Polyethylen – ein vielseitiger Werkstoff

Synthesen

Ein wesentlicher Vorteil von Polyethylen ist die preiswerte Verfügbarkeit des Monomeren Ethen, das durch thermische Zersetzung (Pyrolyse) bestimmter Erdölfraktionen leicht gewonnen werden kann.

(I) Hochdruckverfahren
Beim Hochdruckverfahren handelt es sich um eine radikalische Polymerisation, die mit geringen Mengen Sauerstoff oder einem Peroxid als Katalysator durchgeführt wird. Da es sich beim Ethen um ein gasförmiges Monomer handelt, ist der hohe Druck erforderlich, damit die Konzentration an Ethen hoch genug ist und damit es nicht zu einem vorzeitigen Kettenabbruch kommt. Die Umsetzung des gasförmigen Ethens zum Polyethylen wird gemäß dem Prinzip von Le CHATELIER durch hohen Druck begünstigt.

$\text{n Ethen (g)}\underset{}{\overset{\text{Druck}}{\rightleftarrows }}\text{Polyethylen (f)}$

Es bilden sich lange fadenförmige Moleküle mit seitlichen Verzweigungen. Diese entstehen durch Abspaltung eines H-Atoms in der Mitte einer wachsenden Kette durch ein Radikal, von denen unter den gegebenen Bedingungen ausreichend viele vorliegen (Bild 2).
An der Stelle der Kette, wo das H-Atom abgespalten wurde, kann ein Ethenmolekül addiert werden und eine Verzweigungskette starten.

Der Abstand zwischen den Polymerketten wird durch die Verzweigungen größer, weshalb das Produkt weicher und seine Dichte geringer wird. Es wird daher auch als LDPE (Low-Density-Polyethylen) bezeichnet.

Eigenschaften

Polyethylen ist ein Thermoplast und leicht zu verarbeiten. Es lässt sich durch Spritzgießen in jede beliebige Form bringen und dient außerdem zur Herstellung von Folien mit hoher Reißfestigkeit. Weil es als reiner Kohlenwasserstoff unpolar ist, ist es Wasser abweisend (hydrophob) und besitzt eine hohe Chemikalienbeständigkeit; es wird von vielen Lösungsmitteln, Laugen und Säuren bei Raumtemperatur nicht angegriffen. PE kann gut verschweißt, jedoch nur bedingt verklebt werden.

Sehr hochmolekulares Niederdruckpolyethylen besitzt eine außergewöhnlich hohe Schlagfestigkeit, weshalb es im Maschinen- und Apparatebau für die Fertigung von Schutzhelmen oder gar für die Konstruktion von Rennsportkanus für den Hochleistungssport eingesetzt wird. Viele Bestandteile von Rollerblades bestehen ebenfalls aus Polyethylen.

Wegen ihrer großen Flexibilität werden LDPE und LLDPE hauptsächlich als Folien für Verpackung (Bild 4), Gewächshäuser, den Gartenbereich und zum Beschichten von Kartonagen verwendet.

Wirtschaftliche Bedeutung
Polyethylen ist der meistproduzierte Kunststoff mit etwa einem Drittel Anteil an der Gesamtproduktion. Das Verhältnis HDPE : LLDPE schwankt dabei regional zwischen 1 : 1 und 1 : 2. Im Jahr 2008 wurden weltweit etwa 260 Mio. Tonnen Kunststoffe produziert, der PE-Anteil lag bei 80 Mio. Tonnen (ca. 20 Mio. Tonnen LDPE, 20 Mio. Tonnen LLDPE und 40 Mio. Tonnen HDPE). In Europa wurden 2008 insgesamt etwa 48 Mio. Tonnen Kunststoffe verbraucht, darunter 14 Mio. Tonnen PE (HDPE-Anteil 5,5 Mio. Tonnen).

Die entsprechenden Daten für Deutschland 2008 sind: gesamt 10,3 Mio. t Kunststoffe produziert mit 1,4 Mio. t LDPE + LLDPE und 1,2 Mio. t HDPE, die jeweiligen deutschen Verbrauchsmengen liegen in der gleichen Größenordnung.

Entsorgung
Artikel aus LDPE sind meist kurzlebig (< 1Jahr), während Gegenstände aus HDPE meist mehrere Jahre genutzt werden. Die Nutzung bzw. Entsorgung von Kunststoffabfällen ist ein generelles Problem.
Eine große Rolle bei der möglichen Wiederverwertung spielt dabei die Reinheit. Sortenreine PE-Abfälle aus Produktion und Produktfertigung, aber auch nach Sortierung von Sammelabfall (gelbe Tonne) anfallende sortenreine Fraktionen können wertstofflich genutzt werden. Aus ihnen kann man durch thermoplastische Verarbeitung wieder Artikel z. B. für den Gartenbereich (Bänke) oder das Baugewerbe (Platten, Rohre) von ähnlicher Qualität wie aus Neuware produzieren.
Verunreinigter PE-Abfall (Folien) oder Mischabfall kann in Müllverbrennungsanlagen unter Nutzung des Energieinhalts verbrannt werden.

Problematisch ist die Entsorgung von PE-Abfall auf Mülldeponien. PE verrottet sehr langsam und aus Zusatzstoffen wie den Farben können Schadstoffe in die Umwelt gelangen. Ein zunehmendes Umweltproblem stellen Kunststoffabfälle in den Weltmeeren dar. Die Menge wird auf mehrere 100 Mio. Tonnen geschätzt. Allein im nördlichen Pazifik bewegen sich Wassermassen auf der Oberfläche von etwa 1 000 km Durchmesser, entsprechend der Fläche Mitteleuropas, mit 1-2 Plastikteilen pro 100 m2. Fische, Schildkröten und Meeresvögel halten umher schwimmende Kunststoffpartikel für Nahrung und verenden daran.