Polyethylen-Schaumstoff (PE)

Eigenschaften, Herstellung, Anwendungsbereiche

Polyethylen

Polyethylen (PE) ist der weltweit am häufigsten verwendete Kunststoff. Er gehört zur Gruppe der Thermoplaste (durch Hitze formbar) und wird aus dem Grundbaustein Ethylen (C₂H₄) hergestellt, einem Kohlenwasserstoff, der meist aus Erdöl oder Erdgas gewonnen wird. Es findet sich unter anderem in Folien, Flaschen, Rohren oder Verpackungen wieder.

PE-Schaumstoff ist aufgeschäumtes Polyethylen. Im Gegensatz zu Polyurethan findet die Schäumung nicht durch eine chemische Reaktion zwischen den Bestandteilen, sondern durch physisches Einwirken von Außen statt.

Warum Schaumstoff aus PE?

Schaumstoff aus Polyehtylen zählt wegen seiner außergewöhnlichen Kombination aus Robustheit, geringem Gewicht, hoher Belastbarkeit und sehr guter Beständigkeit gegenüber Wasser und Witterungseinflüssen zu den wichtigsten Werkstoffen der Industrie. Dies wird ihm durch seine geschlossenzellige Struktur ermöglicht. Im Gegensatz zu vergleichbaren PU-Schäumen kann Wasser kaum in das Material eindringen. Zudem behält er die Eigenschaften von PE bei, dessen einfache CH₂-Ketten einfach, unpolar und reaktionsträge sind und der daraus entstehende Schaumstoff somit sehr Chemikalienbeständig ist. Dadurch bleibt er auch unter schwierigsten Bedingungen formstabil und funktional.

Die Geschichte von PE-Schaumstoff

Die Entwicklung von Polyethylen selbst begann bereits in den 1930er Jahren. Nachdem sich PE als vielseitiger Kunststoff etabliert hatte, suchten Hersteller nach Möglichkeiten, das Material zu verschäumen und es dadurch leichter sowie materialeffizienter zu machen.

In den 1950er und 1960er Jahren entstanden die ersten industriellen Verfahren zur Herstellung von PE-Schaumstoffen. Schnell zeigte sich, dass der Werkstoff insbesondere in der Verpackungsindustrie erhebliche Vorteile gegenüber Papier, Holzspänen oder anderen traditionellen Verpackungsmaterialien bot.

Mit zunehmender Industrialisierung und steigenden Anforderungen an Produktschutz und Logistik gewann PE-Schaum immer weiter an Bedeutung. Heute wird er weltweit für Verpackungen, Bauprodukte, Sport- und Freizeitartikel, Automobilanwendungen sowie zahlreiche technische Speziallösungen eingesetzt.

Die Herstellung von PE-Schaumstoff

Die Herstellung von PE-Schaum beginnt mit Polyethylen-Granulat. Dieses wird zunächst erhitzt und plastifiziert. Anschließend wird ein Treibmittel eingebracht, das während des Produktionsprozesses Millionen kleiner Gaszellen erzeugt. Zu diesen Treibmitteln gehören entweder Gase, die direkt unter Druck in das Polyehtylen eingeführt werden, wie etwa Butan, Isobutan, Stickstoff (N₂) oder Kohlendioxid (CO₂), aber auch Stoffe, die dem Granulat zugegeben werden und beim Erwärmen selbst Gase freisetzen, etwa Azodicarbonamid (ADC), Hydrazid-Verbindungen, oder auch Natriumhydrogencarbonat-Systeme.

Durch die Expansion entsteht eine geschäumte Struktur, die anschließend abgekühlt und stabilisiert wird. Je nach Verfahren können daraus Rollenware, Platten, Blöcke oder komplexe Formteile hergestellt werden.

Die genaue Zusammensetzung des Ausgangsmaterials sowie die Prozessführung bestimmen maßgeblich die Eigenschaften des fertigen Schaums. So lassen sich Dichte, Härte, Elastizität und Oberflächenqualität gezielt beeinflussen.

Zusätzlich können Flammschutzmittel, Antistatika, Farbpigmente oder UV-Stabilisatoren zugesetzt werden, um das Material für spezielle Anwendungen auszurüsten.

Vernetzter und unvernetzter PE-Schaum

Eine der wichtigsten Unterscheidungen bei PE-Schaumstoffen ist die zwischen vernetztem und unvernetztem PE-Schaum.

Unvernetzter PE-Schaum

Unvernetzter PE-Schaum, häufig auch als PE-LD oder Standard-PE-Schaum bezeichnet, besitzt keine miteinander verbundenen Polymerketten. Die Molekülstruktur bleibt im Wesentlichen unverändert.

Dadurch ist das Material besonders wirtschaftlich herzustellen und eignet sich hervorragend für zahlreiche Verpackungsanwendungen. Es bietet eine gute Stoßdämpfung, hohe Flexibilität und eine ausgezeichnete Feuchtigkeitsbeständigkeit. Das Material lässt sich einfach einschmelzen und neu verwenden, wodurch es sehr leicht zu recyclen ist.

Typische Anwendungen sind Verpackungseinlagen, Kantenschutzprofile, Zwischenlagen im Transportwesen oder Schutzverpackungen für Möbel, Maschinenbauteile und Elektronik.

Die Zellstruktur ist etwas gröber als bei vernetztem Material. Außerdem erreicht unvernetzter PE-Schaum in der Regel nicht dieselbe Oberflächenqualität und mechanische Stabilität.

Vernetzter PE-Schaum

Bei vernetztem PE-Schaum, auch als XPE oder PE-X bezeichnet, die einzelnen Polymerketten miteinander verbunden. Normales Polyethylen besteht aus langen Molekülketten, die lediglich nebeneinander liegen. Unter Belastung oder Wärme können sie sich gegeneinander verschieben. Bei der Vernetzung werden zwischen diesen Ketten chemische Brücken aufgebaut. Die einzelnen Ketten sind dadurch miteinander verbunden und können sich deutlich weniger bewegen. Man spricht dabei von einer dreidimensionalen Vernetzung der Molekülstruktur. In der industriellen Herstellung werden hauptsächlich zwei Verfahren zur Vernetzung eingesetzt:

  • Bei der chemischen Vernetzung wird dem Polyethylen während der Herstellung und vor dem Aufschäumen ein Vernetzungsmittel, häufig organische Peroxide, zugesetzt. Beim Erwärmen zerfallen diese Peroxide und erzeugen hochreaktive Radikale. Diese entziehen den PE-Ketten Wasserstoffatome, wodurch sich freie Bindungsstellen bilden. Anschließend verbinden sich benachbarte Polymerketten miteinander. Dieses Verfahren macht hohe Vernetzungsgrade möglich und ist bei großen Mengen wirtschaftlicher.
  • Bei der physikalischen Vernetzung wird der bereits hergestellte PE-Schaum oder die PE-Platte mit hochenergetischen Elektronen bestrahlt. Die Strahlung erzeugt direkt in den Polymerketten freie Radikale. Diese verbinden sich anschließend miteinander und bilden Vernetzungspunkte. Dieses Verfahren macht eine sehr gleichmäßige Vernetzung und feine Zellstruktur möglich. Diese Methode wird oft verwendet, wenn hochwertige Oberflächen oder enge technische Toleranzen gefordert sind. Es entsteht ein deutlich hochwertigerer Schaumstoff mit besonders feiner Zellstruktur. Die Oberfläche wirkt glatter, gleichmäßiger und technisch hochwertiger.

    Vernetzter PE-Schaum zeichnet sich durch eine höhere Temperaturbeständigkeit, bessere Rückstellfähigkeit und größere mechanische Belastbarkeit aus. Zudem lässt sich das Material präziser stanzen, fräsen oder thermisch verformen.

    Aus diesem Grund findet vernetzter PE-Schaum häufig Verwendung in hochwertigen Koffereinlagen, Automobilkomponenten, medizinischen Produkten, Sportartikeln oder technischen Dichtungen.

Wann eignet sich welcher PE-Schaumstoff?

Wegen seiner idealen Polstereigenschaften verwendet Formpack sowohl uvernetzten- als auch vernetzten PE-Schaumstoff für Verpackungen. Welchen wir für Ihre Verpackung verwenden, hängt von vielen Faktoren ab, darunter Kosten, Geometrie des zu transportierenden Produkts und Gewicht. Wir beraten Sie gerne zur Materialauswahl, damit der Schutz Ihres Produkts und die Kosten Ihrer Verpackung optimiert werden.

PE-Schaumstoff in unterschiedlichen Branchen

Aus der Verpackungsindustrie ist PE-Schaumstoff mittlerweile nicht mehr wegzudenken. Durch seine idealen Polstereigenschaften greifen viele Bereiche auf ihn zurück, wenn es darum geht, Objekte zu sichern. Aber seine geschlossenzelligen Eigenschaften machen Ihn auch zu einem beliebten Dämm- und Dichtungsmittel.

Empfindliche Messgeräte, elektronische Komponenten, Maschinenbauteile oder hochwertige Konsumgüter werden häufig in passgenauen PE-Schaumeinlagen transportiert. Das Material schützt zuverlässig vor Stößen, Kratzern und Vibrationen.

Besondere Formen von PE-Schaumstoff

Da sich das Material großer Beliebtheit erfreut, ist es nicht weiter verwunderlich, dass sich immer neue Formen entwickeln, um auf spezielle Bedürfnisse reagieren zu können. Gerade im Verpackungsbereich, der zunehmend auf nachhaltigere und flexible Materialien zurückgreift, entsteht ein Bedarf nach alternativen Formen.

Laminiertes PE

Laminierter PE-Schaumstoff (PE-LAM)

Laminierter PE-Schaumstoff ist Polyethylen-Schaum, der mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten dauerhaft verbunden (laminiert) wurde. Dabei werden verschiedene Materialien durch Wärme, Druck oder Klebstoffe miteinander verbunden, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern, oder neue Eigenschaften zu erreichen.

In der Verpackungsbranche wird PE-LAM, PE-L oder einfach laminierter PE-Schaum häufig für einen PE-Schaum verwendet, der auf einer Seite eine dünne, zähe Deckschicht besitzt. Diese Schicht kann aus einer PE-Folie oder ähnlichem Kunststoff bestehen und dient als sogenanntes Filmscharnier. werden nun Konturen in den Schaum gestanzt, die nur teilweise die Deckschicht durchdringen, lassen sich falt- und klappbare Teile herstellen, die platzsparend eingelagert werden können und sich beim Verpacken in wenigen Handgriffen und ohne weitere Hilfsstoffe, wie etwa Kleber, montieren lassen.

Arplank

ARPLANK ist ein unvernetzter Polyethylen-Schaumstoff mit einer besonderen Materialstruktur. Während andere PE-Schäume als kontinuierlicher Schaumblock aufgeschäumt werden, besteht ARPLANK aus expandierten PE-Partikeln, die unter Einwirkung von Wärme zu stabilen Formteilen oder Platten verschweißt werden. Man nennt ihn daher auch „Expandiertes Polyethylen (EPE)“. Die Struktur erinnert damit an die Herstellungsweise von EPS (Styropor®) oder EPP, verwendet jedoch Polyethylen als Werkstoff. Die einzelnen verschmolzenen Partikel bleiben im Material sichtbar und verleihen ARPLANK sein charakteristisches Erscheinungsbild. Durch diese besondere Form bietet es für viele Verpackungsanwendungen vergleichbare Polstereigenschaften, wie vernetzte PE-Schäume.

Durch den Verzicht auf eine Vernetzung bleibt ARPLANK vollständig thermoplastisch und kann nach der Nutzung vergleichsweise einfach recycelt werden. Zudem enthalten viele ARPLANK-Qualitäten bereits hohe Rezyklatanteile.

Arplank

Recycling und Entsorgung

Im Vergleich zu vielen anderen Schaumstoffen besitzt unvernetzter PE-Schaum einen wichtigen Vorteil: Er lässt sich relativ gut recyceln. Produktionsreste können häufig direkt wieder in den Herstellungsprozess zurückgeführt werden. Sortenreine PE-Schaumabfälle lassen sich zerkleinern, einschmelzen und zu neuen Kunststoffprodukten verarbeiten. Dadurch ist PE-Schaum in vielen Anwendungen deutlich einfacher in bestehende Recyclingkreisläufe integrierbar als komplexe Polyurethan-Systeme.

Etwas anders verhält es sich mit vernetzten PE-Schaumstoffen. Aufgrund der Vernetzung können vernetzte PE-Schäume nicht wie unvernetztes PE einfach wieder aufgeschmolzen werden. Für das Recycling kommen je nach Materialstrom mechanische, physikalische oder chemische Verfahren infrage. Nicht recycelbare Reste werden häufig thermisch verwertet. Dabei dient der im Kunststoff gespeicherte Energiegehalt zur Erzeugung von Wärme oder Strom.

Die Zukunft von PE-Schaumstoff

Die Entwicklung von PE-Schaum konzentriert sich zunehmend auf Nachhaltigkeit und Kreislaufwirtschaft. Hersteller arbeiten an verbesserten Recyclingverfahren, Rückgewinnung und Wiederverwertung vernetzter PE-Schäume, höheren Rezyklatanteilen und biobasierten Rohstoffen, um den CO₂-Fußabdruck ihrer Produkte zu reduzieren. Gerade mit Blick auf den Verpackungsmarkt und die PPWR besitzt PE-Schaumstoff großes Potential. Mit den richtigen Entwicklungen wird er auch in Zukunft eines der wichtigsten Verpackungsmaterialien bleiben.