Polyolefine
Polyolefine (Polyalkene) sind Polymere, die aus Alkenen (früher auch Olefine genannt) wie Ethylen, Propylen, 1-Buten oder Isobuten durch Kettenpolymerisation hergestellt werden.[1][2] Bei den Polyolefinen handelt es sich um gesättigte Kohlenwasserstoffe, welche die mengenmäßig größte Gruppe der Kunststoffe stellen. Es sind teilkristalline Thermoplaste, die sich leicht verarbeiten lassen. Sie zeichnen sich durch gute chemische Beständigkeit und elektrische Isoliereigenschaften aus.
Polyolefine stellen fast die Hälfte des gesamten produzierten Kunststoffes dar. So betrug 2020 mit 11,2 Millionen Tonnen der Anteil an Polyolefinen etwa 47 % des europäischen Gesamtjahresverbrauchs an Kunststoff von 24,1 Millionen Tonnen.[3] Im Jahr 2024 betrug die weltweite Polyolefinproduktion etwa 230 Millionen Tonnen.[4] Der Weltjahresumsatz mit Polyolefinen wird für das Jahr 2025 auf etwas mehr als 280 Milliarden US-Dollar geschätzt.[5]
Geschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Das erste Polyolefin wurde 1933 in den Laboren von Imperial Chemical Industries (ICI) zufällig entdeckt, als Reginald Oswald Gibson bei Hochdruckexperimenten mit Ethylen einen weißen, wachsartigen Belag entdeckte, der sich als Polyethylen herausstellte. Nach mehreren erfolglosen Versuchen gelang es 1935 schließlich die erste gezielte Herstellung, ausgelöst durch eine kleine Sauerstoffmenge, die unbeabsichtigt in den Reaktor gelangte. Bereits 1939 nahm eine erste industrielle Produktionsanlage den Betrieb auf. Während des Zweiten Weltkriegs spielte Polyethylen wegen seiner guten Isolationseigenschaften eine wichtige Rolle in der Radartechnik der Alliierten, und nach Kriegsende verbreitete sich insbesondere das Hochdruckpolyethylen rasch im zivilen Einsatz.[6]
In den 1950er-Jahren folgten entscheidende Fortschritte in der Polymerchemie. S entwickelten 1953 mehrere Forschungsteams nahezu gleichzeitig Verfahren zur Niederdruckpolymerisation von Ethylen, darunter die Phillips Petroleum Company, Standard Oil of Indiana sowie Karl Ziegler vom Max-Planck-Institut für Kohleforschung. Aufbauend auf Zieglers Arbeiten entwickelte Giulio Natta ein Verfahren zur Polymerisation weiterer Olefine und zur stereoregulierten Herstellung von Kunststoffen wie Polypropylen, wodurch sich die Eigenschaften der Materialien gezielt steuern ließen.[6]
In den folgenden Jahrzehnten wurde die Vielfalt der Polyolefine weiter ausgebaut. 1967 ergänzte ICI das Sortiment um ein transparentes Spezialpolymer, während 1977 die Union Carbide Corporation ein neues Gasphasenverfahren entwickelte, mit dem sich lineares Polyethylen niedriger Dichte herstellen ließ. Diese Materialklasse, an der zuvor bereits unter anderem Du Pont Canada gearbeitet hatte, gewann daraufhin weltweit große Bedeutung in Forschung und Industrie.[6]
Rohstoffe
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die Rohstoffe Ethen, Propen sowie die C4-Olefine stammen überwiegend aus petrochemischen Steamcracker-Prozessen.[7] Nachwachsende Rohstoffe wie Ethanol aus Zuckerrohr stellen regional eine weitere Quelle für Ethen durch Dehydratisierung dar.[8]
α-Olefine wie 1-Hexen stammen unter anderem aus dem SHOP-Prozess durch Oligomerisierung von Ethen.[9]
Herstellung
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]| Rang | Unternehmen | Land | Jahreskapazität in Mio. Tonnen, gerundet |
|---|---|---|---|
| 1 | Sinopec | China | 14,1 |
| 2 | ExxonMobil | USA | 13,2 |
| 3 | LyondellBasell | Niederlande | 11,7 |
| 4 | Dow Chemical | USA | 9,8 |
| 5 | Sabic | Saudi-Arabien | 8,7 |
| 6 | Braskem | Brasilien | 8,0 |
| 7 | CNPC | China | 7,4 |
| 8 | OMV | Österreich | 6,3 |
| 9 | Ineos | Großbritannien | 5,1 |
| 10 | Reliance | Indien | 5,0 |
Für die Herstellung von Polyolefinen gibt es mehrere industrielle Verfahren. Sie unterscheiden sich vor allem durch Druck, Temperatur, Reaktionsmedium und eingesetzte Katalysatoren. Die Ausgangsmonomere der Polyolefine – meist Propen und Ethen – sind bei Zimmertemperatur gasförmig, bilden bei ihrer Verkettung (Polymerisation) lange Molekülketten, die so genannten Polymere.
Je nach Ausgangsstoff und Herstellungsverfahren unterscheidet man verschiedene Polyolefine. Die wichtigsten sind Low-Density-Polyethylen (LDPE), Lineare Low-Density-Polyethylen (LLDPE), High-Density-Polyethylen (HDPE) und Polypropylen (PP). Daneben sind Die Polymerisation erfordert je nach Verfahren zum Teil hohe Temperaturen, oftmals hohen Druck sowie den Einsatz eines Katalysatorsystems. Als Katalysatoren dienen gewöhnlich Mischungen aus Titan- und Aluminiumverbindungen.[11][12]
Für die Herstellung von Polyolefinen (z. B. Polyethylen oder Polypropylen) gibt es mehrere industrielle Verfahren. Sie unterscheiden sich vor allem durch Druck, Temperatur, Reaktionsmedium und eingesetzte Katalysatoren. Im Laufe der Zeit haben sich vier grundlegende Verfahrensarten etabliert. Als Katalysatoren werden seit den 1950er Jahren Ziegler-Natta- und Phillips-, seit den 1980er Jahren Metallocen- und seit den 1990er Jahren Übergangsmetallkatalysatoren eingesetzt.[13]
Das klassische Verfahren zur Herstellung von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) ist die Hochdruck-Radikalpolymerisation. Dabei wird Ethylen bei sehr hohem Druck (oft über 1000 bar) und hoher Temperatur polymerisiert. Die Reaktion wird durch Radikale gestartet (zum Beispiel Sauerstoff oder Peroxide), wodurch stark verzweigtes Polyethylen mit relativ niedriger Dichte und hoher Flexibilität entsteht.[11][6]
Bei der Niederdruck-Polymerisation reagieren die Monomere bei deutlich niedrigerem Druck, aber mit speziellen Katalysatoren. Damit lassen sich Struktur und Eigenschaften des Kunststoffs viel gezielter steuern. Von dieser Syntheseart existieren mehrere technische Varianten. Beim Suspensions- bzw. Slurry-Verfahren entsteht das Polymer in einem flüssigen Medium, in dem es nicht löslich ist und in Form feiner Partikel ausfällt. Dieses Verfahren wird häufig genutzt für HDPE und manche Polypropylen-Typen benutzt. Beim Gasphasen-Verfahren liegen die Monomere gasförmig vor und reagieren mit festen Katalysatoren. Das entstehende Polymer fällt dabei direkt als Pulver an. Dieses Verfahren ist besonders energieeffizient, ist heute weit verbreitet und zum Beispiel für LLDPE, HDPE und Polypropylen eingesetzt. Beim Lösungsverfahren wiederum sind Monomer und Polymer während der Reaktion in einem Lösungsmittel gelöst. So lassen sich Reaktionsbedingungen sehr gut kontrollieren, was vor allem für Polyolefine mit speziellen Eigenschaften (zum Beispiel HDPE und LLDPE) genutzt wird.[6]
Das Metallocen- und moderne Single-Site-Katalyseverfahren sind Weiterentwicklungen der Niederdruckverfahren mit speziellen Katalysatoren. Sie ermöglichen eine sehr gleichmäßige Molekülstruktur und damit spezielle Materialeigenschaften (zum Beispiel Elastizität oder Transparenz) zu erreichen.[6]
Endprodukte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Die wichtigsten Vertreter dieser Kunststoffgruppe sind das Polyethylen (PE), das Polypropylen (PP) und das Polymethylpenten (PMP). Weiterhin sind Polyisobutylen (PIB) und Polybutylen (PB, Polybuten-1) industriell hergestellte und eingesetzte Polyolefine.[6][11]
Aus Low-Density Polyethylen (LDPE / PE-LD) werden Folien, Blasfolien, Schrumpffolien, Schrumpfschläuche, Beschichtungen und Verpackungen hergestellt. Aus Linear-Low-Density Polyethylen (LLDPE / PE-LLD) werden hauptsächlich Verpackungen und Kunststoffbehälter hergestellt. High-Density Polyethylen (HDPE / PE-HD) ist ein Rohstoff für die Herstellung von Behältern, Spielzeug sowie Benzintanks, Rohren und Haushaltswaren. Polypropylen (PP), vor allem isotaktisches Polypropylen, wird als Verpackung im medizinischen sowie Lebensmittelbereich, für Fasern, Rohre sowie Boden- und Wandbeläge verwendet.[14]
Weblinks
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Einzelnachweise
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]- ↑ James L. White, David Choi: Polyolefins: Processing, Structure Development, and Properties, Hanser Gardner Publications, 2005.
- ↑ Cornelia Vasile: Handbook of Polyolefins, 2. Auflage, CRC Press, 2000.
- ↑ Polyolefine. Kunststoff-Deutschland, abgerufen am 16. Juni 2020.
- ↑ Market Growth Reports: Bericht über Marktgröße und Einblicke in Polyolefine bis 2035, abgerufen am 28. Februar 2026.
- ↑ Fortune Business Insights Source: Größe, Anteil und Wachstum des Polyolefin-Marktes - Globaler Bericht bis 2034, abgerufen am 28. Februar 2026.
- ↑ a b c d e f g Hans Domininghaus, Peter Eyerer, Thomas Hirth: Kunststoffe. Springer Berlin Heidelberg, 2007, ISBN 978-3-540-26433-0, S. 455 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ Tarsilla Gerthsen: Chemie für den Maschinenbau. Univ.-Verlag Karlsruhe, 2014, ISBN 978-3-86644-080-7, S. 25 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ Oliver Türk: Stoffliche Nutzung nachwachsender Rohstoffe. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2013, ISBN 978-3-8348-2199-7, S. 431 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ Klaus Weissermel, Hans-Jürgen Arpe: Industrial Organic Chemistry. Wiley-VCH, 2003, ISBN 3-527-30578-5, S. 77 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ OMV, OMV Capital Market Story, November 2021, S. 26, abgerufen am 21. November 2025
- ↑ a b c TU Chemnitz: Polymerisationsmethoden Transition metal-catalyzed polymerizations of Polyolefines, abgerufen am 2. März 2026.
- ↑ Dominique Sauter, Mostafa Taoufik, Christophe Boisson: Polyolefins, a Success Story. In: Polymers. Band 9, Nr. 6, 2017, ISSN 2073-4360, S. 185, doi:10.3390/polym9060185, PMID 30970864 (mdpi.com).
- ↑ Polyolefin Fibres. Woodhead Publishing, ISBN 978-0-08-101251-2, S. 452 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- ↑ Bernd Schröder: Kunststoffe für Ingenieure. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2014, ISBN 978-3-658-06399-3, S. 19 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).