE:n valitseminen käyttökohteeseen on muuttunut yhä monimutkaisemmaksi. Oikean PE-laadun valinta on aina ollut vaikeampaa kuin muiden hartsien valinta, juuri polymeerin epätavallisen monipuolisuuden vuoksi. Useimmissa polymeeriperheissä täyttämättömät ja modifioimattomat laadut eroavat toisistaan lähinnä molekyylipainon perusteella. Suuremman molekyylipainon omaavat laadut ovat suorituskykyisempiä, mutta niitä on vaikeampi käsitellä, koska niiden sulaviskositeetti on korkeampi. Yleensä PE:n molekyylipaino ilmoitetaan sulan virtausnopeuden tai sulamisindeksin määrittelyssä.

Mutta PE:ssä on toinenkin ominaisuus, joka on otettava huomioon materiaalin suorituskykyä määriteltäessä: tiheys. Mahdollisuus määritellä kaksi ominaisuutta yhden ominaisuuden sijasta tarjoaa suuremman valikoiman, mutta se myös vaikeuttaa asianmukaisen valinnan tekemistä. Materiaalin valitsevan henkilön on ymmärrettävä, miten ominaisuudet muuttuvat sekä molekyylipainon että tiheyden funktiona. (Molekyylipainojakauma on vielä yksi tekijä, joka on otettava huomioon, mutta käsittelemme sitä myöhemmin).

Seuraavalla sarakkeellamme määrittelemme molekyylipainon ja tiheyden vuorovaikutussuhteen, ja sen jälkeen menemme eteenpäin havainnollistamaan, miten tärkeää on tietää, miten PE-aineslaadut valitaan näiden kahden toisiinsa liittyvän, mutta kuitenkin viime kädessä toisistaan riippumattoman muuttujan perusteella.