Polyethylen

Polyethylen (Kurzzeichen: PE, früher auch Polyäthylen, manchmal als Polyethen bezeichnet) ist ein thermoplastischer Kunststoff mit wachsartiger Oberfläche, der zu der Gruppe der Polyolefine gehört und durch Polymerisation des Monomers Ethen [CH2 = CH2] hergestellt wird.

I. Geschichte
Polyethylen wurde 1898 von dem deutschen Chemiker von Pechmann synthetisiert und erstmals 1933 mit Hilfe der Hochdruckpolymerisation von ICI-England industriell hergestellt. 1953 wurde das nach den Erfindern benannte Ziegler-Natta-Katalysator-Verfahren entwickelt, das eine Polymerisation von Ethylen auch ohne hohen Druck ermöglicht. 1963 wurden die Erfinder dafür mit dem Nobelpreis der Chemie ausgezeichnet.

II. Herstellung
Polyethylen (Kurzzeichen PE, nach DIN 7728-1: 1988-01, Englisch: polyethylenes) ist eine fast unendliche Kette von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen, die je nach Dichte unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Ausgangssubstanz ist das Gas Ethylen, welches aus Erdöl und Erdgas gewonnen wird. Ein natürlich vorkommendes Polyethylen ist das Elaterit.

Die Polymerisation kann bei Druck von 1400 bis zu 3000 bar und Temperaturen zwischen 100 und 300°C mit Hilfe von Katalysatoren (Sauerstoff oder Peroxide) oder bei niedrigem Druck (1 bis 50 bar) und bei Temperaturen von 20°C bis 150°C) an heterogenen Katalysatoren (Titantetrachlorid und Aluminium- oder Magnesiumalkylen) erfolgen.

Je nach Art der Polymerisation erhält man Polyethylen niedriger Dichte bzw. Niedrigdruck-Polyethylen (Low Density: LD-PE) und Polyethylen hoher Dichte bzw. Hochdrcu-Polyethylen (High Density: HD-PE), die unterschiedliche Eigenschaften für verschiedene Einsatzzwecke bieten.

III. Eigenschaften
Polyethylen hat eine sehr geringe Wasserdampfdurchlässigkeit; die Diffusion von Gasen, Aromastoffen und etherischen Ölen ist hingegen relativ hoch. Polyethylen hat eine gute Zähigkeit, niedrige Festigkeit und Härte, sehr gute Chemikalienfestigkeit, aber eine Neigung zur Rissbildung bei Spannung und eine geringe Temperaturfestigkeit und kann bei Temperaturen von über 80° C nicht eingesetzt werden und ist bis ca. −50°C  kältefest. Seine niedrige Dichte reicht von 0,915 bis 0,965 g/cm³.

Polyethylen ist in Lösungsmitteln erst ab 60 ° C löslich.  Bestimmte Kohlenwasserstoffe führen zu einer Quellung. Je nach Dicke ist Polyethylen milchig weiß bis transparent opak. 

Produkte mit höherer Molmasse besitzen eine bessere Festigkeit und Streckbarkeit; man erkennt sie an der Bezeichnung High Molecular Weight (HMW-LDPE).

Durch Copolymerisation von Ethylen beispeislweise mit Buten und Octen kann der Verzweigungsgrad der hergestellten Polyethylene reduziert werden. Diese Copolymere werden als Linear Low Density Polyethylene (LLDP) bezeichnet. 

Die Vorteile von Polyethylen liegen v.a. in der Geruchs- und Geschmacksneutralität, hohen Transparenz, leichten Verarbeitung, sehr guten Verschweißbarkeit, langer Lebensdauer, hoher Belastbarkeit sowie der Lebensmittelechtheit und Recyclbarkeit.

IV. Marktsituation
Polyethylen ist mit einem Marktanteil von rund 30 Prozent der Massenkunststoff weltweit (ca. 52 Mio. Tonnen) und auch in Europa und Deutschland der am häufigsten produzierte Kunststoff. Die Produktionsmenge in Deutschland beträgt fast 2 Mio. Tonnen.

Unter folgenden Handelsnamen wird Polyethylen u.a. weltweit vertrieben: Hostalen, Lupolen, Vestolen und Trolen. Seit etwa 1957 wird Polyethylen vor allem in Gas- und Wasserleitungen und ist als Rohstoff in der Verpackungsindustrie weit verbreitet. Polyethylen findet auch Einsatz für die Herstellung von Spielwaren, Mülltonnen, diverse Gefäßen, Kabelummantelungen, Kunststofffolien und Beschichtungen für Verbundverpackungen.

Aus PE-HD können durch Spritzguss- und Extrusionsverfahren beispielsweise Gefäße und Rohre produziert werden. Durch das Extrusionsblasverfahren können aus PE-LD und PE-LLD Folien (Müllsäcke, Schrumpffolien, Landwirtschaftsfolien usw.) hergestellt werden. Polyethylen kann einfach recyclt werden, weshalb es Sinn macht ihn aus dem
Abfall zu separieren oder sortenrein zu erfassen, wie etwa bei Folien, die in der Landwirtschaft verwendet werden.

V. Umwelt und Gesundheit
Da das Monomer Ethylen ungiftig ist, ergibt sich bei Polyethylen für den Verbraucher kein gesundheitliches Problem durch Restmonomergehalte. Polyethylen gilt als gesundheitlich unbedenklich. Toxikologisch bedenklich können je nach Einsatz die dem Polyethylen zugesetzten Additive sein. Im Vergleich zu anderen Kunststoffen wie beispielsweise PVC ist der Anteil an Additiven in Polyethylen mit durchschnittlich etwa 5 Prozent jedoch gering.

Das Bundesinstitut für Risikobewertung hat im Februar 2005 keine Bedenken gegen die Verwendung von Polyethylen bei der Verwendung im Lebensmittebereich und bei der Herstellung von Bedarfsgegenständen geäußert. Welche Voraussetzungen für eine Unbedenklichkeit nach §5 Abs. 1 Nr. 1 des Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetzes erfüllt sein müssen, können Sie auf der Homepage des Bundesinstitut für Risikobewertung: Materialien für den Kontakt mit Lebensmitteln nachlesen.

Polyethylen ist biologisch so gut wie nicht abbaubar und wird damit durch UV-Licht, Mikroorganismen und Abbauprozesse in Böden und Deponien kaum oder nicht zersetzt. Auch ist Polyethylen sehr beständig gegenüber Säuren, Laugen und anderen Chemikalien.

Bei der Verbrennung von Polyethylen – das reinen Kohlenstoff darstellt - entstehen Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser und Stickoxide. Insgesamt gehen von Polyethylen und seinen Produkten kaum Gefahren für Umwelt und Gesundheit aus.

Wegen seiner häufigen Verwendung im Verpackungsbereich beispielsweise als Einkaufstüte steht Polyethylen für die Wegwerfgesellschaft. Polyethylen schneidet jedoch im ökologischen Vergleich mit anderen Kunststoffen und Materialien im Verpackungsbereich häufig gut ab.

VI. Material-Daten
Hier finden Sie die Datenbank "Kunststoffempfehlungen" des Bundesinstituts für Risikobewertung (BfR) mit Empfehlungen für

• Polyethylen (CAS-Nummer: 009002-88-4)
• Polyethylen, chlorsulfoniert (CAS-Nummer: 068037-39-8)
• Pfropfcopolymerisat aus Polyethylen und Maleinsäureanhydrid

VII. Literatur und Quellen

Das KATALYSE Umweltlexikon, 2. Auflage Verlag Kiepenheuer & Witsch, Köln 1993, seit dem Jahr 1997 gepflegt und ständig erweitert als Online-Umweltlexikon.de, KATALYSE Institut, Köln 2006

Bahadir, M./Parlar,H./Spiteller, M.: Springer Umweltlexikon; Springer Verlag, Hamburg 2000

Baier, E.: Umweltlexikon; Ponte Press Verlags GmbH, Bochum 2002 

Karcher, R.  Jakubke, H.: Lexikon der Chemie;  Studienausgabe, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998

Römpp, H./Falbe, J./Regitz, M .: Römpp Lexikon Chemie, 10. Auflage, Thieme Verlag Stuttgart 1996-1999

Ullmann 1987: Ullmann`s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Fifth Completely Revised Edition, Vol. A 10, Weinheim