1. Einführung
Polyethylen (PE) ist ein Polymer, das durch Polymerisation des Monomers Ethylen entsteht (CH₂=CH₂).
Erstmals in den 1930er Jahren kommerzialisiert, PE ist mittlerweile in mehreren technischen Formen erhältlich, deren Eigenschaften durch das Molekulargewicht definiert werden, Kettenarchitektur (Verzweigung), und Verarbeitung (einschließlich Vernetzung).
PEs Kombination aus chemischer Inertheit, Verarbeitbarkeit, Niedrige Kosten und ein Spektrum an mechanischen Verhaltensweisen – von flexiblen Folien bis hin zu extrem robusten Feststoffen – erklären seine Allgegenwärtigkeit in allen Verpackungen, Konstruktion, Transport, Verbraucher, Medizin und Industrie.
2. Was ist Polyethylen? (PE)?
Polyethylen (PE) ist eine Familie teilkristalliner Thermoplaste, die durch Polymerisation von Ethylen hergestellt werden (CH₂=CH₂).
Aufgrund seiner geringen Kosten ist es der weltweit am häufigsten verwendete Kunststoff, chemische Trägheit, Großes Verarbeitungsfenster und ein einstellbares Spektrum mechanischer Verhaltensweisen – von weich bis weich, flexible Folien bis sehr zäh, verschleißfeste Feststoffe.
Schlüsseleigenschaften
- Chemische Beständigkeit: ausgezeichnet gegenüber den meisten Säuren, Alkalis, Lösungsmittel und Kraftstoffe.
- Mechanisch: Große Auswahl – LDPE ist weich und dehnbar; HDPE ist steif und stark; UHMWPE vereint hohe Festigkeit mit außergewöhnlicher Schlagzähigkeit.
- Thermal: Schmelzpunkte typischerweise ~105–135 °C, abhängig von der Sorte; Die Betriebstemperaturen sind im Allgemeinen im Vergleich zu technischen Kunststoffen begrenzt.
- Feuchtigkeit: im Wesentlichen nicht hygroskopisch (vernachlässigbare Wasseraufnahme).
- Tragen & Reibung: UHMWPE zeichnet sich durch eine hervorragende geringe Reibung und Abriebfestigkeit aus.
3. Kommerzielle PE-Typen und was sie unterscheidet
PE wird typischerweise wie folgt kategorisiert:
- LDPE (Polyethylen niedriger Dichte): Dichte ~0,910–0,925 g/cm³; flexibel, gute Klarheit (Filme), geringe Zugfestigkeit. Üblich bei Quetschflaschen, Filme, Kabelmäntel.
- LLDPE (Lineares Polyethylen niedriger Dichte): Dichte ähnlich wie LDPE; überlegene Zugfestigkeit und Durchstoßfestigkeit in Folien aufgrund der Kurzkettenverzweigung. Wird häufig für Stretchfolien und coextrudierte Strukturen verwendet.
- MDPE (PE mittlerer Dichte): Dichte ~0,926–0,940 g/cm³; Wird für Gasleitungen und einige Blasformen verwendet.
- HDPE (Polyethylen hoher Dichte): Dichte ~0,940–0,970 g/cm³; steif, gute chemische Beständigkeit, Wird für Rohre verwendet, Behälter, Rotationsformteile.
- UHMWPE (Ultrahochmolekulares PE): Mw normalerweise >3×10⁶ g/mol; hervorragende Abriebfestigkeit, sehr geringe Reibung; für Liner verwendet, Lager, Gleitanwendungen und einige medizinische Implantate.
- XLPE (Vernetztes PE): Zur Temperaturverbesserung chemisch oder strahlenvernetztes PE, Kriech- und Chemikalienbeständigkeit; Wird für Hochtemperaturrohrleitungen und Kabelisolierungen verwendet.
- Metallocenkatalysiertes PE (mPE / mLLDPE): engere Molekulargewichtsverteilung und verbesserte Kontrolle der mechanischen Eigenschaften – ermöglicht hochklare Filme und maßgeschneidertes mechanisches Verhalten.
Jede Sorte wird durch Anpassung des Mw hinsichtlich Verarbeitbarkeit und Anwendungsleistung optimiert, Comonomergehalt und Katalysatoren.
4. Typische physikalische und mechanische Eigenschaften
Die folgende Tabelle gibt repräsentative Informationen, typische Bereiche für gängige PE-Typen. Verwenden Sie Herstellerdatenblätter für designkritische Werte.
| Eigentum | LDPE | LLDPE | MDPE | HDPE | UHMWPE |
| Dichte (g · cm⁻³) | 0.910–0,925 | 0.915–0,930 | 0.926–0,940 | 0.940–0,970 | 0.930–0,940 |
| Zugfestigkeit (MPA) | 8–15 | 12–20 | 14–25 | 20–37 | 30–45 |
| Bruchdehnung (%) | 200–800 | 200–600 | 200–400 | 100–600 | 100–400 |
| Elastizitätsmodul (GPA) | 0.2–0.4 | 0.3–0.6 | 0.6–0,9 | 0.8–1.5 | 0.8–1.5 |
| Schmelzpunkt (° C) | 105–115 | 105–120 | 120–130 | 125–135 | 130–138 |
| Gekerbtes Izod (Kj zeigt Matte) | 30–100 (hart) | 30–100 | 20–60 | 10–40 | 50–200 (sehr hart) |
| Resistenz tragen | Niedrig | Mäßig | Mäßig | Gut | Exzellent |
| Dauerbetriebstemp (° C) | ~65–80 | ~65–80 | ~80–90 | ~80–110 | ~80–120 |
| Chemische Beständigkeit | Exzellent | Exzellent | Exzellent | Exzellent | Exzellent |
| Wasseraufnahme | Vernachlässigbar | Vernachlässigbar | Vernachlässigbar | Vernachlässigbar | Vernachlässigbar |
5. Verarbeitungsmethoden und Herstellungsüberlegungen
PE wird mit fast allen thermoplastischen Verfahren verarbeitet:
- Extrusion — Rohre, Blätter, Film, Profile. HDPE und UHMW in Rohren und Auskleidungen werden extrudiert oder ramextrudiert.
- Blasformen — Flaschen und Behälter (HDPE, LDPE).
- Injektionsformung — Armaturen, Gehäuse und Komponenten (HDPE, LDPE-Varianten).
- Rotation (Rotationsformen) — große Hohlteile (Panzer, Kajaks).
- Filmcasting / Blasfolie — Verpackungsfolien (LDPE, LLDPE, mLLDPE).
- Kompressionssintern / Ram-Extrusion / Kompressionsformung — UHMWPE wird wegen des extrem hohen Mw oft auf diese Weise verarbeitet (kein herkömmlicher Schmelzfluss).
- Vernetzungsmethoden – chemisch (Peroxide), Silanpfropfung oder Elektronenstrahl / Gammastrahlung zur Herstellung von XLPE für höhere Temperaturen oder eine verbesserte Kriechfestigkeit.
6. Wichtige Bewerbungen nach Jahrgangsstufe
- LDPE / LLDPE: flexible Folie, Einkaufstaschen, Liner, Folienverpackung, Kabelummantelung, Agrarfilme.
- HDPE: Wasser- und Gasverteilungsleitungen, blasgeformte Behälter (Milchflaschen), Geomembranen, rotationsgeformte Tanks, Strukturkomponenten.
- MDPE: Gasverteilungsrohr, Geomembranen.
- UHMWPE: Verschleißstreifen, Rutschen und Liner, Gleitlager, Kettenführungen, orthopädische Implantate (Hüft- und Kniekomponenten), ballistische Fasern (UHMWPE-Fasern wie Dyneema® / Spectra®).
- XLPE: Hochtemperatur-Rohranwendungen (Warmwasser/Industrie), Kabelisolierung.
7. Leistungsherausforderungen und Fehlermodi
Obwohl chemisch robust, Bei PE gibt es mehrere bekannte Fehlermechanismen, gegen die man vorgehen kann:
Umweltbedingte Spannungsrisse (ESC)
- Definition: Rissbildung und -ausbreitung unter Belastung in Gegenwart bestimmter Chemikalien oder Tenside.
Der kritischste Versagensmodus von PE – Spannungen unterhalb der Streckgrenze können bei Kontakt mit Reinigungsmitteln im Laufe der Zeit zu Rissen führen, Glykol, oder einige Kohlenwasserstoffe. - Minderung: Wählen Sie ESC-beständige Formulierungen, Rest-/Einklemmspannung reduzieren (Verbesserung der Verarbeitung und des Glühens), Vermeiden Sie scharfe Kerben und reduzieren Sie dauerhafte Zugspannungen.
Kriechen und Langzeitverformung
- PE weist unter anhaltender Belastung ein erhebliches Kriechen auf, insbesondere bei erhöhter Temperatur.
Auslegung für Kriechen mit Sicherheitsfaktoren; Verwenden Sie HDPE, XLPE oder wählen Sie UHMW für reduziertes Kriechen, wo nötig.
UV / oxidativer Abbau
- Unstabilisiertes PE zersetzt sich unter UV- und Sauerstoffeinwirkung: Kreidebildung auf der Oberfläche, Versprödung und Verlust der mechanischen Eigenschaften.
Stabilisierung mit UV-Absorbern, Rußpigmentierung und Antioxidantien sind bei Außenanwendungen Routine.
Geringe Steifigkeit bei hohen Temperaturen und Dimensionsgrenzen
- Der Modul von PE sinkt mit der Temperatur; Für strukturelle Anwendungen, die sich den Betriebstemperaturgrenzen nähern, wählen Sie Materialien mit höherer Steifigkeit oder Vernetzung, um die Wärmeableitung zu erhöhen.
Fusion / Überlegungen zum Schweißen (für Rohrleitungen)
- HDPE-Rohre werden typischerweise durch Stumpfschweißen oder Elektroschweißen verbunden; Schlechtes Schweißen führt zu schwachen Verbindungen und vorzeitigem Ausfall – Schweißverfahren und die Qualifikation des Bedieners sind von entscheidender Bedeutung.
8. Umwelt, Recycling- und Nachhaltigkeitsaspekte
- Recyclabalität: PE ist in hohem Maße recycelbar (mechanisches Recycling); HDPE und LDPE werden häufig zu Verpackungen und unkritischen Produkten weiterverarbeitet. PE sind Recyclingcodes zugeordnet: #2 (HDPE) Und #4 (LDPE).
- Einschränkungen: Kontamination, Gemischte Polymere und Zusatzstoffe erschweren die Recyclingströme. UHMWPE und gefüllte Sorten lassen sich schwieriger zu hochwertigen Produkten weiterverarbeiten.
- Biobasierte Optionen: Ethylen kann aus Bioethanol hergestellt werden (Bio-PE) mit identischen Eigenschaften wie fossilbasiertes PE.
- Lebensende: Verbrennung mit Energierückgewinnung und chemischem Recycling (Depolymerisation) sind technische Optionen; Die Lebenszyklusanalyse hängt von den Anwendungs- und Wiederherstellungsraten ab.
- Umweltbedenken: Entstehung von Mikroplastik aus Filmen und Verschleißpartikeln (Z.B., aus Förderbändern) erfordert Überlegung.
9. Vergleichende Analyse – Polyethylen (PE) vs. andere gängige Materialien
Die folgende Tabelle vergleicht PE wobei mehrere Materialingenieure häufig als Alternativen für Teile in Betracht ziehen, Filme, Rohre oder Verschleißteile.
| Eigentum / Kriterium | PE (LDPE / HDPE) | PP (Polypropylen) | PVC (Starr) | POM / Acetal | Nylon (PA6 / PA66) |
| Dichte (g · cm⁻³) | 0.91–0,97 | 0.90–0,91 | 1.34–1,45 | ≈ 1.41 | 1.12–1,15 |
| Zugfestigkeit (MPA) | 8–37 (LD→HD) | 30–40 | 35–60 | 50–75 | 50–90 |
| Elastizitätsmodul (GPA) | 0.2–1.5 | 1.0–1.8 | 2.7–3.5 | 2.8–3.5 | 2.5–3.5 |
| Schmelzen / nutzbare Temp (° C) | Tm ~105–135 / Einsatz ≈ 65–110 | Tm ~160–170 / Einsatz ≈ 90–120 | Tg/Erweichung ~75–80 / Einsatz ≈ 40–60 | Tm ~165–175 / Einsatz ≈ 80–100 | Tm ~215–265 / Einsatz ≈ 80–120 |
| Chemische Beständigkeit | Exzellent (Säuren, Basen, viele Lösungsmittel) | Sehr gut (ähnlich wie PE) | Gut (Säuren, Salze, viele Chemikalien) | Gut (Brennstoffe, Öle) | Gut (Kohlenwasserstoffe, Öle) |
| Feuchtigkeitsabsorption | Vernachlässigbar | Vernachlässigbar | Vernachlässigbar | ~ 0,2–0,3% | 1–3% (hygroskopisch) |
Tragen / Reibungsverhalten |
Gut (HDPE besser als LDPE) | Mäßig | Mäßig | Exzellent (geringe Reibung, Niedriger Verschleiß) | Gut |
| Dimensionsstabilität | Mäßig (unter Last kriechen) | Mäßig | Gut | Exzellent | Mäßig (durch Feuchtigkeit beeinträchtigt) |
| UV -Widerstand (unstabilisiert) | Arm (braucht Stabilisatoren) | Arm | Besser (Formulierungsabhängig) | Arm | Arm |
| Verarbeitbarkeit | Exzellent (Extrusion, Schlag, Injektion, Rotationsformen) | Exzellent | Gut (aber enges Verarbeitungsfenster) | Gut (Injektion, Bearbeitung) | Gut (muss vor dem Formen getrocknet werden) |
| Recyclabalität | Sehr gut (HDPE/LDPE weitgehend recycelt) | Sehr gut | Beschränkt (Chlorgehalt) | Beschränkt | Mäßig |
| Typische Anwendungen | Filme, Flaschen, Rohre, Panzer, Liner | Kfz -Trim, Scharniere, Behälter | Rohre, Fensterprofile, Armaturen | Präzisionsgeräte, Buchsen, Ventile | Getriebe, Lager, Gehäuse, Schlauch |
10. Schlussfolgerungen
Polyethylen ist eine vielseitige thermoplastische Familie, deren verschiedene Qualitäten ein sehr breites Spektrum an mechanischen und Verarbeitungsverhalten abdecken.
Die Stärken von PE liegen in der chemischen Beständigkeit, Verarbeitbarkeit, niedrige Kosten und ein Leistungsspektrum von flexiblen Folien bis hin zu extrem robusten Gleitteilen.
Die häufigsten technischen Fallstricke sind umgebungsbedingte Spannungsrisse, Kriechen und UV-Degradation – jeweils durch Auswahl der Sorte behandelbar, Stabilisierung und Design.
Für die meisten Industriedesigner, PE bleibt eine wirtschaftliche und robuste Wahl, wenn seine Einschränkungen verstanden und durch Spezifikation und Tests bewältigt werden.
FAQs
Was ist der Unterschied zwischen LDPE und HDPE??
LDPE weist eine stärkere Kettenverzweigung auf, geringere Kristallinität und geringere Dichte (≈0,91–0,925 g/cm³) → weicher, flexiblere Folien.
HDPE hat eine geringe Verzweigung, höhere Kristallinität (≈0,94–0,97 g/cm³) → steifer, stärkere Teile und Rohr.
Warum reißt PE manchmal unter milden Chemikalien??
Das ist Umweltstressriss (ESC): Bestimmte Tenside und Detergenzien fördern ein langsames Risswachstum unter Zugbeanspruchung. Durch die Auswahl ESC-beständiger Typen und die Reduzierung von Spannungskonzentrationen wird das Risiko gemindert.
Kann PE für Druckleitungen verwendet werden??
Ja – HDPE und MDPE werden häufig für die Trinkwasser- und Gasverteilung verwendet. Richtiges Schmelzschweißen und qualifizierte Materialien/Prozesse sind unerlässlich.
Wann sollte ich mich für UHMWPE entscheiden??
Wählen Sie UHMWPE, wenn die Abriebfestigkeit sehr hoch ist, geringe Reibung und Schlagzähigkeit sind erforderlich (Förderbandauskleidungen, Tragen Sie Pads, Gleitlager, bestimmte medizinische Implantate).
Ist Polyethylen recycelbar??
Ja: HDPE und LDPE gehören zu den am häufigsten recycelten Kunststoffen, Verunreinigungen und gemischte Polymere beeinflussen jedoch die Recyclingqualität.
Es werden sowohl mechanisches Recycling als auch neu entstehende chemische Recyclingwege genutzt.
