1. rész a 6. részből: A polietilén alapjai

A polietilén 80 éve van kereskedelmi forgalomban. Ennyi idő alatt tapasztalatot szerezhettünk, azt várhatnánk, hogy mindent megtanultunk erről az anyagcsaládról, amit csak tudni lehet. Azonban azokból a beszélgetésekből ítélve, amelyeket az emberekkel folytatok a megfelelő PE kiválasztásáról egy alkalmazáshoz, az iparágnak még sokat kell tanulnia.

A polietilént “alapanyagnak” tekintik, ami azt a benyomást kelti, hogy nem kell sokat gondolkodni a megfelelő minőségű anyag kiválasztásán. A PE azonban figyelemre méltóan bonyolult lehet, egyszerűen azért, mert ez az egyetlen olyan polimer, amely a sűrűségek széles skáláján elérhető.

A sűrűség általában egy eredendő tulajdonság. Az összes polikarbonát sűrűsége 1,19-1,20 g/cm3, az összes polipropilén sűrűsége egy nagyon szűk, 0,898-0,905 g/cm3 közötti tartományt fed le, a PBT poliészter sűrűsége pedig 1,31 g/cm3. Bármelyik anyag sűrűsége megváltoztatható, de ezek a módosítások az összetétel megváltoztatásával járnak. A lágyítók hozzáadása csökkenti a PVC sűrűségét, a legtöbb hatásmódosító csökkenti annak az alapgyantának a sűrűségét, amelyhez hozzáadják, a töltőanyagok és az erősítőanyagok pedig általában növelik az anyag sűrűségét.

A PE azonban a 0,86-0,97 g/cm3 sűrűségtartományt lefedő sűrűségűvé tehető anélkül, hogy a molekuláris összetétel egy kicsit is megváltozna. És ebben a tartományban a polimer a tulajdonságok széles skáláját mutathatja.

Nem volt ez mindig így. A polietilén, mint sok olyan polimer, amelyre ma kereskedelmi forgalomban támaszkodunk, véletlenül jött létre. A nagynyomású gázokkal kísérletező kutatók felfedezték, hogy amikor etiléngázzal végeztek kísérleteket, olyan szilárd vegyületet kaptak, amely az etilénmolekula polimerizációjának eredménye. Az anyag kereskedelmi forgalomba hozatala körülbelül hat évig tartott, és a mai mércével mérve a polimerizációs folyamat kezdetleges volt, és nagyon szűk termékválasztékot eredményezett.

Ma ezeket az anyagokat alacsony sűrűségű polietilénnek (LDPE) nevezzük. De ez a nómenklatúra akkoriban még nem létezett, mert nem létezett nagy sűrűségű polietilén, és nem tudták, hogy egy ilyen anyag egyáltalán lehetséges. Egy ideje már tudjuk, hogy az LDPE olyan láncokból áll, amelyek jelentős mennyiségű elágazást tartalmaznak. A hosszú elágazások megakadályozzák, hogy a láncok gerincei szorosan egymás mellé tömörüljenek. Ez korlátozza az anyag kristályosodási képességét, és csökkenti a molekulák közötti vonzásokat, amelyek felelősek a teherbíró tulajdonságok, például a szilárdság és a merevség biztosításáért.

A PE folyamatos fejlesztése lehetővé tette a feldolgozók számára, hogy minden eddiginél vékonyabb és erősebb filmeket tervezzenek. (Forrás: Reifenhauser)

A PE-t kezdetben huzalok és kábelek szigetelésére használták, így az LDPE rugalmassága pozitív tulajdonság volt. Ha azonban megpróbálnánk egy olyan terméket, mint például az 5 gallonos vödröt LDPE-ből készíteni, megtöltjük 40-60 fontnyi tartalommal, majd a teli tartályokat három-négy magasra halmozzuk, azok gyorsan összeomlanának. Így érthető, hogy a PE alkalmazása az 1940-es években és az 1950-es évek közepéig némileg korlátozott volt.

Megjelenik Karl Ziegler és Guilio Natta. 1954-ben, egymástól függetlenül és némileg versengve, olyan katalizátorokat fedeztek fel, amelyek lehetővé tették az etilén polimerizációját a korábban szükséges extrém hőmérsékletek és nyomások nélkül. Ennél is fontosabb volt, hogy a keletkező molekula nagyrészt mentes volt azoktól az elágazásoktól, amelyek a nagynyomású eljárások eredményeit jellemezték. Ezek a lineáris molekulák szorosabban össze tudtak tömörülni, ami egészen más tulajdonságokat eredményezett. A nagy sűrűségű polietilén (HDPE) erősebb, merevebb és keményebb volt, ami mind a lineáris polimerláncok szabályosabb elrendeződéséből adódó magasabb fokú kristályosság következménye. Emellett kevésbé volt ütésálló, különösen hideg hőmérsékleten. Az anyag megnövelt szilárdsága és merevsége azonban lehetővé tette az olyan termékek előállítását, mint az 5 gallonos vödrök.

A Phillips Petroleum két kutatója körülbelül egy évvel Ziegler és Natta előtt felfedezett egy hasonló eljárást, és ez a PE polimerizálására szolgáló rendszer ma is Phillips-eljárás néven ismert. A műszaki eredmény azonban hosszú, elhúzódó pereskedés tárgya lett, amelyet csak az 1980-as években rendeztek, és addigra a Ziegler-Natta elnevezés szilárdan meggyökeresedett, és 1963-ban megosztva kapták meg a kémiai Nobel-díjat az eredményükért.

Mihelyt ezek az átmeneti fémkatalizátorok ismertté váltak, a polietilén világa gyorsan bővült. A 0,91-0,97 g/cm3 közötti sűrűségek széles skáláját lehetett előállítani, a tulajdonságok ennek megfelelő széles skálájával. További fejlesztések eredményeként az 1970-es évek végén lineáris, alacsony sűrűségű polietilén (LLDPE) jött létre. Ez az anyag a hagyományos LDPE-nél szabályozottabb módon vezette be az elágazást.

Nagyjából ugyanebben az időben kezdődött a katalizátorok új forradalma, amelynek messzemenő következményei lesznek a polietilénre. 1977-ben Walter Kaminsky a Hamburgi Egyetemen bemutatta a metallocén katalizátorok hasznosságát a PE polimerizációjában. A fejlődés hosszú, kanyargós útja volt ezeknek az anyagoknak, de az 1990-es évek végén és az új évezred első két évtizedében az új katalizátorrendszerekkel készült PE-k olyan formákat adtak az anyagnak, amelyek korábban lehetetlenek voltak. A metallocén-katalizált LLDPE-t nehezebb feldolgozni, mint a Ziegler-Natta LLDPE-t, ahogyan az LLDPE korai változatai is nagyobb kihívást jelentettek, mint a hagyományos LDPE. De ahogy a feldolgozók felzárkóztak ezekhez az anyagokhoz, a teljesítménybeli javulás nyilvánvalóvá vált. A fóliákat lényegesen kisebbre lehetett méretezni, miközben azonos teljesítményű szerkezeteket lehetett előállítani. A tisztaság, a dart ütésállóság és a szakítószilárdság mind javult.

Az e katalizátorok által biztosított fokozott polimerizációs ellenőrzés új, akár 0,86 g/cm3 sűrűségű polietilén anyagokat eredményezett. Az alacsony kristályossági szintek egy olyan anyagcsaládot eredményeztek, amelyet plasztomereknek neveznek: rugalmas, szívós anyagok, amelyek képesek voltak megismételni az olyan anyagok tulajdonságait, mint az etilén-vinil-acetát (EVA) kopolimer, sokkal kisebb sűrűséggel és az olvadékban jobb hőstabilitással.

Mindezen fejlődéssel egyre bonyolultabbá vált az alkalmazáshoz megfelelő PE kiválasztásának feladata. A megfelelő minőségű PE kiválasztása mindig is nehezebb volt, mint más gyantáké, éppen a polimer szokatlan sokoldalúsága miatt. A legtöbb polimercsaládban a töltetlen és nem módosított minőségeket elsősorban a molekulatömegük alapján különböztetik meg. A nagyobb molekulatömegű fajták jobb teljesítményt nyújtanak, de a magasabb olvadékviszkozitásuk miatt nehezebb feldolgozni őket. Általában a PE molekulatömegét az olvadékáramlási sebesség vagy az olvadékindex specifikációja tartalmazza.

A PE esetében azonban van még egy tulajdonság, amelyet figyelembe kell venni az anyag teljesítményének meghatározásakor: a sűrűség. Az a lehetőség, hogy egy tulajdonság helyett két tulajdonságot lehet megadni, nagyobb változatosságot biztosít, de nehezebbé is teszi a megfelelő kiválasztást. Az anyagot kiválasztó személynek meg kell értenie, hogyan változnak a tulajdonságok a molekulatömeg és a sűrűség függvényében. (A molekulatömeg-eloszlás még egy olyan tényező, amelyet figyelembe kell venni, de ezzel később foglalkozunk.)

Következő oszlopunkban meghatározzuk a molekulatömeg és a sűrűség közötti kölcsönhatást, majd bemutatjuk, hogy milyen fontos tudni, hogyan kell kiválasztani a PE fajtákat e két egymással összefüggő, de végső soron független paraméter alapján.