Polyethyleen kunststof: Alledaagse toepassingen, typen en eigenschappen

De 101 over dit alomtegenwoordige moderne materiaal

Polyethyleen is verreweg de meest voorkomende soort consumentenkunststof en wordt in veel alledaagse materialen gebruikt. Het is een thermoplastisch product, wat betekent dat het gesmolten kan worden tot een vloeistof en daarna weer afgekoeld tot een vast stof, veel keren over. Verschillende verwerkingsomstandigheden geven aanleiding tot verschillende kwaliteiten van polyethyleen die voor heel verschillende doeleinden gebruikt kunnen worden — van flexibele clingfolie aan de ene kant van het spectrum, tot harde bollard-behuzingen aan de andere.

Een van de meest aantrekkelijke eigenschappen van polyethyleen is de duurzaamheid. Het is bestendig tegen vervaging en afscheuring, terwijl het ook ondoorlatend is voor veel chemische stoffen, zoals zuren en bijtende oplossingen. Polyethyleen is een uitstekende elektrische isolator. Het behoudt zijn eigenschappen in extreme koude omstandigheden, maar kan gesmolten worden bij hoge temperaturen.

Polyethyleen kunststof: Een Koolstof-Waterstof molecuul

Moleculaire structuur en algemene eigenschappen

Polyethyleen bestaat uit koolwaterstofketens met de meest basale component het ethyleenmolecuul, bestaande uit 2 koolstof en 4 waterstof atomen. Wanneer ethyleenmoleculen gecombineerd worden in rechte of vertakte ketens, ontstaat polyethyleen. Dit proces omvat het splitsen van de dubbele binding tussen de 2 koolstofatomen en het creëren van een vrije radicaal om te koppelen aan het volgende ethyleenmolecuul. De macromoleculen zijn niet covalent verbonden, maar worden samengehouden in een kristallijne structuur door intermoleculaire krachten. Hoe lager het aantal zijtakken, hoe lager de kristallijnheid en dus de hogere dichtheid, zoals te observeren in de verschillend eigenschappen voor verschillende typen polyethyleen.

Polyethyleen is weerbestendig maar kan broos worden bij langdurige blootstelling aan zonlicht. Deze beperking kan overwonnen worden door de toevoeging van UV-stabilisatoren. Het kan ontbrand en zal branden nadat de ontbrandingsbron is verwijderd met een gele-getinte blauwe vlam, wat ervoor zorgt dat de kunststof druipt. De oppervlakte-eigenschappen van polyethyleen voorkomen dat het aan elkaar geklebt of geïmprimeerd kan worden zonder voorbehandeling. Polyethyleen kan transparant, melkig-doezelig, of doezelig zijn, afhankelijk van de graad van het materiaal, de dikte van het product, en de aanwezigheid van additieven.

Classificaties van polyethyleen

Laag-dichtheid polyethyleen (LDPE) wordt gevormd met zowel lange als korte takken in de polymere ketens. De aanwezigheid van deze takken houdt de ketens ervan tegen te strak bij elkaar te pakken, wat LDPE een flexibiliteit geeft die het geschikt maakt voor toepassingen zoals plastic zakken, draadisolatie en plastic folie. LDPE is uiterst bestendig tegen de meeste chemicaliën inclusief zuren, basen, alcoholen, aldehyden, ketonen en plantaardige oliën. Het heeft ook een heel lage waterabsorptie.

Lineair laag-dichtheid polyethyleen (LLDPE) is vergelijkbaar met LDPE, maar bestaat grotendeels uit lineaire ketens met veel korte zijtakken. Het wordt vaak geproduceerd met copolymerisatie van ethyleen met alfa-olefinen zoals 1-buteen, 1-hexen en 1-octeen. De kenmerken van het eindproduct kunnen gemanipuleerd worden door de bestanddelenformule aan te passen.

Hoog-dichtheid polyethyleen (HDPE) bestaat voornamelijk uit rechte ketensmoleculen die samengehouden worden door intermoleculaire krachten. De afwezigheid van zijtakken zorgt ervoor dat de ketens strak samengepakt zijn. Deze hoge dichtheid resulteert in een product dat matig stijf is, wat het geschikt maakt voor toepassingen zoals snijplanken, sapverpakkingen, plastic hout en speelgoed. HDPE heeft een goede chemische weerstand, en blijft zacht bij zeer lage temperaturen (-76 graden Fahrenheit). Het heeft een wasachtige oppervlakte tekstuur, die weerbestendig is.

Ultrahoog molecuulgewicht polyethyleen (UHMWPE) heeft extremelijk lange ketens en kan gesponnen worden in draden met een hogere trekkracht dan staal. De kracht van de intermoleculaire krachten tussen de lange rechte ketens creëert een stevig materiaal met een zeer hoge impactssterkte. Het wordt gebruikt in toepassingen zoals kogelvrije jassen. Als andere polyethyleen typen, is UHMWPE bestendig tegen de meeste chemicaliën, met uitzondering van oxidiserende zuren. Het heeft ook een lage vochtabsorptie, maar de zelf-smeerende eigenschappen maken het uiterst bestendig tegen slijtage.

De American Society for Testing and Measurement (ASTM) stelt specificaties vast voor diverse graden van polyethyleen inclusief specificaties voor diverse toepassingen. De belangrijkste eigenschappen van de verschillende graden van polyethyleen zijn gegeven in de volgende tabel:

Hoe wordt polyethyleen kunststof gemaakt?

De basale bouwsteen voor polyethyleen is hetetheenmolecuul, bestaande uit 2 koolstofatomen en 4 waterstofatomen. Etheen wordt gevonden in aardgas en wordt ook geproduceerd tijdens de raffinage van ruwe olie. Een van de producten van de eerste fase van olieraffinage is Naphtha, welke verwerkt wordt door een katalytische cracker om hogere octaan materialen te produceren. Dit kraakproces produceert ook etheen, welke gescheiden wordt van andere producten voor verdere verwerking tot polyethyleen. Etheen is een gas.

Er zijn verschillende verwerkingsmethoden voor polyethyleen volgens de graad van het te genereren product.

LDPE wordt gemaakt door het etheengas te comprimeren tot een druk van 50.000 psi, waarna het afgekoeld wordt en in een reactor gevoerd. Een initiator wordt aan de reactor toegevoegd, wat de polymerisatiereactie doet plaatsvinden. Constante agitatie van het materiaal in de reactor zorgt voor een maximale conversiesnelheid. Na reactie, ongebruikt etheen gescheiden van het product en gerecycled terug naar de compressor. Het polymeer geëxtrudeerd, in pellets gesneden, en gedroogd voordat het in opslagsilos gaat. Pellets worden meestal in zakken verpakt voor verzending naar klanten waar ze gesmolten en verwerkt zullen worden tot eindconsumentenproducten.

HDPE wordt gemaakt in een katalytisch proces, wat het productieproces van polyethyleen in staat stelt om plaats te vinden bij lagere temperaturen en drücken. Ziegler-Natta en chroom katalysatoren waren de vroege katalysatoren gebruikt, maar nieuwere typen katalysatoren worden constant ontwikkeld om productieprocessen en productkenmerken te verbeteren. Sommige processen mengen zelfs verschillende typen polyethyleen in één batch, wat de lijnen vervaagt wat eens duidelijke productgraden waren.

LLDPE wordt ook geproduceerd in een katalytisch proces met de toevoeging van co-polymere zoals alfa-olefinen (butaan, hexaan). De moleculaire structuur van LLDPE is een lange ketting met veel korte takken.

UHMWPE wordt geproduceerd met behulp van metallocene katalysatoren, wat resulteert in extremelijk lange koolwaterstofketens (meer dan 100.000 monomeer component moleculen). Een secundair proces genaamd gel-spinning neemt een verwarmde gel van UHMWPE en extrudeert het door een spinnaret. Het product wordt gekoeld in een waterbad. Dit spinningsproces levert een vezel met een hoge graad van moleculaire orientatie (95%), wat de extreme hoge trekkracht geeft.

Kunststofvormgeving met polyethyleen

Polyethyleen komt uit de fabriek in pelletvorm en is gegraderd volgens de specificaties. Klanten gebruiken deze pellets als grondstoffen in hun eigen productieprocessen, die omvatten het smelten ervan door warmte en druk toe te passen, en het vloeibare kunststof in zijn eindvorm te gieten. Er zijn diverse methoden van vormgeving van polyethyleen afhankelijk van de graad van grondstof en het type vereist eindproduct:

1. Injectiegieten
   Injectiegieten is een van de twee meest voorkomende methoden voor het maken van eindproducten uit polyethyleen. Pellets worden in een verwarmde cilinder gevoerd waar een draaiende schroef het smeltende kunststof door een poort in een mal duwt. Een vaste hoeveelheid polyethyleen wordt geïnjiceerd bij een hoge druk van 10.000-30.000 psi. Eenmaal de injectie compleet is, wordt de mal afgekoeld voordat het geopend wordt en het eindproduct verwijderd. Dit is het typische proces gebruikt om massaproductie artikelen zoals emmers en flesdoppen te fabriceren.
2. Blasvormen (Blow molding)
   Blasvormen wordt gebruikt om producten te creëren zoals flessen en spuiten, waar een holte in het product zit. In het proces van blasvormen, omvat de eerste fase het vormen van een preform om een kernpin met behulp van een standaard injectiemal. Eenmaal de preform afgekoeld, wordt het in het midden van een tweede mal geplaatst. De preform wordt opnieuw verhit en gecomprimeerde lucht wordt via de kernpin toegevoerd om het gesmolten kunststof tegen de binnenwanden van de eindmal te blazen, dus de interne holte creërend. Eenmaal afgekoeld, wordt de pin verwijderd.
3. Compressievormen
   Compressievormen wordt primair gebruikt voor thermohardende kunststoffen, die kunststoffen zijn die niet herhaaldelijk opnieuw verhit en gevormd kunnen worden. Poeders en andere materialen kunnen aan het mengsel toegevoegd worden om speciale eigenschappen te creëren of het eindproduct te versterken. In dit proces wordt het kunststof gevormd door verwarmde platen die druk uitoefenen op het kunststof. De korte cyclus tijd in dit proces maakt het aantrekkelijk voor hoog-volume toepassingen zoals onderdelen voor de auto-industrie.
4. Transfervormen
   Transfervormen omvat het verwarmen van het kunststof tot de vloeibare toestand voordat het overgebracht wordt naar een compressievormproces. Wanneer er veel kleine gaten of metaalinlagen zijn, vormt het vloeibare kunststof makkelijker om deze heen zonder de uitlijning te verstoren.
5. Folievormen (Film insert molding)
   Dit proces omvat het invoegen van een folie of stofmateriaal in een injectiemal voor het injecteren van het kunststof, zodat de folie gevangen zit in het eindproduct.
6. Extrusie
   Naast injectiegieten is extrusie een van de meest populaire methoden om polyethyleen in een gewenste vorm te brengen. Pellets worden via een houder in een verwarmde kamer gevoerd, waar een schroef het smeltende kunststof voorwaarts drijft. Aan het einde van de verwarmde kamer is een mondstuk, dat het kunststof vormgeeft als het in de atmosfeer emergeert. Dit proces wordt gebruikt om continue vellen, buizen, kabels, pijpen, en meer te creëren. Het eindproduct landt op een transportband waar het door lucht afgekoeld wordt (soms geassisteerd door blaaizers). Het product kan ook in water ingevoegd worden om het afkoelproces te versnellen.
7. Gas-injectiegieten
   Bij gas-injectiegieten wordt een standaard injectiegietproces verbeterd door een additionele stap. De mal wordt gevuld tot 70% van het totale benodigde gesmolten kunststof, waarna gas in de kamer gepompt wordt om het kunststof in het einde van de mal te duwen. Het netto effect is dat het eindproduct een holle kern heeft door het gas te blazen, en minder kunststof gebruikt wordt.
8. Rotatiemalen
   Poederkunststof wordt in een holle mal geplaatst en bevestigd aan een roterende naaf. De naaf roteert op 2assen binnen een oven, wat ervoor zorgt dat het kunststof smelt en de interne wanden van de mal bekleedt. De naaf blijft roteren door de afkoelcyclus, wat vaak het besproeien van water op de buitenkant van de mal inhoudt. Ten slotte wordt het eindproduct verwijderd. Het voordeel van deze methode is de eenvoud van malen, het gebrek aan benodigde druk, en het gebrek aan lassen en verbindingen in het eindproduct.
9. Structureel schuimvormen
   Gesmolten kunststof wordt geïnjiceerd in een accumulator samen met gecomprimeerd gas om een schuimeffect in het kunststof te creëren. Vanaf de accumulator wordt het geschuimde kunststof in de mal geïnjiceerd. De drukval van de accumulator naar de mal zorgt ervoor dat het kunststof expandeert en de mal vult. Na afkoeling is de huid glad, maar de interne kern is geschuimd, wat het eindproduct een hoge rigiditeit geeft.
10. Thermovormen
    Thermovormen en vacuümvormen worden bereikt door een kunststofvel te nemen, het te verwarmen tot het zacht is, en het dan over een mal te draperen. Positieve luchtdruk wordt in sommige gevallen toegepast, terwijl in anderen een vacuüm gecreëerd wordt om het kunststof tegen de mal te pressen. Na afkoeling wordt het eindproduct afgeleverd.
11. Reactie-injectiegieten
    Reactie-injectiegieten is een nieuwere technologie in het vormgeven van kunststofproducten. Het kunststof wordt gemengd met andere componenten bij een lagere temperatuur dan voor traditionele injectiegieten. Een exothermische reactie treedt op binnen de mal om het kunststof onder druk te zetten. Omdat lagere temperaturen en drücken vereist zijn, worden de productiekosten verlaagd. Glasvezel kan ook aan het mengsel toegevoegd worden om kracht toe te voegen aan het eindproduct.

Onderhoud

Polyethyleen is een heel duurzaam materiaal, dat niet gemakkelijk slijtet of verzwakt. Echter, voortdurende blootstelling aan zonlicht kan broosheid in het product over tijd veroorzaken. Voor pijpleidingen of tanks blootgesteld aan de elementen, wordt een inspectiecyclus aanbevolen om eventuele spinnenwebvorming of scheuringen door broosheid te identificeren.

De levensduur en duurzaamheid van polyethyleen producten is zo goed dat veel fabrikanten ze als onderhoudsvrij beschrijven.

Toepassingen

Polyethyleen is de meest voorkomende vorm van thermoplastisch gebruikt in consumentenproducten, en heeft een brede verscheidenheid aan toepassingen. De volgende zijn enkele van de meer veelvoorkomende gebruik:

• Voedselverpakkingsmateriaal: Omdat polyethyleen zo bestendig is tegen waterabsorptie en chemische schade, is het gecertificeerd als veilig om te gebruiken voor voedselverpakkings toepassingen.
• Medische buizen: Het gebrek aan porositeit van polyethyleen maakt het een ideaal materiaal voor katheters en andere medische producten vanwege de weerstand tegen contaminatie.
• Emmers, flessen en bakken: Vanwege de hardheid van het kunststof en de duurzaamheid onder stress, is het geschikt voor consumentenproducten.
• Kogelvrije jassen: UHMWPE vezels hebben hoge trekkrachten, maar zijn heel licht — wat ze ideaal maakt voor veiligheidstoepassingen.
• Hoog-trekkracht kabels: Ze zijn licht, dus makkelijk te installeren, maar sterk, dus nuttig in complexe industriële toepassingen.

Recycling

Kunststofproducten hebben veel slechte pers gekregen voor hun impact op het milieu, maar als met de meeste potentiële vervuillers, is het het gedrag van mensen — niet het product zelf — dat leidt tot milieuschade. Polyethyleen is niet biologisch afbreekbaar, wat het een ongeschikt materiaal maakt om te verwerken via stortplaatsen.

Echter, de eigenschappen van polyethyleen maken het ideaal voor recycling, aangezien het gesmolten en herboven kan worden in een ander product. Bovendien betekent de weerstand tegen chemische contaminatie en absorptie van vloeistoffen dat het gerecyclde product niet veel onzuiverheden bevat. Soms worden gerecyclde en virgine materialen samen gemengd in het vormingsproces van eindconsumentenproducten. Recyclenummer #2 geldt voor HDPE en #4 voor LDPE; veel recyclingfaciliteiten kunnen beide graden verwerken voor hergebruik.

Veel materialen die eerder als milieugevaren beschouwd werden (bijvoorbeeld rubber) worden nu op hogere snelheden gerecycled naarmate mensen naar duurzame levensstijlen gaan en recyclingtechnologie zich ontwikkelt.

Gerelateerde Artikelen

• Nog benieuwd? Bekijk: Wat is Polyurethaan Kunststof?
• En de kunststoffen meten zich! Zie hoe in Flexibele Bollards vs. Verkeersafscheidingen.

Bronnen

• BPF. "Plastics Processes"
• Plastics Industry. "Methods of Processing Plastic"
• Polymer Database. "Polyolefins"
• American Chemistry Council. "Lifecycle of a Plastic Product"
• ECI. "Polyethylene"
• Britannica. "Polyethylene"