Deel 1 van 6: De grondbeginselen van polyethyleen

Voortdurende ontwikkelingen in PE hebben verwerkers in staat gesteld om films dunner en sterker dan ooit te maken. (Bron: Reifenhauser)

Twee onderzoekers bij Phillips Petroleum hadden ongeveer een jaar vóór Ziegler en Natta een gelijkaardig proces ontdekt, en dit systeem voor het polymeriseren van PE is vandaag nog gekend als het Phillips proces. De technische verwezenlijking werd echter onderwerp van lange, slepende rechtszaken die pas in de jaren 1980 werden beslecht, en tegen die tijd had de Ziegler-Natta benaming vaste voet aan de grond gekregen en deelden zij de Nobelprijs voor Scheikunde in 1963 voor hun verwezenlijking.

Toen deze overgangsmetaal katalysatoren bekend werden, breidde de wereld van polyethyleen zich snel uit. Een breed scala van dichtheden van 0,91-0,97 g/cm3 kon worden vervaardigd met een overeenkomstig breed scala van eigenschappen. Bijkomende vorderingen leidden eind jaren 1970 tot lineair polyethyleen met lage dichtheid (LLDPE). Dit materiaal introduceerde vertakking op een meer gecontroleerde manier dan mogelijk was in traditioneel LDPE.

Op ongeveer hetzelfde moment kwam een nieuwe revolutie op het gebied van katalysatoren op gang die verstrekkende gevolgen zou hebben voor polyethyleen. In 1977 demonstreerde Walter Kaminsky aan de Universiteit van Hamburg het nut van metalloceen katalysatoren bij het polymeriseren van PE. Het is een lange, kronkelige weg van ontwikkeling geweest voor deze materialen, maar aan het eind van de jaren negentig en in de eerste twee decennia van het nieuwe millennium hebben PE’s gemaakt met deze nieuwe katalysatorsystemen vormen van het materiaal toegevoegd die voorheen onmogelijk waren. Metalloceen gekatalyseerd LLDPE is moeilijker te verwerken dan Ziegler-Natta LLDPE, net zoals de eerste versies van LLDPE moeilijker waren dan traditioneel LDPE. Maar naarmate de verwerkers meer ervaring kregen met deze materialen, werden de prestatieverbeteringen duidelijk. Films konden aanzienlijk worden verlaagd terwijl structuren met gelijkwaardige prestaties konden worden geproduceerd. Helderheid, slagvastheid van de dartpijl en scheursterkte werden allemaal verbeterd.

De grotere mate van controle over polymerisatie die door deze katalysatoren werd verschaft, leidde tot een nieuwe reeks polyethyleenmaterialen met dichtheden zo laag als 0,86 g/cm3. De lage graad van kristalliniteit produceerde een familie van materialen die plastomeren worden genoemd: flexibele, taaie materialen die de eigenschappen van materialen zoals ethyleen-vinylacetaat (EVA) copolymeer bij veel lagere dichtheid en met betere niveaus van thermische stabiliteit in de smelt konden dupliceren.

Met al deze ontwikkeling, is de taak van het selecteren van het juiste PE voor een toepassing steeds ingewikkelder geworden. Het selecteren van de juiste rang van PE is altijd moeilijker geweest dan het selecteren van andere harsen, precies wegens de ongebruikelijke veelzijdigheid van het polymeer. In de meeste polymeerfamilies worden ongevulde en ongemodificeerde kwaliteiten hoofdzakelijk onderscheiden door hun moleculair gewicht. Kwaliteiten met een hoger molecuulgewicht presteren beter, maar zijn moeilijker te verwerken wegens hun hogere smeltviscositeit. In het algemeen wordt het molecuulgewicht van PE vastgelegd in de specificatie van het smeltdebiet of de smeltindex.

Maar met PE is er een andere eigenschap die moet worden overwogen bij het bepalen van de prestaties van het materiaal: de dichtheid. De mogelijkheid om twee eigenschappen in plaats van één te specificeren biedt een grotere verscheidenheid, maar het maakt het ook moeilijker om tot een geschikte selectie te komen. De persoon die het materiaal selecteert moet begrijpen hoe de eigenschappen veranderen als functie van zowel het moleculair gewicht als de dichtheid. (De molecular-weight distributie is nog een andere factor die moet worden overwogen, maar wij zullen dat later behandelen).