Polyethylen

Was ist Polyethylen (PE)?

Polyethylen oder Polyethen (Kurzzeichen PE) gehört zu den Kunststoffen, genauer gesagt zu den Thermoplasten (Kunststoff, der sich in gewissem Temperaturbereich verformt).  Die Kurzschreibweise für die Polyethylen-Strukturformel  ist [–H₂C-CH₂–]_n. Das bedeutet, dass Polyethylen aus sehr vielen Ethen-Molekülen aufgebaut ist.

Dabei kannst du zwischen verschiedenen Typen unterscheiden (z.B. PE-HD, PE-LD). Da es viele verschiedene Varianten gibt, kann PE auch viele vorteilhafte Eigenschaften haben wie beispielsweise:

• Temperaturbeständigkeit,
• hohe Zähigkeit,
• sehr gutes elektrisches Verhalten,
• und geringer Verschleiß.

Deshalb wird PE vielseitig in der Industrie eingesetzt (Folienproduktion, Isolierstoff, Zahnräder).

Polyethylen Typen

Polyethylen besteht also aus vielen Ethen-Molekülen. Deshalb ist es ein langes, lineares Molekül, das auch auch Verzweigungen hat.

Der Kunststoff PE kann in verschiedene Typen eingeteilt werden: 

• PE-HD (HDPE): Polyethylen mit hoher Dichte (0,94 – 0,97 g/cm³); die Polymerketten sind schwach miteinander verzweigt. Z.B. Flaschen für Reinigungsmittel bestehen daraus.
• PE-MD (MDPE): Mittlere Dichte; einzelne Ketten sind etwas stärker miteinander verzweigt.
• PE-LD (LDPE): Hier sind die Ketten stark miteinander verästelt, wodurch die Dichte eher gering ist (0,915-0,935 g/cm³). 
• PE-LLD (LLD-PE): Das Polyethylen ist hauptsächlich linear aufgebaut, mit ein paar kürzeren Verzweigungen. Die Dichte ist niedrig. PE-LD und PE-LLD werden beispielsweise für die Herstellung von Müllsäcken genutzt.
• PE-HMW: Hochmolekulares PE; bedeutet, dass die Molekülmasse sehr hoch ist (500-1000 kg/mol). Das liegt daran, dass mehr Ketten miteinander verknüpft sind als bei PE-HD, PE-LD und PE-LLD. 
• PE-UHMW: Ultrahochmolekulares PE mit einer Molekülmasse von bis zu 6000 kg/mol. PE-UHMW ist in unter anderem Zahnrädern enthalten.

Polyethylen Eigenschaften

Polyethylen hat viele sehr nützliche chemische und physikalische Eigenschaften. 

Zu den chemischen Eigenschaften zählen:

• Teilkristallin: Das bedeutet, dass die Teilchen von Polyethylen weitestgehend noch in geordneter Form vorliegen. Trotzdem erkennst du die einzelnen Teile nicht mehr als Kristalle, deswegen ist der Kunststoff „nur“ teilkristallin.
• aus Alkanen bestehend: Es ist aus Kohlenstoff- (C) und Wasserstoff (H)-Molekülen aufgebaut.
• optisch milchig-weiß: Je geringer die Kristallinität / Dichte, desto durchsichtiger ist der Thermoplast .
• Chemische Beständigkeit: Polyethen ist fast gegen alle polaren Lösungsmittel, wie zum Beispiel Benzin beständig. Auch Säuren , Basen , Wasser und Alkohole haben keinen  negativen Effekt auf PE.

Zu den physikalischen Eigenschaften zählen:

• niedrige Dichte: Du unterscheidest zwar zwischen PE mit hoher Dichte und PE mit niedriger Dichte. Dennoch liegt der Dichtebereich bei 0,87-0,965 g/cm³. Das ist im Vergleich zu anderen Stoffen wenig.
• hohe Zähigkeit und Reißdehnung: Polyethen ist sehr dehnbar und zäh, wodurch es zu vielen Produkten (z.B. Polyethylenfolie) weiterverarbeitet werden kann.
• sehr geringe Wasseraufnahme: Der Kunststoff schwimmt auf Wasser, sodass unter anderem auch Kajaks daraus hergestellt werden können.
• brennt gut: PE ist brennbar und verbrennt sogar rückstandsfrei. Als Verbrennungsprodukte erhältst du CO₂ (Kohlenstoffdioxid) und H₂O (Wasser). 
• gutes Gleitverhalten / geringer Verschleiß: Durch gutes Gleitverhalten hält der Kunststoff sehr lange.
• gute Isoliereigenschaften: PE weist ein gutes elektrisches und dielektrisches Verhalten auf und kann daher zur Isolierung verwendet werden.
• Temperaturbeständigkeit: Der Thermoplast kann mit Temperaturen von -85°C bist + 90°C ohne Folgen in Berührung kommen. Je niedriger die Kristallinität von PE ist, desto weniger beständig ist es gegen hohe Temperaturen.

Polyethylen Verwendung

Je nachdem, welcher PE-Typ vorliegt, wird es für andere Bereiche bevorzugt benutzt.

• PE-LD und PE-LLD: Das PE-Material wird vor allem für Folien verwendet. Es entstehen daraus also Produkte wie Müllsäcke und Landschaftsfolien. Eine geringe Menge vom PE-LD und PE-LLD dient aber auch für Kabelummantelungen.
• PE-HD: Das Polyethylen mit hoher Dichte wird häufig für verschiedene Behältnisse verwendet. Dazu gehören zum Beispiel Flaschen für Reinigungsmittel. Zudem findet es aber auch noch Anwendung in Fasern und Folien. Ein weiteres großes Anwendungsgebiet ist die Gas- und Trinkwasserversorgung. Hier werden oft Rohrleitungen aus PE-HD benutzt. Es kann auch in Polyethylen-Platten für Maschinenteile vorkommen.
• PE-UHMW: Wird für viele unterschiedliche Dinge gebraucht. Beispielsweise für Pumpenteile, Zahnräder, Implantate oder Oberflächen von Endoprothesen. Außerdem werden aus dem Material auch noch Fasern hergestellt, die zu den stärksten künstlichen Fasern zählen. Sie werden in der Chirurgie als Nähmaterial verwendet. 

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Polyethylen Herstellung

Polyethylen kann in der Industrie auf zwei Arten hergestellt werden: Dem Hochdruckverfahren und dem Niederdruckverfahren. Durch das Hochdruckverfahren erhältst du das PE mit geringer Dichte (PE-LD) und durch das Niederdruckverfahren das mit hoher Dichte (PE-HD).

Aber durch welche Synthesereaktion kann es chemisch hergestellt werden?

Um Polyethylen herzustellen, müssen zuerst viele Ethen-Moleküle miteinander reagieren. Dann erhältst du einen langen, linearen Strang, den du Polyethen nennst. Das geschieht durch die radikalische Polymerisation .

Bei der Reaktion entstehen auch Verzweigungen. Dabei „nimmt“ sich im ersten Schritt ein Starterradikal ein Wasserstoffatom (H) vom Polyethen. Dadurch entsteht dann wieder ein Radikal, das die Reaktion weiter antreibt. 

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Auf die Weise können sich viele Ethen-Moleküle an das Polyethylen addieren, sodass sich das Molekül nach und nach immer mehr verzweigt. 

Du kannst dich nicht mehr an die einzelnen Schritte der radikalischen Polymerisation erinnern? Dann schau dir jetzt unbedingt noch unser Video dazu an!