Część 1 z 6: Podstawy polietylenu

Polietylen jest dostępny w handlu od 80 lat. Mając tyle czasu na zdobycie doświadczenia, można by oczekiwać, że nauczyliśmy się wszystkiego, co trzeba wiedzieć o tej rodzinie materiałów. Jednak sądząc po rozmowach, jakie prowadzę z ludźmi na temat wyboru właściwego PE do danego zastosowania, branża musi się jeszcze wiele nauczyć.

Polietylen jest uważany za materiał „towarowy”, co sprawia wrażenie, że nie trzeba się wiele zastanawiać nad wyborem odpowiedniej klasy materiału. Jednak PE może być niezwykle skomplikowany po prostu dlatego, że jest to jedyny polimer, który jest dostępny w szerokim zakresie gęstości.

Gęstość jest zazwyczaj właściwością nieodłączną. Wszystkie poliwęglany mają gęstość 1,19-1,20 g/cm3, wszystkie polipropyleny pokrywają bardzo wąski zakres od 0,898-0,905 g/cm3, a gęstość poliestru PBT wynosi 1,31 g/cm3. Istnieje możliwość zmiany gęstości każdego materiału, ale wymaga to zmiany składu. Dodanie plastyfikatorów zmniejszy gęstość PCW, większość modyfikatorów udarności zmniejszy gęstość żywicy bazowej, do której są dodawane, a wypełniacze i wzmocnienie zazwyczaj zwiększą gęstość materiału.

Ale PE może być wykonany do gęstości, które obejmują zakres 0,86-0,97 g/cm3 bez zmiany składu molekularnego jeden bit. A w całym tym zakresie polimer może prezentować szeroki zakres właściwości.

Nie zawsze tak było. Polietylen, podobnie jak wiele polimerów, na których dziś polegamy, powstał przez przypadek. Naukowcy eksperymentujący z gazami pod wysokim ciśnieniem odkryli, że kiedy przeprowadzali doświadczenia z gazem etylenowym, otrzymywali stały związek, który był wynikiem polimeryzacji cząsteczki etylenu. Skomercjalizowanie tego materiału zajęło około sześciu lat, a według dzisiejszych standardów proces polimeryzacji był prymitywny i dawał bardzo wąski zakres produktów.

Dzisiaj nazywamy te materiały polietylenem o niskiej gęstości (LDPE). Ale ta nomenklatura nie istniała w tamtym czasie, ponieważ nie było czegoś takiego jak polietylen o wysokiej gęstości i nie rozumiano, że taki materiał może być nawet możliwy. Od pewnego czasu wiemy, że LDPE składa się z łańcuchów zawierających znaczną ilość rozgałęzień. Długie rozgałęzienia uniemożliwiają ścisłe upakowanie szkieletów łańcuchów. Ogranicza to zdolność materiału do krystalizacji i zmniejsza przyciąganie międzycząsteczkowe odpowiedzialne za zapewnienie właściwości nośnych, takich jak wytrzymałość i sztywność.

Ciągły rozwój PE pozwolił przetwórcom na zaprojektowanie folii cieńszych i mocniejszych niż kiedykolwiek. (Źródło: Reifenhauser)

Początkowo PE był stosowany jako izolacja do przewodów i kabli, więc elastyczność LDPE była jego pozytywną cechą. Jednakże, gdybyśmy spróbowali wyprodukować z LDPE produkt taki jak wiadro 5-galowe, wypełnić je 40-60 funtową zawartością, a następnie ułożyć pełne pojemniki w stosy po trzy lub cztery na wysokość, szybko by się zapadły. Zrozumiałe jest więc, że zastosowania PE były nieco ograniczone w latach 40-tych i w połowie lat 50-tych.

Wchodzą Karl Ziegler i Guilio Natta. W 1954 r., pracując niezależnie i nieco konkurencyjnie, odkryli oni katalizatory, które umożliwiły polimeryzację etylenu bez konieczności stosowania ekstremalnych temperatur i ciśnień. Co ważniejsze, otrzymana cząsteczka była w znacznym stopniu pozbawiona rozgałęzień, które charakteryzowały wyniki procesów wysokociśnieniowych. Te liniowe cząsteczki mogły być upakowane bliżej siebie, tworząc zupełnie inny zestaw właściwości. Polietylen o wysokiej gęstości (HDPE) był mocniejszy, sztywniejszy i twardszy – wszystkie te cechy były konsekwencją wyższego stopnia krystaliczności, który wynikał z bardziej regularnego ułożenia liniowych łańcuchów polimerowych. Był również mniej odporny na uderzenia, zwłaszcza w niskich temperaturach. Ale zwiększona wytrzymałość i sztywność materiału umożliwiła powstanie produktów takich jak te 5-galowe wiadra.

Dwaj badacze z Phillips Petroleum odkryli podobny proces około rok przed Zieglerem i Nattą, a ten system polimeryzacji PE jest do dziś znany jako proces Phillipsa. Jednakże osiągnięcie techniczne stało się przedmiotem długiego, przeciągającego się sporu sądowego, który został rozstrzygnięty dopiero w latach 80-tych, a do tego czasu oznaczenie Ziegler-Natta mocno się zakorzeniło i w 1963 r. otrzymali oni za swoje osiągnięcie Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Od kiedy te katalizatory metali przejściowych stały się znane, świat polietylenu rozszerzył się gwałtownie. Szeroki zakres gęstości od 0,91-0,97 g/cm3 mógł być produkowany z odpowiadającym mu szerokim zakresem właściwości. Pod koniec lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku dzięki dodatkowym postępom powstał liniowy polietylen o niskiej gęstości (LLDPE). W materiale tym wprowadzono rozgałęzienia w sposób bardziej kontrolowany niż było to możliwe w tradycyjnym LDPE.

.