Polyethylen (Kurzzeichen PE) ist ein durch Kettenpolymerisation von zumeist petrochemisch erzeugtem Ethen hergestellter thermoplastischer Kunststoff.
PE ist in der Regel eine Mischung ähnlicher Polymere des Ethen in der Form (C2H4)n.
Polyethylen gehört zur Gruppe der Polyolefine und ist teilkristallin und unpolar. Es ist der weltweit mit Abstand am häufigsten verwendete Standardkunststoff und wird zur Herstellung von Folien, Verpackungen und Rohrleitungen verwendet.
Alle Polyethylentypen zeichnen sich durch hohe chemische Beständigkeit, gute elektrische Isolationsfähigkeit und ein gutes Gleitverhalten aus. Höherwertige Typen sind sehr zäh, während die Oberflächenhärte nur mäßig ist.
Aufgrund der Widerstandsfähigkeit gegen chemische, physikalische und mikrobielle Zersetzung sind die Produkte aus Polyethylen sehr verwitterungsresistent und tragen wesentlich zur Umweltverschmutzung durch Plastik bei.
Polyethylen ist mit einem Anteil von ca. 38 Prozent der weltweit am meisten verbrauchte Kunststoff. Im Jahr 2011 wurden 190 Millionen Tonnen Kunststoffe (Polypropylen, Polystyrol, ABS, PVC, PET, Polycarbonat, Polyethylen) verbraucht. PE-LD hatte daran einen Anteil von 10 Prozent, PE-LLD von 11 Prozent und PE-HD von 17 Prozent.
Dieses Material wird vor allem in der Folienproduktion eingesetzt. Typische Produkte für PE-LD sind Frischhaltefolien, Tragetaschen, landwirtschaftliche Folien, Milchkartonbeschichtungen, Müllsäcke und Schrumpffolien. Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Verwendung als Siegelmedium in Verbundfolien. In geringem Umfang werden PE-LD und PE-LLD auch zur Herstellung von Kabelummantelungen, als Dielektrikum in Koaxialkabeln und für Rohre und Hohlkörper verwendet. PE-LLD wird hauptsächlich bei Stretchfolie, Folien für Industrieverpackungen, Dünnwandbehältern und für hochleistungsfähige Beutelfolien eingesetzt. Im Jahr 2009 wurde weltweit PE-LD für rund 15,9 Milliarden Euro (22,2 Milliarden US-Dollar) verkauft. Der Weltmarkt für PE-LLD erreichte knapp unter 17 Milliarden Euro (24 Milliarden US-Dollar).
Wichtigstes Anwendungsgebiet sind im Blasformverfahren hergestellte Hohlkörper, beispielsweise Flaschen für Reinigungsmittel im Haushalt, aber auch großvolumige Behälter mit einem Fassungsvermögen von bis zu 1000 l (IBC). Über 8 Millionen Tonnen, also fast ein Drittel der weltweit produzierten Menge, wurden im Jahr 2007 für dieses Anwendungsgebiet verwendet. Vor allem China, wo erst 2005 Getränkeflaschen aus HDPE eingeführt wurden, ist wegen seines steigenden Lebensstandards ein wachsender Absatzmarkt für starre HDPE-Verpackungen. Durch Extrusion hergestellte HDPE-Platten und HDPE-Folien werden zudem tiefgezogen und in der Verpackungsindustrie verwendet. Außerdem wird PE-HD zu Spritzgussteilen, z. B. Verpackungen und Haushaltswaren, sowie auch zu technischen Artikeln verarbeitet. Fasern, Folien und Rohre aus Polyethylen werden im Extrusionsverfahren und Vakuumverfahren hergestellt. Aus PE-HD werden auch Folien für Wasserbau und Deponiebau hergestellt sowie Geogitter und Geovliese für den Deponiebau oder den Straßen- und Böschungsbau.Ein weiteres Einsatzgebiet, das besonders in den Schwellenländern stark wächst, sind Kabelleitungen und Rohre, etwa für die Gas- und Trinkwasserversorgung. Hier werden oft Polyethylenrohre aus den Werkstoffen PE 80 oder PE 100 eingesetzt, die Rohre aus Beton oder PVC ersetzen können. PE-HD ist gut schweißbar, bei Verlegung im Erdreich muss die Leitung aber in Sand eingebettet werden. Alternativ stehen mittlerweile auch PE-Rohre zur Verfügung, die mit speziellen Schutzmänteln versehen sind und so die grabenlose (d. h. auch ohne Sandbett) Rohrverlegung ermöglichen (s. a. Horizontalspülbohrverfahren).
Ultra-High-Molecular-Weight PE wird aufgrund seiner hohen Verschleißfestigkeit für Pumpenteile, Zahnräder, Gleitbuchsen, Implantate und Oberflächen von Endoprothesen verwendet, bei denen es auf besonders leichten Lauf bei geringstmöglichem Abrieb ankommt. In der chemischen Industrie kommt es für Dichtungen und Membranen zum Einsatz. Fasern aus PE-UHMW gehören zu den stärksten bekannten künstlichen Fasern (auf das Gewicht bezogen) und werden zu Bandschlingen und Reepschnüren verarbeitet.
PE-X wird als Isolationsmaterial als elektrischer Isolator von Mittel- und Hochspannungskabeln, als Rohr für Gas- und Wasserinstallationen und für Formteile in der Elektrotechnik, dem Apparatebau und dem Automobilbau verwendet. Im Gegensatz zu anderen PE-Werkstoffen eignet es sich auch als Warmwasserrohr und durch seine hohe Kratzfestigkeit (Kratztiefe max. 20 % der Wanddicke) besonders für grabenlose Verlegeverfahren, wie das Spülbohrverfahren oder die Einbringung in das Erdreich mittels Verlegepflug. PE-X besitzt sehr schlechte Schweißeigenschaften, die eine Verschweißung nur mittels Heizwendelschweißen zulassen.
Bekannte Handelsnamen sind: Alathon, Dyneema, Hostalen, Lupolen, Polythen, Spectra, Trolen und Vestolen.
Polyethylen wurde zum ersten Mal 1898 von dem deutschen Chemiker Hans von Pechmann zufällig hergestellt, während dieser Diazomethan untersuchte („Erwähnt sei noch, dass aus einer ätherischen Diazomethanlösung sich beim Stehen manchmal minimale Quantitäten eines weissen, flockigen, aus Chloroform krystallisirenden Körpers abscheiden“). Als seine Kollegen Eugen Bamberger und Friedrich Tschirner die weiße, wachsartige Substanz charakterisierten, erkannten sie, dass sie aus langen CH2-Ketten aufgebaut war, und bezeichneten sie als Polymethylen („Eine theilweise – übrigens immer nur minimale – Umwandlung des Diazomethans in Stickstoff und Polymethylen vollzieht sich auch bei ganz andersartigen Reactionen“). Diese Art der Herstellung erlangte jedoch keine praktische Bedeutung, da Diazomethan notorisch instabil und giftig ist.
Die erste industrielle Polyethylen-Synthese wurde (erneut durch Zufall) 1933 von Eric Fawcett und Reginald Gibson bei Imperial Chemical Industries (ICI) in Northwich, England entdeckt. Bei extrem hohen Drücken (ca. 1400 bar) erzeugten sie aus einem Gemisch aus Ethylen und Benzaldehyd ein weißes, wachsartiges Material. Da die Reaktion durch Spuren von Sauerstoff initiiert worden war, war der erste Versuch anfänglich nur schwer reproduzierbar. Daher dauerte es noch bis 1935, bis ein anderer Chemiker bei ICI, Michael Willcox Perrin, aus der zufälligen Entdeckung eine reproduzierbare Hochdrucksynthese für Polyethylen entwickelte. Diese stellte die Grundlage für die erste industrielle LDPE-Produktion im Jahr 1939 dar.
Da sich Polyethylen als sehr verlustarmes Dielektrikum für Hochfrequenzanwendungen (Leitungen, Kabel) herausstellte, wurde der kommerzielle Vertrieb mit dem Beginn des Zweiten Weltkriegs unterbrochen, das Verfahren unter Geheimhaltung gestellt und Polyethylen zur Herstellung von Isolierungen für UHF- und SHF-Koaxialkabel in Radargeräten eingesetzt. Im Zweiten Weltkrieg wurde der Prozess weiter erforscht; 1944 begannen die Bakelite Corporation in Sabine, Texas, und DuPont in Charleston, West Virginia, im großen Maßstab mit der kommerziellen Produktion, jeweils lizenziert durch die ICI.
Ein Meilenstein in der kommerziellen Herstellung von Polyethylen war die Entwicklung von Katalysatoren, die die Polymerisation bei milden Temperaturen und Drücken ermöglichen. Zunächst entdeckten Robert Banks und J. Paul Hogan bei Phillips Petroleum 1951 einen Katalysator auf Chromtrioxid-Basis. 1953 entdeckten Karl Ziegler und Giulio Natta den Ziegler-Natta-Katalysator auf der Basis von Titanhalogeniden und aluminiumorganischen Verbindungen. Der Phillips-Katalysator war günstiger und einfacher zu handhaben, der Ziegler-Natta-Katalysator erlaubte hingegen die Polymerisation unter noch milderen Bedingungen. Ab den 1950ern wurde so die großtechnische Herstellung von PE-HD ermöglicht; beide Verfahren werden noch heute industriell intensiv genutzt.
Als moderne Alternative zu Ziegler-Natta-Katalysatoren zählen die Metallocenkatalysatoren. Diese waren bereits 1950 bekannt, der Durchbruch gelang allerdings erst 1973, als Reichert und Meyer geringe Mengen Wasser zu einem System aus Titanocen und Alkylaluminiumchlorid hinzufügten. Die Metallocenkatalysatoren erzeugen Polyethylen mit engeren Verteilungen der molaren Masse und gleichmäßigerem Co-Monomereinbau als die Ziegler-Natta-Katalysatoren. In den 1980er Jahren führten Kaminsky und Sinn weitergehende Untersuchungen zum System Metallocen/Methylaluminoxan durch.