PE-Kunststoffrohstoff

PE-Rohstoffe: Universalkunststoffe mit Eigenschaften, Herstellung und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten

PE (Polyethylen) ist ein thermoplastisches Harz, das aus Ethylenmonomeren polymerisiert wird. Als weltweit führender Allzweckkunststoff hat er seit der Industrialisierung in den 1930er Jahren dank seiner hervorragenden Gesamtleistung, seiner niedrigen Kosten und seiner breiten Anwendbarkeit in verschiedenen Produktions- und Lebensbereichen Einzug gehalten. Von alltäglichen Einkaufstüten bis hin zu Industrierohrleitungen, von Lebensmittelverpackungen bis hin zu Agrarfolien – PE ist mit seinen einzigartigen Vorteilen zu einem unverzichtbaren Grundmaterial der modernen Gesellschaft geworden und fördert die Entwicklung der Polymerwerkstoffindustrie.

1. Molekularstruktur und Kerneigenschaften von PE

Die Molekülstruktur von PE besteht aus linearen oder verzweigten Kohlenwasserstoffketten mit sich wiederholenden Einheiten von - CH₂ - CH₂ -. Die Regelmäßigkeit und der Verzweigungsgrad der Molekülketten bestimmen ihre Leistungsunterschiede. Je nach Molekülstruktur kann es in Polyethylen niedriger Dichte (LDPE), Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) unterteilt werden.

Die Molekülkette von LDPE weist einen hohen Verzweigungsgrad und eine geringe Kristallinität (50–60 %) auf. Dies verleiht ihr hohe Flexibilität und Transparenz. Die Dichte liegt zwischen 0,91 und 0,925 g/cm³, sie fühlt sich weich an, ist sehr kältebeständig und behält ihre Zähigkeit bei -60 °C. HDPE weist eine hohe Regelmäßigkeit der Molekülkette mit einer Kristallinität von 80–95 % und einer Dichte von 0,941–0,965 g/cm³ auf. Es ist steifer, fester und bietet eine bessere Härte und Verschleißfestigkeit als LDPE, weist jedoch eine etwas geringere Flexibilität auf. LLDPE bildet durch Copolymerisation von Ethylen und Alpha-Olefinen kurze verzweigte Ketten und vereint so die Flexibilität von LDPE mit der Festigkeit von HDPE und bietet hervorragende Reiß- und Durchstoßfestigkeit.

PE weist insgesamt hervorragende Eigenschaften auf: Es ist chemisch stabil, beständig gegen Säuren, Basen, Salze und die meisten organischen Lösungsmittel und reagiert bei Raumtemperatur nicht mit anderen Substanzen als starken Oxidationsmitteln. Es weist eine hervorragende elektrische Isolierung und eine niedrige Dielektrizitätskonstante auf und eignet sich daher für Isolierschichten von Drähten und Kabeln. Es ist gut verarbeitbar, kann durch Verfahren wie Blasformen, Spritzgießen und Extrusion geformt werden und verfügt über einen breiten Verarbeitungstemperaturbereich bei geringem Energieverbrauch. Es ist ungiftig und geruchlos, entspricht den Lebensmittelstandards und wird häufig für Lebensmittelverpackungen verwendet. Allerdings ist die Temperaturbeständigkeit von PE begrenzt und wird üblicherweise bei Temperaturen von -40 bis 60 °C verwendet. Es neigt zur Oxidation und Alterung und muss durch die Zugabe von Antioxidantien verbessert werden.

2. Produktionsprozess und Rohstoffquellen von PE

Die PE-Produktion nutzt Ethylen als Hauptrohstoff, der hauptsächlich aus Erdöl-Cracking (Naphtha-Cracking) und Erdgasverarbeitung (Ethan-Dehydrierung) gewonnen wird. In den letzten Jahren wurde biobasiertes Ethylen durch Biomassefermentation hergestellt, was die Möglichkeit bietet, PE umweltfreundlicher zu gestalten. Der Produktionsprozess wird je nach Druck in Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckverfahren unterteilt, entsprechend den verschiedenen PE-Sorten.

Das Hochdruckverfahren wird hauptsächlich zur Herstellung von LDPE eingesetzt. LDPE entsteht durch radikalische Polymerisation von Ethylenmonomer bei 100–300 MPa und 150–300 °C unter Verwendung von Sauerstoff oder Peroxid als Initiatoren. Die Hochdruckumgebung führt zu einer starken Verzweigung der Molekülketten, wodurch Produkte mit geringer Dichte und hoher Flexibilität entstehen. Dieses Verfahren ist energieintensiv, weist jedoch eine hohe Produktreinheit auf und eignet sich daher beispielsweise für die Herstellung dünner Filme.

Das Niederdruckverfahren (auch das Mitteldruckverfahren) wird zur Herstellung von HDPE und LLDPE eingesetzt. Dabei kommen Ziegler-Natta-Katalysatoren oder Metallocen-Katalysatoren zum Einsatz. Die Polymerisation erfolgt bei 0,1–5 MPa und 60–100 °C. Der niedrige Druck reduziert die Verzweigung und führt zur Bildung von hochkristallinem HDPE. Durch Zugabe von Alpha-Olefinen (wie Buten und Hexen) zur Copolymerisation entsteht LLDPE. Das Niederdruckverfahren zeichnet sich durch geringen Energieverbrauch und hohe Katalysatoreffizienz aus und ist derzeit das gängige Verfahren zur präzisen Kontrolle von Molekulargewicht und Dichte der Produkte.

Die nach der Polymerisation erhaltene PE-Schmelze wird extrudiert und zu körnigen Rohstoffen granuliert. Je nach Bedarf werden Additive wie Antioxidantien, Schmiermittel und Farbstoffe hinzugefügt, um die Verarbeitungsleistung und Witterungsbeständigkeit zu verbessern. Die Auswahl der Additive muss den Anforderungen des Anwendungsszenarios entsprechen. Bei lebensmittelechtem PE sind Art und Gehalt der Additive streng begrenzt.

3. Klassifizierungs- und Modifikationstechnologie von PE

PE lässt sich anhand von Dichte und Struktur in drei Kategorien einteilen, die jeweils über eigene Merkmale und Anwendungsszenarien verfügen. Die Leistungsgrenzen können durch Modifikationstechniken weiter erweitert werden.

LDPE (Polyethylen niedriger Dichte) weist einen hohen Verzweigungsgrad, eine geringe Kristallinität, hervorragende Flexibilität, Transparenz und Fließfähigkeit bei der Verarbeitung auf. Es verfügt über ein breites Spektrum an Schmelzindizes und eignet sich für Blasformfolien (z. B. Lebensmittelbeutel und Kunststofffolien), Spritzguss-Kleinteile (z. B. Spielzeug und Flaschenverschlüsse) und Extrusionsbeschichtungen. Seine Festigkeit ist jedoch relativ gering und seine Lösungsmittelbeständigkeit etwas unzureichend.

HDPE (Polyethylen hoher Dichte) weist eine hohe Kristallinität, hohe Steifigkeit sowie eine bessere Zugfestigkeit, Härte und Temperaturbeständigkeit als LDPE auf. Es weist eine hervorragende chemische Korrosionsbeständigkeit auf und eignet sich zur Herstellung von Hohlbehältern (wie Mineralwasserflaschen und Chemikalienfässern), Rohrleitungen (wie Wasserversorgungs- und Gasleitungen), Platten und schweren Verpackungsfolien. Die HDPE-Verarbeitung weist eine schlechte Fließfähigkeit auf und erfordert höhere Verarbeitungstemperaturen.

LLDPE (lineares Polyethylen niedriger Dichte) vereint durch seine kurzkettige Struktur Flexibilität und Festigkeit und zeichnet sich durch hervorragende Reißfestigkeit, Durchstoßfestigkeit und Spannungsrissbeständigkeit aus. Es verfügt über hervorragende Zugfestigkeitseigenschaften und wird hauptsächlich für Stretchfolien (z. B. Verpackungsfolien), Agrarfolien, schwere Verpackungsfolien und Spritzgussprodukte verwendet. Zur Verbesserung der Folienleistung wird es häufig mit LDPE gemischt.

Die Modifizierungstechnologie ist der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung von PE: Bei der Vernetzungsmodifizierung werden chemische oder physikalische Methoden verwendet, um eine Netzwerkstruktur aus Molekülketten zu bilden, wodurch die Hitzebeständigkeit, Lösungsmittelbeständigkeit und mechanische Festigkeit verbessert werden. Sie wird für Isolierschichten in Warmwasserrohren und -kabeln verwendet. Das Hinzufügen modifizierter Füllstoffe wie Calciumcarbonat und Talkpulver senkt die Kosten und verbessert die Steifigkeit und Dimensionsstabilität. Die Verbesserung modifizierter Verbundglasfasern, Kohlenstofffasern usw. erhöht die Festigkeit und den Elastizitätsmodul und wird für Strukturkomponenten verwendet. Die funktionelle Modifizierung verleiht antibakterielle, flammhemmende, antistatische und andere Eigenschaften und wird auf die Medizin, Elektronik und andere Bereiche ausgeweitet.

4. Die vielfältigen Anwendungsbereiche von PE

Aufgrund seiner vielfältigen Leistungsfähigkeit und niedrigen Kosten wird PE häufig in den Bereichen Verpackung, Landwirtschaft, Industrie, Alltagsbedarf und anderen Bereichen eingesetzt und unterstützt so das Funktionieren der modernen Gesellschaft.

Die Verpackungsindustrie ist der größte Anwendungsmarkt für PE. LDPE-Folie dominiert bei Lebensmittelverpackungen wie Frischhaltebeuteln und Brottüten, da sie transparent, weich und gut versiegelbar ist. Starre Behälter aus HDPE, wie Babyflaschen und Waschmittelflaschen, sind stoßfest und barrierebeständig und eignen sich zum Verpacken von Flüssigkeiten. LLDPE-Stretchfolie wird aufgrund ihrer hohen Dehnbarkeit für Logistik-Wickelverpackungen verwendet, um Transportverluste zu reduzieren. PE-Schaummaterial (wie Perlgarn) ist leicht und stoßdämpfend und wird zum Verpacken von elektronischen Produkten und Präzisionsinstrumenten verwendet.

In der Landwirtschaft bewahrt PE-Folie die Feuchtigkeit, erhöht die Temperatur und fördert das Pflanzenwachstum. LDPE-Folie ist flexibel und leicht zu verlegen, während LLDPE-Folie durchstoßfest und langlebig ist. PE-Gewächshausfolie dient der Lichtdurchlässigkeit und Isolierung beim Gewächshausbau. PE-Netzbeutel werden für die Verpackung von Obst und Gemüse verwendet und sind atmungsaktiv und feuchtigkeitsbeständig.

Im industriellen Bereich werden HDPE-Rohre aufgrund ihrer chemischen Korrosionsbeständigkeit, geringen Flüssigkeitsbeständigkeit und einfachen Installation häufig für die kommunale Wasserversorgung, den Gastransport und die Einleitung von Industrieabwässern verwendet. Außerdem werden sie zur Herstellung von Lagertanks, Auskleidungen und Korrosionsschutzausrüstungen unter Verwendung von PE-Platten verwendet. Die vernetzte PE-Kabelisolationsschicht weist eine gute elektrische Isolierung und Alterungsbeständigkeit auf und gewährleistet so die Sicherheit der Stromübertragung.

Im Bereich der täglichen Bedarfsgüter sind PE-Produkte allgegenwärtig: Spritzgussprodukte wie Plastikeimer, -becken und -spielzeug sind leicht und langlebig; aus PE-Fasern (Polypropylen) werden Fischernetze, Filtertücher und Teppiche hergestellt, die verschleißfest und witterungsbeständig sind; Schaum-PE (wie Hausschuhe, Yogamatten) ist weich und bequem und bietet eine gute Dämpfungsleistung.

Im medizinischen Bereich wird lebensmittelechtes PE zur Herstellung von Infusionsbeuteln, Spritzenhüllen usw. verwendet. Es ist ungiftig, chemisch stabil und kann dampfsterilisiert werden. PE-Folie wird für Operationskittel und Verpackungsfolien verwendet, um Bakterien abzuhalten und Atmungsaktivität zu gewährleisten.

5. Umweltschutz und Entwicklungstrends von PE

Dem Umweltschutz von PE wird große Aufmerksamkeit gewidmet und obwohl es mit der Herausforderung der Umweltverschmutzung konfrontiert ist, bewegt es sich durch Recycling und Innovationen in der grünen Technologie in Richtung einer nachhaltigen Entwicklung.

Das PE-Recyclingsystem ist relativ ausgereift. Physikalisches Recycling ist die wichtigste Methode: PE-Abfälle werden sortiert, gereinigt, zerkleinert, geschmolzen und granuliert. Aus recyceltem PE werden Mülltonnen, Recyclingfolien, Kunststoffschalen usw. hergestellt. Chemisches Recycling zerlegt PE in niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, die als Brennstoff oder chemische Rohstoffe verwendet werden können und Vorteile bei der Verarbeitung komplexer Abfälle bieten. Die globale PE-Recyclingquote steigt stetig an, und politische Förderung und technologischer Fortschritt tragen zur Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft bei.

Biobasiertes PE ist eine umweltfreundliche Entwicklungsrichtung. Als Rohstoff wird Ethylen verwendet, das durch Fermentation von Biomasse (wie Zuckerrohr und Mais) gewonnen wird. Der CO2-Fußabdruck ist geringer als bei erdölbasiertem PE. Biologisch abbaubare PE-Varianten (z. B. PE mit zusätzlichen Abbauhilfsmitteln) können in bestimmten Umgebungen auf natürliche Weise abgebaut werden, wodurch die langfristige Umweltverschmutzung reduziert wird.

Die zukünftige Entwicklung von PE konzentriert sich auf drei Richtungen: Hochleistungsentwicklung durch Molekulardesign und Verbundtechnologie, Entwicklung von hochmoduligem, hoch- und niedrigtemperaturbeständigem PE und Erweiterung der technischen Anwendungen; funktionelle Forschung und Entwicklung von antibakteriellem und intelligent reagierendem (wie temperaturempfindlichem Abbau) PE, um High-End-Anforderungen gerecht zu werden; geringe Karbonisierung fördert die Industrialisierung von biobasierten Rohstoffen und chemischem Recycling, baut einen Kreislauf aus Produktion, Verbrauch und Regeneration auf und kombiniert Leichtbauweise, um den Materialverbrauch zu senken.

PE unterstützt als universeller Basiskunststoff mit seiner hervorragenden Leistung die Entwicklung in vielen Bereichen. Angesichts der Umweltherausforderungen ermöglicht PE durch Recycling und grüne Innovationen eine nachhaltige Entwicklung bei gleichzeitiger Wahrung der Praktikabilität und stellt eine wichtige materielle Unterstützung für eine grüne und kohlenstoffarme Gesellschaft dar.