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Polyethylen hoher Dichte (HDPE) vs. Polyethylen (PE)
Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und Polyethylen (PE) sind beides Arten von Polyethylen, die jedoch aufgrund von Unterschieden bei der Herstellung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
HDPE ist ein spezieller Typ innerhalb der Polyethylen-Familie, der sich durch seine hohe Kristallinität auszeichnet, die sich aus einem geringen Anteil an Seitenverzweigungsgruppen an den Hauptpolymerketten und dem Fehlen jeglicher langer Seitenverzweigungen ergibt.
Dadurch können die HDPE-Moleküle in einer geordneten, pseudokristallinen Struktur angeordnet werden, was dem Material seine einzigartigen mechanischen Eigenschaften verleiht. Andererseits wird Polyethylen als Werkstoffklasse in einer Reihe von Dichten hergestellt, wobei der Grad und die Form der Seitenverzweigung der Polymerkette seine Eigenschaften stark beeinflussen.
Die Unterschiede in der Herstellung führen zu verschiedenen Dichten und zu verschiedenen kommerziellen und wissenschaftlichen Bezeichnungen für Polyethylen, einschließlich HDPE.
Die Unterschiede zwischen HDPE und Polyethylen in Bezug auf die physikalischen Eigenschaften sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst:
EIGENSCHAFTEN | HDPE-WERT (METRISCH) | PE-WERT (METRISCH) |
|---|---|---|
| Dichte: | 0.933–1.27 g/cm3 | 0.915–0.96 g/cm3 |
| Shore D-Härte: | 55–69 | 42–56 |
| Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit: | 15.2–45 MPa | 8.96–54 MPa |
| Zugfestigkeit, Dehnbarkeit: | 2.69–200 MPa | 7.6–14 MPa |
Diese Unterschiede in Dichte, Härte und Zugfestigkeit verdeutlichen die besonderen mechanischen Eigenschaften von HDPE im Vergleich zu anderen Polyethylenarten.
Die Kristallinität von HDPE
HDPE ist eine spezifische Sorte innerhalb der Polyethylen-Familie und zeichnet sich durch seine hohe Kristallinität aus. Dies bedeutet, dass HDPE-Moleküle in einer geordneten, kristallinen Struktur angeordnet sind, die dem Material seine besonderen mechanischen Eigenschaften verleiht. Zur präzisen Quantifizierung der Kristallinität kann man die spezielle und patentierte Chip-DSC verwenden.
Die hohe Kristallinität von HDPE führt zu einer beeindruckenden Chemikalienresistenz und hohen Zugfestigkeit. Diese resultieren aus seiner speziellen molekularen Anordnung, die dem Material nicht nur Stärke, sondern auch eine gewisse Steifigkeit verleiht. Daher ist HDPE in Anwendungen wie Rohrleitungssystemen, Verpackungen und dem Boots- und Kanubau gefragt.
Der Schmelzpunkt von Polyethylen hoher Dichte
Ein zentrales physikalisches Merkmal von HDPE ist sein Schmelzpunkt, der sich typischerweise im Bereich zwischen 120°C und 180°C bewegt.
Eine gängige Methode zur Bestimmung des Schmelzpunkts ist der Einsatz eines Dynamischen-Differenzialkalorimeters, auch DSC genannt.
Dies prädestiniert das Material für diverse industrielle Fertigungsmethoden. Ein gutes Beispiel hierfür ist der Extrusionprozess zur Herstellung von Flaschen und Behältern. Im Zuge dieses Verfahrens wird das HDPE auf etwa 150°C bis 160°C, also nahe an seinem Schmelzpunkt, erhitzt, wodurch es formbar wird. Danach wird es in eine Form geblasen und abgekühlt, wobei es seine endgültige Gestalt annimmt.
Dank dieses spezifischen Temperaturbereichs behält HDPE während dieser Verarbeitung eine hohe Robustheit und Dichtigkeit – Eigenschaften, die insbesondere für Verpackungen von Reinigungsmitteln oder Motorölen essenziell sind.
Die Robustheit und Glasübergangstemperatur von HDPE
Die Robustheit von HDPE bei hohen Temperaturen eröffnet Möglichkeiten für Anwendungen, bei denen das Material extremen thermischen Bedingungen ausgesetzt ist, ohne an Struktur oder Funktionalität zu verlieren.
Ein Paradebeispiel sind Geothermie-Rohrleitungssysteme. Bei diesen Systemen zirkuliert heiße Erdwärme, die je nach Tiefe und Region Temperaturen zwischen 50°C und 370°C erreichen kann, aus dem Untergrund, um Gebäude zu beheizen oder Elektrizität zu erzeugen. HDPE-Rohre sind in dieser Umgebung präsent, da sie heißen Flüssigkeiten widerstehen, ohne ihre Form zu verlieren oder zu brechen.
Dieses thermische Durchhaltevermögen macht HDPE ebenfalls zur ersten Wahl bei anderen Anwendungen, wie etwa Fußbodenheizsystemen, bei denen warmes Wasser durch die Rohre fließt und so für eine angenehme Raumtemperatur sorgt.
Die Glasübergangstemperatur (Tg) von Polyethylen hoher Dichte (HDPE) liegt in der Regel zwischen etwa -100°C und -130°C.Diese niedrige Tg bedeutet, dass HDPE bei Temperaturen unterhalb dieses Bereichs in einem starren und harten Zustand bleibt.
Die Glasübergangstemperatur ist die Temperatur, bei der ein amorphes Polymer von einem harten, glasartigen Zustand in einen weichen, gummiartigen Zustand übergeht oder umgekehrt.
Bei HDPE findet dieser Übergang bei sehr niedrigen Temperaturen statt, was seine hohe Steifigkeit und Sprödigkeit im glasartigen Zustand widerspiegelt. Mit der Chip-DSC lässt sich auch die Temperatur, bei der der Glasübergang stattfindet, genau bestimmen.
Die Tg von HDPE ist deutlich niedriger als die anderer Polymere, so dass es sich für Anwendungen eignet, die ein Verhalten bei niedrigen Temperaturen erfordern. Die Kenntnis der Tg von HDPE ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, bei denen die mechanischen Eigenschaften und die Leistung bei unterschiedlichen Temperaturen eine wichtige Rolle spielen.
Verschiedene HDPE-Arten
Es gibt verschiedene Sorten von HDPE, abhängig von Molekulargewicht und Verzweigung. Die Zahlen hinter dem HDPE, wie “500”, “300” oder “1000”, repräsentieren typischerweise das Molekulargewicht in Tausenden.
Das bedeutet, dass HDPE 500 ein durchschnittliches Molekulargewicht von etwa 500.000 hat, HDPE 300 etwa 300.000 und HDPE 1000 etwa 1.000.000.
Ein höheres Molekulargewicht kann zu erhöhter Festigkeit, Zähigkeit und Chemikalienbeständigkeit führen, je nach spezifischer Formulierung und Herstellungsmethode.
Einige der verbreiteten Sorten sind:
- HDPE 500:
- Dieser Typ, mit einem Molekulargewicht um die 500.000, ist bekannt für seine hohe Schlagfestigkeit und wird häufig im Kanu- und Bootsbau verwendet. Aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber der Salzwasserkorrosion und seiner robusten Natur sind Boote und Kanus, die aus HDPE 500 gefertigt werden, langlebig und benötigen wenig Wartung.
- HDPE 300:
- Dieser Typ, mit einem Molekulargewicht um die 300.000, ist gängig für die Lebensmittelverpackung. Seine Beständigkeit gegenüber Chemikalien und sein geringes Wasseraufnahmevermögen sorgen dafür, dass Lebensmittel frisch bleiben und Verunreinigungen vermieden werden. Außerdem ist HDPE 300 FDA-konform, was bedeutet, dass es sicher für den Kontakt mit Lebensmitteln ist.
- HDPE 1000:
- Mit einem Molekulargewicht um die 1.000.000 wird dieser Typ wegen seiner hohen Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegen chemische Einflüsse häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt. Ein Beispiel ist die Herstellung von Gleitlagern oder Verschleißschienen in Fördersystemen, da diese Teile einer ständigen Reibung ausgesetzt sind.
Je nach den spezifischen Anforderungen einer Anwendung, sei es Beständigkeit gegen UV-Strahlung, mechanische Belastbarkeit oder Lebensmitteleignung, kann eine bestimmte HDPE-Sorte ausgewählt werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Dies verdeutlicht die Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit von HDPE in verschiedenen industriellen und kommerziellen Bereichen.
Vorteile der Verwendung von Polyethylen hoher Dichte
- Chemische Beständigkeit
- Lebensmittelecht
- UV-Beständigkeit
- Feuchtigkeitsresistenz
- Langlebigkeit und geringes Gewicht
- Recycelbarkeit
- Vielseitigkeit
