1. Zavedení
Polyethylen (PE) je polymer vyrobený polymerací monomeru ethylenu (CH2=CH2).
Poprvé uveden na trh ve 30. letech 20. století, PE je nyní dostupný v mnoha umělých formách, jejichž vlastnosti jsou definovány molekulovou hmotností, řetězová architektura (větvení), a zpracování (včetně síťování).
PE je kombinace chemické inertnosti, Zpracovatelnost, Nízká cena a spektrum mechanického chování – od flexibilních fólií po ultrapevné pevné látky – vysvětluje jeho všudypřítomnost napříč obaly, konstrukce, doprava, spotřebitel, lékařský a průmyslový sektor.
2. Co je polyethylen (PE)?
Polyethylen (PE) je rodina semikrystalických termoplastů vyráběných polymerací ethylenu (CH2=CH2).
Je to celosvětově nejrozšířenější plast kvůli kombinaci nízké ceny, Chemická inertnost, široké okno zpracování a laditelný rozsah mechanických vlastností – od měkkých, flexibilní fólie až velmi tvrdé, pevné látky odolné proti opotřebení.
Klíčové vlastnosti
- Chemická odolnost: vynikající pro většinu kyselin, Alkalis, rozpouštědla a paliva.
- Mechanický: široký rozsah — LDPE je měkký a roztažitelný; HDPE je tuhý a pevný; UHMWPE kombinuje vysokou pevnost s výjimečnou rázovou houževnatostí.
- Tepelný: teploty tání typicky ~105–135 °C v závislosti na jakosti; provozní teploty jsou obecně omezené ve srovnání s technickými plasty.
- Vlhkost: v podstatě nehygroskopické (zanedbatelný příjem vody).
- Nosit & tření: UHMWPE má vynikající nízké tření a odolnost proti oděru.
3. Komerční třídy PE a čím se liší
PE je typicky kategorizováno následovně:
- LDPE (Polyethylen s nízkou hustotou): hustota ~0,910–0,925 g/cm³; flexibilní, dobrá přehlednost (filmy), nízká pevnost v tahu. Běžné pro stlačovací láhve, filmy, kabelové pláště.
- LLDPE (Lineární polyetylén s nízkou hustotou): hustota podobná LDPE; vynikající pevnost v tahu a odolnost proti proražení ve fóliích díky větvení s krátkým řetězcem. Široce se používá pro stretch fólie a koextrudované struktury.
- MDPE (PE střední hustoty): hustota ~0,926–0,940 g/cm³; používá se pro plynová potrubí a některé vyfukování.
- HDPE (Polyetylen s vysokou hustotou): hustota ~0,940–0,970 g/cm³; tuhý, dobrá chemická odolnost, používá se pro potrubí, kontejnery, rotační tvarování dílů.
- UHMWPE (Ultra-vysokomolekulární PE): Mw obvykle >3x 106 g/mol; vynikající odolnost proti oděru, velmi nízké tření; používané pro vložky, ložiska, posuvné aplikace a některé lékařské implantáty.
- XLPE (Zesíťovaný PE): PE chemicky nebo radiačně zesíťovaný pro zlepšení teploty, odolnost proti tečení a chemická odolnost; používá se pro vysokoteplotní izolaci potrubí a kabelů.
- Metalocenem katalyzovaný PE (mPE / mLLDPE): těsnější distribuce molekulové hmotnosti a vylepšená kontrola mechanických vlastností – umožňuje vysoce čiré filmy a přizpůsobené mechanické chování.
Každá třída je optimalizována pro zpracovatelnost a aplikační výkon úpravou Mw, obsah komonomerů a katalyzátory.
4. Typické fyzikální a mechanické vlastnosti
Níže uvedená tabulka uvádí reprezentativnost, typické rozsahy pro běžné druhy PE. Pro hodnoty kritické pro návrh použijte datové listy výrobce.
| Vlastnictví | LDPE | LLDPE | MDPE | HDPE | UHMWPE |
| Hustota (G · CM⁻³) | 0.910–0,925 | 0.915–0,930 | 0.926–0,940 | 0.940–0,970 | 0.930–0,940 |
| Pevnost v tahu (MPA) | 8–15 | 12–20 | 14–25 | 20–37 | 30–45 |
| Prodloužení při přetržení (%) | 200–800 | 200–600 | 200–400 | 100–600 | 100–400 |
| Youngův modul (GPA) | 0.2–0,4 | 0.3–0,6 | 0.6–0,9 | 0.8–1.5 | 0.8–1.5 |
| Bod tání (° C.) | 105–115 | 105–120 | 120–130 | 125–135 | 130–138 |
| Vroubkovaný Izod (Kj ukazuje mat) | 30–100 (Tvrdý) | 30–100 | 20–60 | 10–40 | 50–200 (velmi tvrdý) |
| Nosit odpor | Nízký | Mírný | Mírný | Dobrý | Vynikající |
| Trvalá servisní tepl (° C.) | ~65–80 | ~65–80 | ~80–90 | ~80–110 | ~80–120 |
| Chemická odolnost | Vynikající | Vynikající | Vynikající | Vynikající | Vynikající |
| Absorpce vody | Zanedbatelný | Zanedbatelný | Zanedbatelný | Zanedbatelný | Zanedbatelný |
5. Způsoby zpracování a výrobní úvahy
PE se zpracovává téměř každou termoplastickou technikou:
- Vytlačování — trubky, listy, film, Profily. HDPE a UHMW v trubkách a vložkách jsou extrudované nebo lisované.
- Vyfukování — láhve a nádoby (HDPE, LDPE).
- Injekční lisování — kování, pouzdra a komponenty (HDPE, LDPE varianty).
- Rotační (rotační formování) — velké duté části (tanky, Kajaky).
- Filmový casting / foukaný film - balicí fólie (LDPE, LLDPE, mLLDPE).
- Kompresní slinování / vytlačování berana / TOMPRESS — UHMWPE se často zpracovává tímto způsobem z důvodu extrémně vysoké Mw (žádný konvenční tok taveniny).
- Metody síťování — chemické (peroxidy), silanové roubování nebo elektronový paprsek / gama záření k výrobě XLPE pro vyšší teplotu nebo zlepšenou odolnost proti tečení.
6. Klíčové aplikace podle třídy
- LDPE / LLDPE: flexibilní fólie, nákupní tašky, vložky, filmové balení, opláštění kabelu, zemědělské filmy.
- HDPE: rozvody vody a plynu, vyfukované nádoby (láhve na mléko), geomembrány, rotačně lisované tanky, Strukturální komponenty.
- MDPE: potrubí pro rozvod plynu, geomembrány.
- UHMWPE: nosit proužky, skluzy a vložky, kluzná ložiska, vodítka řetězu, ortopedické implantáty (kyčelní a kolenní komponenty), balistická vlákna (UHMWPE vlákna jako Dyneema® / Spectra®).
- XLPE: vysokoteplotní potrubní aplikace (teplovodní/průmyslové), izolace kabelu.
7. Výzvy výkonu a režimy selhání
I když chemicky odolný, PE má několik známých mechanismů selhání, proti kterým je možné navrhnout:
Praskání vlivem prostředí (ESC)
- Definice: tvorba a šíření trhlin pod napětím v přítomnosti specifických chemikálií nebo povrchově aktivních látek.
Nejkritičtější způsob selhání PE – úrovně napětí pod výtěžností mohou časem způsobit praskání při kontaktu s detergenty, glykol, nebo nějaké uhlovodíky. - Zmírnění: zvolte přípravky odolné vůči ESC, snížit zbytkové/záchytné napětí (zlepšit zpracování a žíhání), vyhněte se ostrým zářezům a snižte trvalé tahové napětí.
Creep a dlouhodobá deformace
- PE vykazuje významné tečení při trvalém zatížení, zvláště při zvýšené teplotě.
Konstrukce pro tečení s bezpečnostními faktory; použijte HDPE, XLPE nebo zvolte UHMW pro snížení tečení tam, kde je to potřeba.
UV / oxidační degradace
- Nestabilizovaný PE degraduje pod UV a kyslíkem: povrchové křídování, křehnutí a ztráta mechanických vlastností.
Stabilizace pomocí UV absorbérů, pigmentace sazí a antioxidanty jsou rutinní záležitostí pro venkovní aplikace.
Nízká tuhost při vysokých teplotách a rozměrových limitech
- Modul PE klesá s teplotou; pro konstrukční aplikace, které se blíží provozním teplotním limitům, vybírejte materiály s vyšší tuhostí nebo zesíťováním, aby se zvýšil tepelný průhyb.
Fúze / úvahy o svařování (pro potrubí)
- HDPE potrubí se typicky spojuje natupo nebo elektrotavením; špatné svařování vede ke slabým spojům a předčasnému selhání – svařovací postupy a kvalifikace obsluhy jsou kritické.
8. Životní prostředí, aspekty recyklace a udržitelnosti
- Recyclabality: PE je vysoce recyklovatelný (mechanická recyklace); HDPE a LDPE se běžně přepracovávají na obaly a nekritické produkty. PE má přiděleny recyklační kódy: #2 (HDPE) a #4 (LDPE).
- Omezení: kontaminace, směsné polymery a přísady komplikují recyklační toky. UHMWPE a plněné druhy se obtížněji přepracovávají na vysoce hodnotné produkty.
- Biologické možnosti: ethylen lze vyrábět z bioetanolu (bio-PE) se stejnými vlastnostmi jako PE na fosilní bázi.
- Konec životnosti: spalování s rekuperací energie a chemickou recyklací (depolymerace) jsou technické možnosti; analýza životního cyklu závisí na aplikaci a míře obnovy.
- Obavy o životní prostředí: vytváření mikroplastů z filmů a otěrových částic (NAPŘ., z dopravníkových vložek) vyžaduje úvahu.
9. Srovnávací analýza — Polyethylen (PE) vs.. další běžné materiály
Níže uvedená tabulka porovnává PE s několika materiálovými inženýry běžně zvažují alternativy pro díly, filmy, potrubí nebo opotřebitelných součástí.
| Vlastnictví / Kritérium | PE (LDPE / HDPE) | PP (Polypropylen) | PVC (Tuhá) | POM / Acetal | Nylon (PA6 / PA66) |
| Hustota (G · CM⁻³) | 0.91–0,97 | 0.90–0,91 | 1.34–1,45 | ≈ 1.41 | 1.12–1.15 |
| Pevnost v tahu (MPA) | 8–37 (LD→HD) | 30–40 | 35–60 | 50–75 | 50–90 |
| Youngův modul (GPA) | 0.2–1.5 | 1.0–1.8 | 2.7–3,5 | 2.8–3,5 | 2.5–3,5 |
| Tání / použitelná tepl (° C.) | Tm ~105–135 / použijte ≈ 65–110 | Tm ~160–170 / použijte ≈ 90–120 | Tg/měknutí ~75–80 / použijte ≈ 40–60 | Tm ~165–175 / použijte ≈ 80–100 | Tm ~215–265 / použijte ≈ 80–120 |
| Chemická odolnost | Vynikající (kyseliny, Základny, mnoho rozpouštědel) | Velmi dobré (podobný PE) | Dobrý (kyseliny, soli, mnoho chemikálií) | Dobrý (paliva, oleje) | Dobrý (uhlovodíky, oleje) |
| Absorpce vlhkosti | Zanedbatelný | Zanedbatelný | Zanedbatelný | ~ 0,2–0,3% | 1–3% (hygroskopický) |
Nosit / třecí chování |
Dobrý (HDPE lepší než LDPE) | Mírný | Mírný | Vynikající (Nízké tření, nízké opotřebení) | Dobrý |
| Rozměrová stabilita | Mírný (dotvarovat pod zatížením) | Mírný | Dobrý | Vynikající | Mírný (ovlivněné vlhkostí) |
| Odolnost proti UV (nestabilizované) | Chudý (potřebuje stabilizátory) | Chudý | Lepší (na formulaci závislé) | Chudý | Chudý |
| Zpracovatelnost | Vynikající (vytlačování, rána, injekce, rotační formování) | Vynikající | Dobrý (ale úzké zpracovatelské okno) | Dobrý (injekce, obrábění) | Dobrý (vyžaduje sušení před formováním) |
| Recyclabality | Velmi dobré (HDPE/LDPE široce recyklovaný) | Velmi dobré | Omezený (obsah chlóru) | Omezený | Mírný |
| Typické aplikace | Filmy, láhve, potrubí, tanky, vložky | Automobilový obložení, panty, kontejnery | Potrubí, okenní profily, armatury | Precision Gears, pouzdra, ventily | Ozubená kola, ložiska, pouzdra, hadice |
10. Závěry
Polyethylen je všestranná rodina termoplastů, jejichž různé druhy pokrývají velmi široký rozsah mechanických a zpracovatelských vlastností.
Předností PE je chemická odolnost, Zpracovatelnost, nízké náklady a možnosti sahají od flexibilních fólií až po ultra pevné kluzné díly.
Nejběžnějšími technickými úskalími jsou praskání vlivem prostředí, tečení a degradace UV zářením – každý je řešitelný výběrem jakosti, stabilizace a design.
Pro většinu průmyslových designérů, PE zůstává ekonomickou a robustní volbou, pokud jsou jeho omezení chápána a řízena prostřednictvím specifikace a testování.
Časté časté
Jaký je rozdíl mezi LDPE a HDPE?
LDPE má více větvení řetězce, nižší krystalinita a nižší hustota (≈0,91–0,925 g/cm³) → měkčí, flexibilnější fólie.
HDPE se málo větví, vyšší krystalinitu (≈0,94–0,97 g/cm³) → tužší, silnější části a potrubí.
Proč PE někdy praskne pod jemnými chemikáliemi??
To je praskání v prostředí (ESC): některé povrchově aktivní látky a detergenty podporují pomalý růst trhlin při namáhání v tahu. Výběr tříd odolných vůči ESC a snížení koncentrací napětí snižuje riziko.
Lze PE použít pro tlakové potrubí?
Ano — HDPE a MDPE se široce používají pro rozvody pitné vody a plynu. Správné tavné svařování a kvalifikované materiály/procesy jsou zásadní.
Kdy bych měl zvolit UHMWPE?
Při velmi vysoké odolnosti proti oděru zvolte UHMWPE, je požadováno nízké tření a rázová houževnatost (dopravníkové vložky, Noste podložky, kluzná ložiska, některé lékařské implantáty).
Polyethylen je recyklovatelný?
Ano: HDPE a LDPE patří mezi nejvíce recyklované plasty, ale kontaminace a smíšené polymery ovlivňují kvalitu recyklace.
Používají se jak cesty mechanické recyklace, tak vznikající chemické recyklační cesty.
