Polyethylen

Die ersten dokumentierten Spuren einer Synthese von Polyethylen gehen auf das Jahr 1898 und den deutschen Chemiker Hans von Pechmann zurück, und zwar ausgehend von Dizomethan. Es gelang jedoch nicht, die Originalsynthesebedingungen nachzuvollziehen. Im März 1933 führten die Chemiker Eric Fawcett und Reginald Gibson in den englischen Labors der ICI, Imperial Chemical Industries, ein nächtliches Experiment mit Ethylengas bei extrem hohem Druck durch und bemerkten dabei auf dem Boden des Autoklavs eine wachsartige Schicht. 1936 patentierte Michael Willcox Perrin die Synthese von Polyethylen und 1939 begann die erste industrielle Produktion dessen, was sich hinter dem Kürzel LDPE verbirgt (Low Density Polyethylene, Polyethylen mit niedriger Dichte). Die ersten Tests zeigten seine herausragenden Eigenschaften als Isoliermaterial und es wurde umgehend als Ersatz für Guttapercha zur Isolierung von Elektrokabeln in Unterseebooten eingesetzt. Während des zweiten Weltkrieges wurde Polyethylen ein „Top Secret“-Material, da seine wirkungsvollen Abschirmungseigenschaften gegen hohe Frequenzen entdeckt wurden, die es zusammen mit seinem geringen Gewicht zu einem unverzichtbaren Produkt für den Einsatz von Radar auf Flugzeugen machte, die genau diese beiden Eigenschaften benötigten.

1951 gelang es zwei Chemikern, John P. Hogan und Robert L. Banks bei der Phillips Petroleum Company unter Einsatz spezifischer Katalysatoren, ein sehr viel robusteres Polyethylen herzustellen, das HDPE (High Density Polyethylene, Polyethylen mit hoher Dichte). Die Katalyse nach der Phillips-Methode erwies sich als inhomogen und brachte große Produktionsmengen von Polyethylen mit unbeständigen Eigenschaften mit sich, die nicht den Spezifikationen entsprachen. 1954 synthetisierte Karl Ziegler, ein deutscher Chemiker und Leiter des Max-Planck-Instituts in Mühlheim in Deutschland, während eines seiner Versuche mit Ethylen aufgrund einer unzureichenden Reinigung des Reaktors, der durch Nickelsalze verschmutzt blieb, ein Ethylen-Dimer. Dieses Versehen führte ihn zu einer systematischen Analyse aller Metallsalze, durch die er die Kombination fand, die es gestattete, ein Polyethylen mit gleichmäßiger linearer Struktur und hohem Molekulargewicht sowie von Produktion zu Produktion gleichbleibenden Eigenschaften herzustellen. 1980 wurde durch die Fortschritte der Katalysatortechnologie ein lineares Polyethylen mit niederer Dichte hergestellt (LLDPE, Low Linear Density Polyethylene), das zwischen HDPE und LDPE anzusiedeln ist.

Polyethylen liegt, gleich ob LDPE, LLDPE oder HDPE, in teilkristalliner Form und je nach Polyethylengrad mit einem Prozentanteil zwischen 40 % bis 80 % vor.

Das Grundmonomer, d. h., die Einheit, die sich auf der gesamten Länge der Kette identisch wiederholt, ist für alle Polyethylentypen das gleiche. Was LDPE, LLDPE und HDPE unter dem Gesichtspunkt des Aufbaus unterscheidet, sind die Menge und die Art der Verzweigungen, wie in der schematischen Darstellung im Anschluss zu erkennen ist.

Wie aus dem Namen hervorgeht, ist die Dichte für die Unterscheidung der Makrokategorien ausschlaggebend. Diese intensive Größe hängt bei den teilkristallinen Polymeren von der Kristallinität ab, also der Polymerfraktion, die in der Lage ist, sich regelmäßig anzuordnen und dabei so wenig Volumen wie möglich einzunehmen. Umgekehrt ist der amorphe Teil dem Einfügen von Verzweigungen in die Hauptkette geschuldet, wie im Bild oben dargestellt, die die korrekte Anordnung in Kristallen des Polymers unterbinden und folglich zu einer Abnahme der Dichte führen. Die kristalline Struktur bestimmt viele Eigenschaften des Polymers, wie zum Beispiel die optischen, den Schmelz- und den Erweichungspunkt, den Elastizitätsmodul, die Streckgrenze, usw. Die auffälligsten Unterschiede zwischen LDPE, LLDPE und HDPE sind die die mechanischen Eigenschaften betreffenden. Er zeigt sich, dass HDPE stets zug- und biegefester, härter und opaker als LLDPE ist, das sich seinerseits im Vergleich zu LDPE als leistungsfähiger erweist. Die höheren Schmelztemperaturen von HDPE machen es für Anwendungen in der Nähe von Wärmequellen besser geeignet. Auch die Barriereeigenschaften gegenüber Gas und Dämpfen entsprechen dem Verlauf der mechanischen Eigenschaften: das beste bleibt HDPE, gefolgt von LLDPE und schließlich LDPE.

Die beiden Polymere können die gleiche Dichte und den gleichen Schmelzpunkt aufweisen, doch LLDPE zeigt bessere mechanische Eigenschaften. Dies ist durch die in LLDPE vorhandenen kleinen Verzweigungen (maximal von 6 Einheiten) ausgehend vom Hauptmakromolekül bedingt, die, da sie linear sind, bei gleichem Dichtewert bessere mechanische Eigenschaft ergeben. Was die Witterungsbeständigkeit betrifft, werden alle drei untersuchten Familien von UV-Strahlen unter Einbuße der physikalischen Eigenschaften beeinträchtigt. Die Beständigkeit gegen chemische Angriffe erweist sich für LLDPE und HDPE im Vergleich zu LDPE als besser. LDPE wiederum erweist sich als von allen Polyethylenen am günstigsten.