1. Zavedenie
Polyetylén (Pne) je polymér vyrobený polymerizáciou monoméru etylénu (CH2=CH2).
Prvýkrát komercializovaný v 30. rokoch 20. storočia, PE je teraz dostupný vo viacerých upravených formách, ktorých vlastnosti sú definované molekulovou hmotnosťou, reťazová architektúra (vetvenia), a spracovanie (vrátane zosieťovania).
PE je kombinácia chemickej inertnosti, Spracovateľnosť, nízka cena a spektrum mechanického správania – od flexibilných fólií až po ultrapevné pevné látky – vysvetľuje jeho všadeprítomnosť v obaloch, výstavba, dopravy, spotrebiteľa, lekárske a priemyselné odvetvia.
2. Čo je polyetylén (Pne)?
Polyetylén (Pne) je rodina semikryštalických termoplastov vyrábaných polymerizáciou etylénu (CH2=CH2).
Je to celosvetovo najpoužívanejší plast kvôli svojej kombinácii nízkej ceny, chemická inerct, široké okno spracovania a laditeľný rozsah mechanických vlastností – od mäkkých, flexibilné fólie až veľmi pevné, pevné látky odolné voči opotrebovaniu.
Kľúčové vlastnosti
- Chemický odpor: vynikajúce pre väčšinu kyselín, alkalis, rozpúšťadlá a palivá.
- Mechanický: široký rozsah — LDPE je mäkký a roztiahnuteľný; HDPE je tuhý a pevný; UHMWPE kombinuje vysokú pevnosť s výnimočnou rázovou húževnatosťou.
- Tepelný: teploty topenia typicky ~105–135 °C v závislosti od kvality; prevádzkové teploty sú vo všeobecnosti obmedzené v porovnaní s technickými plastmi.
- Vlhkosť: v podstate nehygroskopické (zanedbateľný príjem vody).
- Obliecť sa & trenie: UHMWPE má vynikajúce nízke trenie a odolnosť proti oderu.
3. Komerčné triedy PE a čo ich odlišuje
PE sa zvyčajne kategorizuje nasledovne:
- LDPE (Polyetylén s nízkou hustotou): hustota ~0,910–0,925 g/cm³; flexibilný, dobrá prehľadnosť (filmy), nízka pevnosť v ťahu. Bežné pre stláčacie fľaše, filmy, káblové plášte.
- LLDPE (Lineárny polyetylén s nízkou hustotou): hustota podobná LDPE; vynikajúca pevnosť v ťahu a odolnosť voči prepichnutiu vo fóliách vďaka vetveniu s krátkym reťazcom. Široko používaný pre stretch fólie a koextrudované štruktúry.
- MDPE (PE so strednou hustotou): hustota ~0,926–0,940 g/cm³; používa sa na plynové potrubia a niektoré vyfukovanie.
- HDPE (Polyetylén s vysokou hustotou): hustota ~0,940–0,970 g/cm³; tuhý, dobrá chemická odolnosť, používa sa na potrubie, kontajnery, rotačné tvarovanie dielov.
- UHMWPE (PE s ultra vysokou molekulovou hmotnosťou): Mw zvyčajne >3x 106 g/mol; vynikajúca odolnosť proti oderu, veľmi nízke trenie; používané na vložky, ložiská, posuvné aplikácie a niektoré lekárske implantáty.
- XLPE (Zosieťovaný PE): PE chemicky alebo radiačne zosieťovaný na zlepšenie teploty, odolnosť proti tečeniu a chemikáliám; používa sa na izoláciu vysokoteplotných potrubí a káblov.
- Metalocénom katalyzovaný PE (mPE / mLLDPE): užšia distribúcia molekulovej hmotnosti a vylepšená kontrola mechanických vlastností – umožňuje film s vysokou čistotou a prispôsobené mechanické správanie.
Každá trieda je optimalizovaná pre spracovateľnosť a aplikačný výkon úpravou Mw, obsahu komonomérov a katalyzátorov.
4. Typické fyzikálne a mechanické vlastnosti
Tabuľka nižšie uvádza reprezentatívnosť, typické rozsahy pre bežné druhy PE. Pre hodnoty kritické pre dizajn použite údajové listy výrobcu.
| Majetok | 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 |
| Pevnosť v ťahu (MPA) | 8–15 | 12–20 | 14–25 | 20–37 | 30–45 |
| Predĺženie pri pretrhnutí (%) | 200–800 | 200–600 | 200–400 | 100–600 | 100–400 |
| Youngov modul (GPA) | 0.2–0.4 | 0.3–0.6 | 0.6–0.9 | 0.8–1.5 | 0.8–1.5 |
| Teplota topenia (° C) | 105–115 | 105–120 | 120–130 | 125–135 | 130–138 |
| Vrúbkovaný Izod (Kj ukazuje mat) | 30–100 (tvrdý) | 30–100 | 20–60 | 10–40 | 50–200 (veľmi tvrdý) |
| Odpor | Nízky | Mierny | Mierny | Dobre | Vynikajúci |
| Nepretržitá servisná teplota (° C) | ~65–80 | ~65–80 | ~80–90 | ~80–110 | ~80–120 |
| Chemický odpor | Vynikajúci | Vynikajúci | Vynikajúci | Vynikajúci | Vynikajúci |
| Absorpcia vody | Zanedbateľný | Zanedbateľný | Zanedbateľný | Zanedbateľný | Zanedbateľný |
5. Spôsoby spracovania a výrobné úvahy
PE sa spracováva takmer každou termoplastickou technikou:
- Vytláčanie — potrubia, listy, film, profilovať. HDPE a UHMW v rúrach a vložkách sú extrudované alebo lisované.
- Vyfukovanie — fľaše a nádoby (HDPE, LDPE).
- Vstrekovanie — armatúry, kryty a komponenty (HDPE, LDPE varianty).
- Rotačné (rotačné formovanie) — veľké duté časti (tanky, kajak).
- Filmový kasting / fúkaný film - baliace fólie (LDPE, LLDPE, mLLDPE).
- Kompresné spekanie / vytláčanie barana / kompresné formovanie — UHMWPE sa často spracováva týmto spôsobom z dôvodu extrémne vysokého Mw (žiadny konvenčný tok taveniny).
- Metódy sieťovania — chemický (peroxidy), silánové vrúbľovanie alebo elektrónový lúč / gama žiarenia na výrobu XLPE pre vyššiu teplotu alebo zlepšenú odolnosť proti tečeniu.
6. Kľúčové aplikácie podľa triedy
- LDPE / LLDPE: flexibilný film, nákupné tašky, vložky, fóliové balenie, opláštenie kábla, poľnohospodárske filmy.
- HDPE: rozvody vody a plynu, vyfukované nádoby (fľaše s mliekom), geomembrány, rotačne lisované nádrže, štrukturálne komponenty.
- MDPE: potrubie na rozvod plynu, geomembrány.
- UHMWPE: nosiť prúžky, žľaby a vložky, klzné ložiská, vodidlá reťaze, ortopedické implantáty (komponenty bedra a kolena), balistické vlákna (UHMWPE vlákna ako Dyneema® / Spectra®).
- XLPE: aplikácie vysokoteplotných potrubí (teplá voda/priemysel), izolácia káblov.
7. Výzvy výkonu a režimy zlyhania
Aj keď chemicky odolný, PE má niekoľko známych mechanizmov zlyhania, proti ktorým je možné navrhnúť:
Trhanie vplyvom prostredia (ESC)
- Definícia: tvorba a šírenie trhlín pod tlakom v prítomnosti špecifických chemikálií alebo povrchovo aktívnych látok.
Najkritickejší spôsob zlyhania PE – úrovne napätia pod výťažnosťou môžu časom spôsobiť praskanie pri kontakte s čistiacimi prostriedkami, glykol, alebo niektoré uhľovodíky. - Zmiernenie: vyberte formulácie odolné voči ESC, znížiť zvyškové/zachytávacie napätie (zlepšiť spracovanie a žíhanie), vyhnúť sa ostrým zárezom a znížiť trvalé ťahové napätia.
Dotvarovanie a dlhodobá deformácia
- PE vykazuje významné tečenie pri trvalom zaťažení, najmä pri zvýšenej teplote.
Dizajn pre tečenie s bezpečnostnými faktormi; použite HDPE, XLPE alebo zvoľte UHMW pre zníženie tečenia tam, kde je to potrebné.
UV / oxidačná degradácia
- Nestabilizovaný PE degraduje pod UV a kyslíkom: kriedovanie povrchu, krehnutie a strata mechanických vlastností.
Stabilizácia pomocou UV absorbérov, Pigmentácia sadzí a antioxidanty je rutinou pre vonkajšie aplikácie.
Nízka tuhosť pri vysokých teplotách a rozmerových limitoch
- Modul PE klesá s teplotou; pre konštrukčné aplikácie, ktoré sa blížia k limitom prevádzkových teplôt, vyberte materiály s vyššou tuhosťou alebo zosieťovaním, aby sa zvýšila deformácia tepla.
Fusion / úvahy o zváraní (pre potrubie)
- Potrubie HDPE sa zvyčajne spája tavením na tupo alebo elektrofúziou; zlé zváranie vedie k slabým spojom a predčasnému zlyhaniu – zváracie postupy a kvalifikácia operátora sú rozhodujúce.
8. Environmentálny, aspekty recyklácie a udržateľnosti
- Recyklatalita: PE je vysoko recyklovateľný (mechanická recyklácia); HDPE a LDPE sa bežne prepracúvajú na obaly a nekritické produkty. PE má pridelené recyklačné kódy: #2 (HDPE) a #4 (LDPE).
- Obmedzenia: kontaminácia, zmiešané polyméry a prísady komplikujú recyklačné toky. UHMWPE a plnené druhy sa ťažšie spracovávajú na produkty vysokej hodnoty.
- Možnosti na biologickej báze: etylén možno vyrábať z bioetanolu (bio-PE) s rovnakými vlastnosťami ako PE na fosílnej báze.
- Koniec životnosti: spaľovanie s energetickým zhodnotením a chemickou recykláciou (depolymerizácia) sú technické možnosti; analýza životného cyklu závisí od použitia a miery obnovy.
- Obavy o životné prostredie: vytváranie mikroplastov z filmov a opotrebovaných častíc (Napr., z vložiek dopravníkov) vyžaduje zváženie.
9. Porovnávacia analýza — Polyetylén (Pne) vs. iné bežné materiály
Nižšie uvedená tabuľka porovnáva Pne s niekoľkými materiálmi inžinieri bežne považujú za alternatívy dielov, filmy, potrubia alebo opotrebované komponenty.
| Majetok / Kritérium | Pne (LDPE / HDPE) | Pp (Polypropylén) | PVC (Tuhý) | Pomom / Octa | 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 |
| Pevnosť v ťahu (MPA) | 8–37 (LD→HD) | 30–40 | 35–60 | 50–75 | 50–90 |
| Youngov modul (GPA) | 0.2–1.5 | 1.0–1.8 | 2.7–3.5 | 2.8–3.5 | 2.5–3.5 |
| Taviace sa / použiteľná teplota (° C) | Tm ~105–135 / použite ≈ 65–110 | Tm ~160–170 / použite ≈ 90–120 | Tg/mäknutie ~75–80 / použite ≈ 40–60 | Tm ~165–175 / použite ≈ 80–100 | Tm ~215–265 / použite ≈ 80–120 |
| Chemický odpor | Vynikajúci (kyseliny, základne, veľa rozpúšťadiel) | Veľmi dobrý (podobne ako PE) | Dobre (kyseliny, soli, veľa chemikálií) | Dobre (palivo, oleje) | Dobre (uhľovodík, oleje) |
| Absorpcia vlhkosti | Zanedbateľný | Zanedbateľný | Zanedbateľný | ~ 0,2–0,3% | 1–3% (hygroskopický) |
Obliecť sa / trecie správanie |
Dobre (HDPE lepšie ako LDPE) | Mierny | Mierny | Vynikajúci (nízky trenie, nízke opotrebovanie) | Dobre |
| Dimenzionnosť | Mierny (plaziť sa pri zaťažení) | Mierny | Dobre | Vynikajúci | Mierny (ovplyvnené vlhkosťou) |
| UV odpor (nestabilizované) | Úbohý (potrebuje stabilizátory) | Úbohý | Lepší (závislé od formulácie) | Úbohý | Úbohý |
| Spracovateľnosť | Vynikajúci (vytláčanie, fúkať, injekciou, rotačné formovanie) | Vynikajúci | Dobre (ale úzke spracovateľské okno) | Dobre (injekciou, obrábanie) | Dobre (vyžaduje sušenie pred formovaním) |
| Recyklatalita | Veľmi dobrý (HDPE/LDPE široko recyklovaný) | Veľmi dobrý | Obmedzený (obsah chlóru) | Obmedzený | Mierny |
| Typické aplikácie | Filmy, fľaše, potrubia, tanky, vložky | Automobilový lem, záves, kontajnery | Potrubia, okenné profily, príslušenstvo | Presnosť, puzdro, ventily | Výstroj, ložiská, puzdro, hadičky |
10. Závery
Polyetylén je všestranná skupina termoplastov, ktorých rôzne druhy pokrývajú veľmi široký rozsah mechanických a spracovateľských procesov..
Prednosťou PE je chemická odolnosť, Spracovateľnosť, nízke náklady a možnosti siahajú od flexibilných fólií až po ultra pevné posuvné časti.
Najbežnejšími inžinierskymi úskaliami sú praskanie vplyvom prostredia, tečenie a degradácia UV žiarením – každý z nich je adresovateľný výberom akosti, stabilizácia a dizajn.
Pre väčšinu priemyselných dizajnérov, PE zostáva ekonomickou a robustnou voľbou, ak sú jeho obmedzenia pochopené a riadené prostredníctvom špecifikácie a testovania.
Časté otázky
Aký je rozdiel medzi LDPE a HDPE?
LDPE má viac vetvenia reťazca, nižšia kryštalinita a nižšia hustota (≈0,91–0,925 g/cm³) → mäkšie, flexibilnejšie fólie.
HDPE má malé rozvetvenie, vyššia kryštalinita (≈0,94–0,97 g/cm³) → tuhšie, pevnejšie časti a potrubie.
Prečo PE niekedy pod jemnými chemikáliami praskne??
Ide o environmentálne stresové praskanie (ESC): niektoré povrchovo aktívne látky a detergenty podporujú pomalý rast trhlín pri namáhaní v ťahu. Výber tried odolných voči ESC a zníženie koncentrácie stresu zmierňuje riziko.
Môže sa PE použiť na tlakové potrubie?
Áno – HDPE a MDPE sa široko používajú na rozvody pitnej vody a plynu. Správne tavné zváranie a kvalifikované materiály/procesy sú nevyhnutné.
Kedy by som si mal vybrať UHMWPE?
Pri veľmi vysokej odolnosti voči oderu zvoľte UHMWPE, vyžaduje sa nízke trenie a rázová húževnatosť (dopravníkové vložky, podložky, klzné ložiská, niektoré lekárske implantáty).
Polyetylén je recyklovateľný?
Áno: HDPE a LDPE patria medzi najviac recyklované plasty, ale kontaminácia a zmiešané polyméry ovplyvňujú kvalitu recyklácie.
Používa sa mechanická recyklácia a vznikajúce chemické recyklačné cesty.
