Das Polyethylen (PE) ist das weltweit meistproduzierte Polymer: von Einkaufstüten zu Gasrohren, von Industrietanks zu Hüftprothesen deckt diese Materialfamilie eine extrem breite Anwendungspalette ab. Ihre Stärke liegt in der Vielseitigkeit: durch Modifizierung der molekularen Struktur erhält man Materialien mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften, von der flexiblen Folie bis zur steifen Platte, auch geeignet, um Metall in den Anwendungen mit starkem Gleiten zu ersetzen.
Für Konstrukteure und Techniker ist es grundlegend, die verschiedenen Polyethylen-Typen und ihre Eigenschaften zu kennen. Ein HDPE anstelle eines UHMW PE oder ein LDPE dort zu wählen, wo ein HDPE notwendig wäre, kann zu Komponenten führen, die sich rasch abnutzen oder die vorgesehenen Lasten nicht ertragen. Dieser Leitfaden erklärt, was Polyethylen ist, welche die wichtigsten Typologien, die wichtigsten Eigenschaften und die Anwendungen sind, mit besonderer Aufmerksamkeit für die für die Bearbeitung durch Spanabhebung geeigneten Güten.
Das Polyethylen ist ein thermoplastisches Polymer, das aus der Polymerisation des Ethylens (C₂H₄) gewonnen wird, eines aus Erdöl oder Erdgas gewonnenen gasförmigen Kohlenwasserstoffs. Seine chemische Struktur, unter den einfachsten der Polymere, besteht aus langen Ketten von Kohlenstoffatomen, die an Wasserstoff gebunden sind, ohne komplexe funktionelle Gruppen.
Aus dieser Einfachheit leiten sich seine Haupteigenschaften ab:
chemische Inertheit: das Fehlen reaktiver Gruppen gewährleistet eine gute Beständigkeit gegen Säuren, Basen, Lösungsmittel und Feuchtigkeit;
niedrige Kosten: der Rohstoff ist wirtschaftlich und der Produktionsprozess weitgehend konsolidiert;
niedrige Dichte: zwischen 0,91 und 0,97 g/cm³, macht es zu einem der leichtesten Polymere und ermöglicht ihm, auf dem Wasser zu schwimmen;
gute Bearbeitbarkeit: es kann leicht geformt, extrudiert und umgeformt werden;
Recyclingfähigkeit: es gehört zu den am meisten recycelten Polymeren, identifiziert durch die Codes 2 für das HDPE und 4 für das LDPE.
Das Polyethylen ist ein teilkristallines Polymer, gebildet aus geordneten kristallinen Zonen und ungeordneten amorphen Zonen. Der Kristallinitätsgrad, vor allem mit der Verzweigung der Ketten verbunden, beeinflusst seine Eigenschaften:
kristalliner = dichter, steifer und widerstandsfähiger;
weniger kristallin = flexibler und transparenter.
Die Unterschiede zwischen den verschiedenen PE-Typen hängen hauptsächlich von drei Parametern der molekularen Struktur ab:
Verzweigungsgrad: die linearen Ketten, mit wenigen Verzweigungen, packen sich leichter zusammen und weisen eine höhere Kristallinität und Dichte auf; die stärker verzweigten Ketten sind hingegen ungeordneter und weniger dicht;
Molekulargewicht: es gibt die Länge der Ketten an. Längere Ketten erhöhen die mechanische Festigkeit, die Verschleiß- und Schlagfestigkeit;
Dichte: eng mit dem Verzweigungsgrad verbunden, ist sie der traditionell zur Klassifizierung der verschiedenen PE-Typen verwendete Parameter.
Die Polyethylen-Familie umfasst verschiedene Güten, hauptsächlich in Abhängigkeit von der Dichte und dem Molekulargewicht klassifiziert.
Das LDPE (Low Density Polyethylene) hat eine Dichte zwischen 0,91 und 0,94 g/cm³ und weist stark verzweigte Ketten auf, eine Eigenschaft, die eine niedrige Kristallinität bestimmt. Es ist flexibel, weich, transparent und leicht bearbeitbar.
Eigenschaften: begrenzte mechanische Festigkeit, hohe Flexibilität, gute Schlagfestigkeit auch bei niedrigen Temperaturen und ausgezeichnete Verarbeitbarkeit bei der Produktion von Folien.
Typische Anwendungen: Verpackungsfolien, Beutel, flexible Behälter, Kabelisolierung, Spielzeug.
Das HDPE (High-Density Polyethylene) hat eine Dichte zwischen 0,94 und 0,97 g/cm³ und wenig verzweigte Ketten, die eine hohe Kristallinität begünstigen. Es ist steif, widerstandsfähig und undurchsichtig, mit im Vergleich zum LDPE überlegenen strukturellen Leistungen.
Eigenschaften: gute mechanische Festigkeit, ausgezeichnete chemische Beständigkeit, niedrige Permeabilität, gute Verschleißbeständigkeit und ein breiter Nutzungstemperaturbereich (−50 / +80 °C).
Typische Anwendungen: Wasser- und Gasrohre, Tanks, Zisternen, Flaschen, Kanister, Kisten, Paletten, Industrieschneidbretter, CNC-bearbeitete Komponenten und Behälter für Lebensmittel oder chemische Produkte.
Das LLDPE (Linear Low-Density Polyethylene) hat eine intermediäre Struktur. Es weist eine der des LDPE ähnliche Dichte auf, aber kurze und regelmäßige Verzweigungen, die die mechanischen Eigenschaften verbessern. Im Vergleich zum LDPE bietet es eine größere Durchstich- und Reißfestigkeit.
Anwendungen: Hochleistungsfolien, Stretchfolien, Beschichtungen und Komponenten, die Flexibilität und Zähigkeit erfordern.
Das UHMW PE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene), auch bekannt als PE1000, ist durch ein extrem hohes Molekulargewicht gekennzeichnet, im Allgemeinen zwischen 3 und 6 Millionen g/mol, im Vergleich zu indikativen Werten zwischen 50.000 und 250.000 g/mol für das HDPE. Die beträchtliche Länge der molekularen Ketten verleiht ihm besonders hohe Eigenschaften.
Eigenschaften:
sehr hohe Verschleiß- und Abriebbeständigkeit, höher als die vieler anderer Polymere und, in einigen Anwendungen, auch von metallischen Materialien;
sehr niedriger Reibungskoeffizient, der das Gleiten begünstigt und den Bedarf an Schmierung begrenzt;
ausgezeichnete Schlagfestigkeit, auch bei sehr niedrigen Temperaturen;
ausgezeichnete chemische Beständigkeit;
Biokompatibilität, die den Einsatz in spezifischen medizinischen Anwendungen ermöglicht.
Typische Anwendungen: Gleitführungen, Gleitschuhe, Rollen, Zahnräder, Buchsen, Verschleißschutzkomponenten, Beschichtungen für Trichter und Förderbänder, Industrieschneidbretter, Komponenten für die Lebensmittelindustrie und Gelenkprothesen.
Zwischen dem HDPE und dem UHMW PE liegt das PE500, das zur Familie HMW PE (High Molecular Weight Polyethylene) gehört, mit einem indikativen Molekulargewicht von etwa 500.000 g/mol. Es bietet einen guten Kompromiss zwischen der Bearbeitbarkeit des HDPE und der Verschleißbeständigkeit des UHMW PE, mit im Vergleich zum PE1000 im Allgemeinen niedrigeren Kosten.
Es wird für mechanische Komponenten verwendet, die einem moderaten Verschleiß unterliegen, Schneidbretter und Führungen, wenn die höheren Leistungen des PE1000 nicht erforderlich sind.
| Typ | Dichte (g/cm³) | Zugfestigkeit (MPa) | Max. Betriebstemp. (°C) | Steifigkeit | Verschleißbeständigkeit | Hauptanwendung |
|---|---|---|---|---|---|---|
| LDPE | 0,91-0,94 | 8-20 | ~60 | Niedrig | Niedrig | Folien, flexible Verpackungen |
| LLDPE | 0,91-0,94 | 15-25 | ~65 | Niedrig-mittel | Mittel | Hochleistungsfolien |
| HDPE | 0,94-0,97 | 15-35 | ~80 | Mittel-hoch | Gut | Rohre, Tanks, CNC-Komponenten |
| PE500 (HMW) | ~0,95 | 20-30 | ~80 | Hoch | Sehr gut | Komponenten mittlerer Verschleißschutz |
| UHMW-PE (PE1000) | 0,93-0,94 | 20-40 | ~80 | Hoch | Außergewöhnlich | Führungen, Gleitschuhe, Prothesen, extremer Verschleißschutz |
Indikative Werte, Quelle: technisches Datenblatt Weerg
Das Polyethylen weist in absoluten Werten keine besonders hohe mechanische Festigkeit auf. Sein Hauptvorteil liegt in der Kombination aus Zähigkeit, Verschleißbeständigkeit und chemischer Beständigkeit, verbunden mit begrenzten Kosten. Für das HDPE sind die indikativen Werte:
Zugfestigkeit: 15–35 MPa;
Elastizitätsmodul: 700–1.500 MPa;
Bruchdehnung: hoch, ab 40%;
Härte: etwa 60–70 Shore D.
Das UHMW PE weist eine der des HDPE ähnliche Zugfestigkeit auf, bietet aber dank des hohen Molekulargewichts deutlich überlegene Leistungen in Bezug auf die Verschleiß- und Schlagfestigkeit.
Die chemische Beständigkeit ist einer der Hauptstärken des Polyethylens:
es widersteht Säuren, Basen, Salzen, Alkoholen, Wasser und zahlreichen chemischen Substanzen;
es unterliegt nicht der Hydrolyse;
es kann von starken Oxidationsmitteln und von einigen aromatischen oder chlorierten Kohlenwasserstoffen angegriffen werden, vor allem bei hohen Temperaturen;
nicht beständig gegen UV-Strahlen ohne Stabilisierung (die Outdoor-Güten sind mit Ruß versetzt).
niedriger Reibungskoeffizient, besonders beim UHMW PE, das gute selbstschmierende Eigenschaften aufweist;
niedrige Dichte, die es zu einem der leichtesten Polymere macht und ihm ermöglicht, auf dem Wasser zu schwimmen;
ausgezeichnete elektrische Isolierungseigenschaften;
Verfügbarkeit zahlreicher für den Lebensmittelkontakt und für medizinische Anwendungen geeigneter Güten;
gute Schweißbarkeit, zum Beispiel mittels Heizelementschweißung in den HDPE-Rohrsystemen.
Während das LDPE und die Folien im Allgemeinen mittels Extrusion und Blasformen produziert werden, sind die steiferen Güten, wie HDPE, PE500 und UHMW PE (PE1000), in Form von Platten, Stangen und Blöcken verfügbar und können durch Spanabhebung bearbeitet werden.
Das steife PE ist für die Produktion von CNC-bearbeiteten mechanischen Komponenten geeignet, wenn erforderlich sind:
Verschleißbeständigkeit und niedrige Reibung, für Führungen, Gleitschuhe, Buchsen und Rollen;
chemische Beständigkeit, für aggressiven Substanzen ausgesetzte Komponenten;
Eignung für den Lebensmittelkontakt, für Schneidbretter und Teile von Lebensmittelmaschinen;
Leichtigkeit, bei den Komponenten, bei denen es wichtig ist, das Gewicht zu reduzieren;
elektrische Isolierung;
gutes Verhalten bei niedrigen Temperaturen, für Anwendungen in gekühlten oder kryogenen Umgebungen.
Das Polyethylen ist leicht bearbeitbar, erfordert aber einige Vorkehrungen:
sehr scharfe Werkzeuge, weil seine Zähigkeit Risse anstelle eines sauberen Schnitts verursachen kann;
hohe Schnittgeschwindigkeiten und moderate Vorschübe, um einen guten Oberflächenfinish zu begünstigen;
wirksame Spanabführung, da es dazu neigt, lange und kontinuierliche Späne zu bilden;
Aufmerksamkeit für die Verformungen, die auf den niedrigen Elastizitätsmodul und die hohe Wärmeausdehnung zurückzuführen sind, vor allem bei dünnen Teilen oder solchen mit engen Toleranzen;
im Vergleich zu den Metallen im Allgemeinen größere Toleranzen, aufgrund der geringeren Maßstabilität.
Das UHMW PE kann aufgrund seines sehr hohen Molekulargewichts schwerer mit sehr präzisen Finishes zu bearbeiten sein, bietet aber ausgezeichnete Leistungen in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit und die Lebensdauer der Komponente.
Weerg bearbeitet das Polyethylen hoher Dichte (HDPE) durch Spanabhebung auf CNC-Zentren. Das HDPE ist ein Referenzmaterial für mechanische Komponenten, die chemische Beständigkeit, niedrige Reibung, Eignung für den Kontakt mit Lebensmitteln und Leichtigkeit erfordern, mit Kosten, die zu den begrenztesten der bearbeitbaren technischen Polymere gehören.
Die Hauptspezifikationen der CNC-Bearbeitung des HDPE bei Weerg sind:
Toleranzen: ISO 2768-1 mittlere Klasse (m), kompatibel mit der für das Polyethylen typischen Maßstabilität;
maximale bearbeitbare Abmessungen: 500 × 500 × 90 mm;
Produktionszeiten: weniger als 4 Werktage;
sofortiges Angebot: durch Hochladen der 3D-Datei in den Konfigurator, mit automatischer Berechnung von Preis und Zeiten.
Das CNC-bearbeitete HDPE bei Weerg ist angezeigt für Schneidbretter und Komponenten für die Lebensmittelindustrie, Gleitführungen und Gleitschuhe, Verschleißschutzbuchsen, mit chemischen Substanzen in Kontakt stehende Komponenten, Tanks und technische Behälter, Isolatoren und, allgemeiner, für Anwendungen, bei denen chemische Beständigkeit, niedrige Reibung und Lebensmitteleignung einen Vorteil darstellen.
Für Anwendungen, die die hohe Verschleißbeständigkeit des UHMW PE (PE1000) oder anderer technischer Polymere erfordern, steht das technische Team zur Verfügung, um die am besten geeignete Alternative unter den im Katalog verfügbaren Materialien zu bewerten.
Wie positioniert sich das Polyethylen im Vergleich zu den anderen Polymeren für mechanische Komponenten?
PE vs POM (Delrin): das POM bietet größere Steifigkeit, Maßstabilität und Bearbeitungspräzision. Das PE, vor allem in den UHMW-Güten, gewährleistet hingegen eine bessere Verschleiß-, Schlag- und chemische Beständigkeit, mit im Allgemeinen niedrigeren Kosten.
Für Zahnräder und Präzisionskomponenten → POM;
für Verschleißschutzführungen und chemischen Agenzien ausgesetzte Teile → PE.
PE vs PA (Nylon): das Nylon weist eine höhere mechanische Festigkeit und eine überlegene Betriebstemperatur auf. Das PE bietet jedoch eine bessere chemische Beständigkeit, eine praktisch null Wasseraufnahme und einen niedrigeren Reibungskoeffizienten.
Für Strukturkomponenten → PA;
für feuchte oder chemisch aggressive Umgebungen → PE.
PE vs PTFE: das PTFE weist einen noch niedrigeren Reibungskoeffizienten und eine überlegene chemische und thermische Beständigkeit auf. Das UHMW PE bietet hingegen eine deutlich größere Verschleiß- und Schlagfestigkeit, mit begrenzteren Kosten.
Für Dichtungen und Hochtemperaturanwendungen → PTFE;
für Verschleiß und Stöße → UHMW PE.
Das Polyethylen zeigt, wie eine einfache chemische Struktur einer extrem vielseitigen Materialfamilie ihren Ursprung geben kann: von den flexiblen Folien aus LDPE zu den Rohren und Tanks aus HDPE, bis zu den Verschleißschutzkomponenten aus UHMW PE. Die Wahl der korrekten Güte, in Abhängigkeit von Dichte und Molekulargewicht, ermöglicht es, das Material an Anforderungen an Flexibilität, Steifigkeit, Verschleißbeständigkeit, Lebensmittelkontakt und chemische Beständigkeit anzupassen.
Für die CNC-bearbeiteten mechanischen Komponenten bieten HDPE, PE500 und UHMW PE eine sehr vorteilhafte Kombination aus Verschleißbeständigkeit, niedriger Reibung, chemischer Beständigkeit und Verfügbarkeit von für den Lebensmittelkontakt geeigneten Güten und behalten dabei im Vergleich zu vielen anderen technischen Polymeren wettbewerbsfähige Kosten bei.
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Der Hauptunterschied betrifft die Dichte und die molekulare Struktur. Das LDPE, mit niedriger Dichte, hat stark verzweigte Ketten und ist flexibel, weich und transparent, daher vor allem für Folien und Verpackungen geeignet. Das HDPE, mit hoher Dichte, hat wenig verzweigte Ketten und ist steifer, widerstandsfähiger und undurchsichtig, Eigenschaften, die es für Rohre, Tanks und mechanische Komponenten geeignet machen. Zusammengefasst ist das LDPE angezeigt, wenn Flexibilität und Leichtigkeit benötigt werden, während das HDPE für steifere und strukturelle Anwendungen vorzuziehen ist.
Das UHMW PE (PE1000) ist ein Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, im Allgemeinen zwischen 3 und 6 Millionen g/mol. Es bietet eine ausgezeichnete Verschleiß- und Abriebbeständigkeit, einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten, ausgezeichnete Schlagfestigkeit auch bei niedrigen Temperaturen und die Verfügbarkeit biokompatibler Güten. Es wird für Gleitführungen, Gleitschuhe, Rollen, Buchsen, Abriebschutzbeschichtungen und Gelenkprothesen verwendet. Es ist besonders in den Anwendungen angezeigt, in denen die Verschleißbeständigkeit eine vorrangige Anforderung ist.
Ja, viele Polyethylen-Güten, insbesondere HDPE und UHMW PE, sind in für den Lebensmittelkontakt geeigneten Versionen verfügbar und werden für Schneidbretter, Behälter, Verpackungen und Komponenten von Lebensmittelmaschinen verwendet. Die Eignung muss jedoch an der spezifischen Güte und der zugehörigen Zertifizierung überprüft werden, zum Beispiel gemäß der Verordnung EG 1935/2004, EU 10/2011 oder den anwendbaren FDA-Anforderungen. Das Polyethylen weist zudem eine hohe chemische Inertheit auf.
Beide gehören zur Familie der Polyethylene mit hohem Molekulargewicht, aber das PE1000 (UHMW PE) erreicht viel höhere Werte, im Allgemeinen zwischen 3 und 6 Millionen g/mol, im Vergleich zu etwa 500.000 g/mol des PE500. Das PE1000 bietet bessere Leistungen in Bezug auf Verschleiß-, Schlag- und Gleitbeständigkeit, während das PE500 eine wirtschaftlichere und etwas einfacher zu bearbeitende Lösung darstellt. Das PE1000 ist daher besser für die Anwendungen mit hohem Verschleiß geeignet, während das PE500 für weniger anspruchsvolle und kostenempfindlichere Einsätze angezeigt ist.
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