Polyethylen
Polyethylen (PE) wurde bereits 1893 von Hans von Pechmann entdeckt, es ist einer der gebräuchlichsten thermoplastischen Kunststoffe überhaupt, jährlich werden etwa 80.000.000t davon produziert – mehr als von jedem anderen. Es wird hauptsächlich für Verpackungen genutzt, als Plastiktüte, Folie, für Flaschen (nicht mit dem Polyester PET verwechseln!) usw. Der prinzipielle Aufbau ist
Grundstruktureinheit von PE, an den Enden stehen jeweils Wasserstoffatome, ein Polyethylen – Molekül ist also im Prinzip nur ein sehr langes Alkan!
Je nach Größe von n und abhängig vom Herstellungsprozess besitzen die Produkte aber sehr unterschiedliche Eigenschaften. Diese beginnen bei einer wachsartigen Konsistenz bei n < 100 (Kerzenparaffin ist chemisch gesehen ein PE mit ca. 12 < n < 32!) und enden bei n ~ 1.000.000 beim PE-UHMW, das z.B. für Bergsteigerseile und Schusssichere Westen verwendet wird. Natürlich haben nicht alle Makromoleküle in einer Kunststoffprobe immer eine identische Kettenlänge, n gibt mehr einen statistischen Mittelwert an!
Man unterscheidet:
- PE-HD (HDPE, „high density“): schwach verzweigt, daher hohe Dichte von $0,94 \frac{g}{cm^3}$ bis $0,97\frac{g}{cm^3}$
- PE-LD (LDPE, „low density“): stark verzweigt, daher geringe Dichte zwischen $0,915 \frac{g}{cm^3}$ und $0,935 \frac{g}{cm^3}$
- PE-LLD (LLDPE, „linear low density“): lineares Polyethylen niederer Dichte.
- PE-HMW („high molecular weight“): hochmolekulares Polyethylen. Die Polymerketten sind länger als bei PE-HD, PE-LD oder PE-LLD: 35.000 < n < 70.000, mittlere Molmasse bei $500–1000 \frac{\mathbf{k}g}{mol}$
- PE-UHMW(„ultra high molecular weight“): ultrahochmolekulares Polyethylen, n ~ 1.000.000, mittlere Molmasse bis zu $6000 \frac{\mathbf{k}g}{mol}$, Dichte $0,93–0,94 \frac{g}{cm^3}$
Die mechanischen Eigenschaften variieren also sehr stark, chemisch ist aber allen eine hohe Beständigkeit gemein, sie werden weder von starken Säuren oder Basen angegriffen, noch von leichteren Oxidations- und Reduktionsmitteln oder gebräuchlichen Lösungsmitteln.
Herstellung:
Da Ethen (Ethylen) ein eher stabiles Molekül ist benötigt seine Polymerisation einen Katalysator, sonst kann sie nur radikalisch unter hohen Drücken (Le Chatelier!) ablaufen, ist in beiden Fällen aber eine stark exotherme Reaktion. Als katalytisches Verfahren hat sich die koordinative Polymerisation mit Ziegler – Natta – Katalysatoren durchgesetzt. Dabei handelt es sich um sehr komplexe Aluminium – Titan – organische Verbindungen bzw. zunächst eine Aluminium- und eine Titanverbindung, die zusammengegeben werden
Zwei typische Ziegler – Natta –Katalysatoren, bzw. Systeme man benötigt immer eine Al- und eine Ti-Komponente
wodurch sich der eigentliche Katalysator bildet
Der Ziegler Natta – Katalysator entsteht
An die freie Bindungsstelle des Titans kann sich nun ein Monomer anlagern
Ein Ethylen – Molekül lagert sich an die freie Bindungsstelle des Titans an
Das bereits gebundene Monomer, schiebt sich nun zwischen das Titanatom und das Kohlenstoffatom, das ebenfalls an das Titanatom gebunden ist und von der Aluminiumverbindung stammte. Im Komplex gibt es jetzt wieder eine freie Bindungsstelle, an die sich ein weiteres Monomer anlagern kann, das sich ebenfalls zwischen die wachsende Molekülkette und das Titanatom schiebt usw.
Die Kette wächst durch sich ständig wiederholende Einschubreaktionen
Man nennt diese Form von Kettenwachstum Einschiebungsreaktion oder Insertionspolymerisation.
Innenseite einer kugelsicheren Weste aus Dyneema® (PE-UHMW, im Verhältnis zum Gewicht 15x zäher als Stahl)
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