PE - Polyethylen

PE (Polyethylen) ist ein thermoplastischer Kunststoff, der im Wesentlichen aus Kohlenstoff (C) und Wasserstoff (H) besteht und aufgrund seiner hohen chemischen Beständigkeit und seiner physiologischen Unbedenklichkeit für Rohre und Verbinder zum Transport verschiedener aggressiver Medien sowie für Trinkwasserleitungen oder in der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird.

Polyethylen zeichnet sich durch eine sehr gute Recycelbarkeit aus, da für die meisten geforderten Eigenschaften keine zusätzlichen Additive wie z. B. Weichmacher hinzugefügt werden müssen. PE kann je nach Zusammensetzung für niedrige Temperaturen bis -50 °C eingesetzt werden. Die Rohre werden in der Regel extrudiert und besitzen eine sehr glatte Innenseite, welche eine hohe Durchflussrate und eine geringe Bakterienbildung garantiert. Aufgrund der guten Flexibilität, können die Rohre ähnlich wie Schläuche als Rolle ausgeliefert werden, wodurch längere Leitungen ohne Unterbrechungen verlegt werden können. Dies spart Material und Arbeitszeit ein.

Eigenschaften

Die Eigenschaften sind abhängig von der Materialzusammensetzung, lassen sich aber im Wesentlichen in folgenden Punkten zusammenfassen. Beachten Sie allerdings, dass Trinkwasserrohre auch als solche zertifiziert sein müssen oder explizit für die Trinkwasserversorgung ausgelegt sind, wenn diese in Trinkwasserleitungen verarbeitet werden sollen.

Chemische und physikalische Eigenschaften

• hohe chemische Beständigkeit gegenüber anorganischen Säuren, Salzlösungen und Laugen
• geringe Wärmeleitfähigkeit
• die sehr niedrige Glasübergangstemperatur verhindert eine Versprödung auch bei niedrigen Temperaturen
• PE lässt sich hervorragend schweißen
• physiologisch und toxikologisch unbedenklich
• UV-beständig dank beigemischtem Ruß

Mechanische Eigenschaften

• schlagfest
• geringes Gewicht, leicht und schnell zu verlegen
• hohe Zeitstand-Innendruckfestigkeit
• unempfindlich gegenüber „sackenden“ Böden
• hohe Abnutzungsbeständigkeit

Oberflächenbeschaffenheit

• abriebfest, geringer Verschleiß
• geringe Reibung und hohe Fließeigenschaften dank sehr glatten Oberflächen
• verminderte Bildung von Mikroorganismen durch glatte Oberflächen

Verarbeitung

PE kann nicht geklebt werden, weshalb die Verarbeitung der Rohre entweder über Schweißverbinder oder über Klemmverschraubungen erfolgt. Für große Wasserleitungen ab 75 mm haben sich Schweißverbinder etabliert. Auch in der öffentlichen Wasserversorgung kommen fast ausschließlich PE-Schweißverbinder zum Einsatz, da diese ebenfalls aus den in der Trinkwassertechnik verwendeten PE 100 Rohren bestehen und keine anderen Materialien mit dem Trinkwasser in Kontakt kommen. Zudem bieten Schweißfittings eine hohe Dichtheit und Langlebigkeit.

Bei der Beregnung kommen meist Klemmverbinder zum Einsatz, da für diese keine zusätzliche Schulung (wie z. B. ein Schweißschein) oder ein Schweißgerät benötigt wird. Die PE-Klemmverschraubungen bestehen größtenteils nicht aus PE, sondern aus PP oder Messing, was bei der Beständigkeit gegenüber des Mediums berücksichtigt werden muss.

Unterschiede zwischen PE-HD und PE-LD

PE-Rohre werden je nach Kristallisationsgrad des Polyethylens in verschiedene Typen unterschieden, welche entweder als Zahl (PE 32, PE 40, PE 63, PE 80, PE 100) oder als Abkürzung (PE-LD und PE-HD, manchmal auch PE-MD) angegeben werden. Diese Klassifizierung als Zahl beschreibt den Zeitstand-Innendruck, welcher für einen Zeitraum von mindestens 50 Jahren gegeben sein muss, sofern die Rohre ordnungsgemäß verarbeitet sind. Der Nachweis der Langzeitfestigkeit erfolgt nach ISO 9080 oder DIN 16887, welche die genormten Verfahrensmethoden beschreiben.

Unterschiede zwischen PE 100, PE 80 und PE 63

Eine Möglichkeit zur Unterscheidung des PE-Materials ist die Bestimmung des Zeitstand-Innendrucks. Dieser muss für einen Zeitraum von mindestens 50 Jahren erhalten bleiben und wird als Zahl angegeben. In der Praxis haben sich die Polyethylentypen PE 63. PE 80 und PE 100 durchgesetzt, auch wenn andere Materialzusammensetzungen wie etwa PE 40 möglich sind. Der Zeitstand-Innendruck wird als MRS (Minimum Required Strength) in N/mm² angegeben, was 1 MPa bzw. 10 bar entspricht. So haben Rohre aus PE 63 eine MRS von 6,3 N/mm² (63 bar).

Es handelt sich dabei allerdings nicht um den möglichen Betriebsdruck, welcher viel geringer ausfällt. Im Folgenden die gängigsten Polyethylen-Typen, die für PE-Rohre eingesetzt werden.

PE-Rohre aus PE 100 können somit bei gleicher Wandstärke für einen höheren Druck verwendet werden, wodurch Material eingespart werden kann.

Unterschiede zwischen PE-LD, PE-MD und PE-HD

Eine weitere Möglichkeit, die PE-Typen nach ihrer Zusammensetzung zu unterteilen, bietet die Klassifizierung der Rohre anhand der Dichte. LD steht dabei für low density (geringe Dichte), MD steht für medium density (mittlere Dichte) und HD steht für high density (hohe Dichte). Die Dichte ist von der Kristallisation des Polyethylens abhängig. Polymerketten sind wie lange Schnüre aufgebaut, in denen die Moleküle hintereinander aufgereiht sind. Die Ketten können dabei aus mehreren tausend Molekülen (Monomeren) bestehen, welche ungewollt Seitenarme bilden können. Je weniger Seitenarme es gibt, desto dichter liegen die Ketten aneinander.

PE-HD besitzt dabei sehr wenige Seitenketten (3 bis 5 pro 1000 Kohlenstoffatome), wodurch die Schnüre sehr eng aneinander liegen. Das Polyethylen besitzt dadurch eine kristallartige (kristallin) Struktur, was die Dichte erhöht, da mehr Atome in einem gegebenen Volumen passen. Zudem ist die Bindung zwischen den Atomen höher, wodurch sich auch die Härte und die Schmelztemperatur erhöht.

PE 100 stellt den aktuellen Standard in der Polyethylenherstellung dar und löst die älteren Typen PE 63 und PE 80 welche immer noch als preiswerte alternative Hergestellt werden in der Trinkwassertechnik ab. PE 63 und PE 80 waren die Vorgänger, welche technisch bedingt noch nicht anders in großen Maßstäben hergestellt werden konnten.

Die Klassifizierung des Polyethylens anhand der Dichte ist wie folgt:

	PE 100 (PE-HD)	PE 80 (PE-HD/PE-MD)	PE 63 (PE-LD)
Dichte	Hohe Dichte (0,94 - 0,97 g/cm³)	Mittlere bis hohe Dichte (0,93 - 0,94 g/cm³)	Niedrige Dichte (0,915 - 0,935 g/cm³)
Schmelzpunkt (DSC)	128 - 136 °C	125 - 128 °C	106 - 118 °C
Struktur
Kristallisationsgrad	55 % - 75 %	50 % - 55 %	35 % - 50 %

Je nach Einsatzbereich herrschen verschiedene Ansprüche an das Material. In der Beregnungstechnik kommen häufig auch Rohre aus PE 80 oder PE 63 zum Einsatz, da diese etwas weicher sind und häufig besser verlegt werden können, als PE-Rohre aus PE 100. PE 100 hingegen ist heute der Standard in der Trinkwassertechnik.

Weitere PE-Zusammensetzungen sind wie folgt, wobei die Liste nicht vollständig ist:

• PE-LLD (LLDPE): lineares Polyethylen niederer Dichte, dessen Polymermolekül nur kurze Verzweigungen aufweist. Diese Verzweigungen werden durch Copolymerisation von Ethen und höheren a-Olefinen (typischerweise Buten, Hexen oder Okten) hergestellt.
• PE-HMW: hochmolekulares Polyethylen. Die Polymerketten sind länger als bei PE-HD, PE-LD oder PE-LLD, die mittlere Molmasse liegt bei 500 bis 1000 kg/mol.
• PE-UHMW: ultrahochmolekulares Polyethylen mit einer mittleren Molmasse von bis zu 6000 kg/mol und einer Dichte von 0,93 bis 0,94 g/cm³.

Herstellung und Struktur von PE

Polyethylen (PE) wird wie fast alle Kunststoffe durch die Polymerisation von einfachen Monomeren (Grundbausteinen) zu langkettigen Polymeren (Makromoleküle) polymerisiert. Die Polymerisation ist ein Reaktionsprozess, bei dem die Moleküle mittels spezieller Katalysatoren ihre Doppelbindungen aufheben und sich aneinander reihen. Als Monomer kommt im Falle von Polyethylen, wie der Name schon sagt, Ethylen (C₂H₄) zum Einsatz. Die Kettenlänge variiert, beträgt aber bei PE-HD bis zu 50.000 Ethylenmoleküle pro Kette.

Die Strukturformel von Ethylen sieht wie folgt aus. Die Doppelbindung befindet sich zwischen den beiden Kohlenstoffatomen des Ethylens.

      H     H
      |     | 
      C  =  C
      |     |
      H     H

Nach der Polymerisation zu Polyethylen (Teilausschnitt aus einer Polymerkette)

      H      H
      |      | 
··· - C  -   C - ···
      |      |
      H      H