Materii prime PET

Materii prime PET: materiale poliesterice de înaltă performanță și diversele lor aplicații

Polietilen tereftalatul (PET) este un poliester aromatic liniar produs prin reacția de condensare a acidului tereftalic și a etilenglicolului. Fiind unul dintre cele cinci materiale plastice inginerești generale, PET a devenit un material polimeric indispensabil în industria modernă încă de la producția sa industrială din anii 1940, datorită performanței sale excelente și complete, gamei largi de surse de materii prime și proceselor de producție mature. De la sticlele de apă minerală de uz zilnic la îmbrăcămintea din poliester, de la foliile de ambalare a alimentelor la componentele auto, PET a pătruns în diverse domenii ale producției și vieții cu avantajele sale unice, promovând dezvoltarea durabilă a industriei materialelor.

1. Structura moleculară și caracteristicile de bază ale PET

Structura moleculară a PET-ului este factorul fundamental care îi determină performanța. Unitatea sa repetitivă este - OC-C ₆ H ₄ - COO-CH ₂ CH ₂ -, iar lanțul molecular conține inele benzenice rigide și segmente metilenice flexibile. Această structură conferă PET-ului atât rigiditate, cât și un anumit grad de rezistență.

În ceea ce privește proprietățile mecanice, PET-ul are o rezistență la tracțiune și un modul de elasticitate ridicate, o alungire la rupere moderată și o rezistență la impact mai bună decât materialele plastice fragile, cum ar fi polistirenul. PET-ul netratat are o rigiditate bună, iar după tratamentul de întindere biaxială, rezistența sa poate fi îmbunătățită considerabil. De exemplu, rezistența la tracțiune a foliei PET întinse biaxial poate ajunge la 150-200 MPa, ceea ce este aproape de 1/10 din cea a oțelului. Această caracteristică de rezistență ridicată îl face remarcabil în materialele de ambalare și structurale.

În ceea ce privește performanța termică, temperatura de tranziție vitroasă a PET este de aproximativ 70-80 ℃, cu un punct de topire între 240-260 ℃. Temperatura de utilizare pe termen scurt poate ajunge la 120 ℃, iar temperatura de utilizare pe termen lung este de 80-100 ℃, ceea ce poate îndeplini cerințele de temperatură ale majorității scenariilor zilnice și industriale. Cu toate acestea, temperatura de deformare termică a PET este relativ scăzută și este predispus la deformare la temperaturi ridicate sub stres. Prin urmare, PET-ul pur este utilizat mai ales în scenarii fără sarcină portantă sau cu sarcină redusă și temperatură ridicată. Pentru a îmbunătăți rezistența la căldură, este necesar să se obțină aceasta prin modificări sporite.

Performanța de barieră este unul dintre avantajele principale ale PET-ului, care are un efect bun de barieră asupra oxigenului, dioxidului de carbon, vaporilor de apă etc. și poate întârzia eficient deteriorarea prin oxidare și pierderea de umiditate a conținutului. În special pentru PET-ul de calitate superioară, după procesul de întindere biaxială, aranjamentul lanțului molecular este mai regulat, iar proprietățile de barieră sunt îmbunătățite în continuare, ceea ce îl face materialul preferat pentru ambalarea băuturilor, alimentelor, cosmeticelor etc. De exemplu, sticlele de băuturi carbogazoase trebuie să reziste la o anumită presiune internă, iar proprietățile de barieră ale PET-ului pot preveni eficient scurgerile de dioxid de carbon.

În ceea ce privește rezistența chimică, PET-ul are o bună toleranță la majoritatea solvenților organici, acizilor și bazelor și nu se corodează ușor la temperatura camerei. Cu toate acestea, reacțiile de hidroliză pot apărea în condiții alcaline puternice sau la temperaturi ridicate. Această caracteristică îl face potrivit pentru depozitarea băuturilor acide (cum ar fi sucul), a apei neutre etc., dar nu și pentru depozitarea pe termen lung a lichidelor puternic alcaline.

În plus, PET-ul are o transparență și o luciu bune, cu o transmitanță a luminii de peste 90% după procesare, ceea ce poate afișa clar conținutul și spori atractivitatea vizuală a produsului; În același timp, PET-ul este ușor de procesat și poate fi transformat în diverse forme de produse, cum ar fi sticle, filme, foi, fibre etc., prin turnare prin injecție, turnare prin suflare, extrudare și alte procese.

2. Procesul de producție și sursele de materii prime pentru PET

Producția industrială de PET utilizează în principal acid tereftalic (PTA) și etilen glicol (EG) ca materii prime, care sunt generate prin reacție de condensare. Procesul său de producție a format un sistem tehnic matur și stabil, iar esența este de a controla cu precizie procesul de reacție de polimerizare pentru a obține produse cu proprietăți specifice.

În ceea ce privește sursele de materii prime, acidul tereftalic (PTA) este produs în principal prin oxidarea xilenului (PX), care provine din extracția hidrocarburilor aromatice în rafinarea petrolului; etilen glicolul (EG) este produs în principal prin oxidarea etilenei pentru a produce epoxietan, care este apoi hidratat. Etilena provine, de asemenea, din cracarea petrolului sau a gazelor naturale. Odată cu creșterea cererii de protecție a mediului și dezvoltare durabilă, s-au înregistrat progrese în cercetarea și dezvoltarea materiilor prime biologice. Etilen glicolul biologic poate fi produs prin fermentarea biomasei și apoi polimerizat cu PTA pentru a produce PET biologic, reducând dependența de resursele fosile.

Procesul de producție a PET include în principal două etape principale: esterificarea și condensarea. În funcție de scara producției și de cererea de produs, acesta poate fi împărțit în două procese: polimerizare discontinuă și polimerizare continuă.

Etapa de esterificare implică reacția de esterificare dintre PTA și EG la temperatură și presiune ridicate, rezultând formarea de tereftalat de dihidroxietil (BHET) și apă. Temperatura de reacție este de obicei controlată la 220-260 ℃, iar presiunea este de 0,2-0,5 MPa, iar reacția este accelerată de catalizatori precum antimoniul și titanul. Reacția de esterificare este o reacție reversibilă, iar apa generată trebuie îndepărtată în timp util pentru a promova reacția directă și a se asigura că rata de esterificare atinge peste 95%.

Etapa de condensare este atunci când BHET suferă o reacție de condensare în condiții de temperatură și vid mai ridicate, eliminând etilen glicolul și formând lanțuri polimerice PET. Temperatura de reacție este ridicată la 270-290 ℃, iar presiunea este redusă sub 100 Pa. Produsele cu molecule mici (etilen glicol) sunt îndepărtate printr-un mediu de vid pentru a promova creșterea lanțurilor moleculare. Parametrii de timp și de proces ai reacției de condensare afectează direct greutatea moleculară și distribuția greutății moleculare a PET, determinând astfel performanța produsului. Procesul de polimerizare continuă realizează producția continuă prin reactoare în serie multiplă, ceea ce prezintă avantajele unei eficiențe ridicate a producției și a unei calități stabile a produsului și este potrivit pentru producția industrială la scară largă; Polimerizarea intermitentă are o flexibilitate puternică și este potrivită pentru producția la scară mică și cu mai multe varietăți.

După finalizarea reacției de polimerizare, PET-ul topit este turnat și tăiat în felii de PET, care sunt materii prime solide pentru PET. Feliile trebuie uscate pentru a îndepărta umezeala (conținutul de umiditate trebuie să fie sub 0,005%), pentru a evita o scădere a greutății moleculare din cauza hidrolizei în timpul procesării ulterioare. În funcție de diferitele cerințe de aplicare, vâscozitatea intrinsecă (valoarea IV) a feliilor de PET poate fi controlată prin ajustarea parametrilor de proces. Valoarea IV a feliilor de PET de calitate superioară este de obicei 0,7-0,8 dL/g, cea de calitate superioară pentru membrană este 0,6-0,7 dL/g, iar cea de calitate superioară pentru fibre este 0,6-0,9 dL/g.

Modificarea prin copolimerizare este un mijloc important de extindere a gamei de performanță a PET-ului. Prin introducerea unor terți monomeri (cum ar fi ciclohexandimetanolul și acidul izoftalic) în timpul procesului de polimerizare, structura lanțului molecular poate fi modificată pentru a obține produse PET modificate. De exemplu, PET-ul este copolimerizat cu ciclohexandimetanol pentru a produce PETG, ceea ce îi îmbunătățește semnificativ flexibilitatea, rezistența la impact și procesabilitatea, făcându-l potrivit pentru ambalaje cu transparență ridicată și dispozitive medicale; Adăugarea de acid izoftalic poate reduce cristalinitatea PET-ului, poate îmbunătăți performanța de procesare și rezistența chimică.

3. Clasificarea și diferențele de performanță ale PET

În funcție de domeniul de aplicare și cerințele de performanță, PET-ul poate fi împărțit în patru categorii: PET de calitate pentru sticle, PET de calitate pentru peliculă, PET de calitate pentru fibre și PET de calitate inginerească. Diferitele tipuri de PET au diferențe semnificative în ceea ce privește greutatea moleculară, cristalinitatea, performanța de procesare etc., pentru a satisface nevoile diferitelor scenarii.

PET-ul de calitate pentru sticle este cea mai produsă varietate de PET, utilizată în principal pentru producerea diverselor tipuri de sticle de plastic. Are o vâscozitate intrinsecă ridicată (0,7-0,8 dL/g), o transparență excelentă, rezistență mecanică și proprietăți de barieră, precum și o rezistență remarcabilă la impact și presiune internă. Pentru a îndeplini cerințele turnării prin suflare, așchiile de PET de calitate pentru sticle trebuie să aibă o bună fluiditate la topire și stabilitate la procesare. După turnarea prin injecție în preforme, acestea sunt apoi transformate în sticle prin tehnologia de turnare prin suflare biaxială. Procesul de întindere orientează lanțurile moleculare, îmbunătățind în continuare rezistența și proprietățile de barieră. PET-ul de calitate pentru sticle poate fi împărțit în tipuri de sticle pentru apă, sticle pentru băuturi carbogazoase, sticle umplute la cald etc. În funcție de aplicații, PET-ul de calitate pentru sticle umplute la cald își poate îmbunătăți rezistența la căldură prin modificarea prin copolimerizare și poate rezista la procesele de umplere la cald la 85-95 ℃.

PET-ul de calitate peliculă este utilizat în principal pentru producerea diverselor produse subțiri, cu o vâscozitate intrinsecă puțin mai mică decât cea de calitate pentru sticlă (0,6-0,7 dL/g) și are proprietăți mecanice bune, rezistență la căldură și izolație. Filmul PET este fabricat prin turnare prin extrudare sau prin proces de întindere biaxială. După întinderea longitudinală și transversală, rezistența, transparența și proprietățile de barieră ale filmului PET biaxial (BOPET) sunt mult îmbunătățite. Este utilizat pe scară largă în folii pentru ambalarea alimentelor (cum ar fi pungile de abur), folii izolatoare (cum ar fi foliile pentru condensatoare), folii de protecție a cardurilor, folii pentru folii fotovoltaice etc. PET-ul de calitate peliculă poate îmbunătăți performanța filmului prin adăugarea de lubrifianți, agenți antiaderenți etc., cum ar fi reducerea coeficientului de frecare pentru o înfășurare și o procesare mai ușoare.

PET-ul de calitate superioară este materia primă principală în domeniul textil, și anume poliester (fibră de poliester), cu o gamă largă de vâscozitate intrinsecă (0,6-0,9 dL/g), iar parametrii sunt ajustați în funcție de varietatea fibrei (filament, material discontinuu). PET-ul de calitate superioară este transformat în fibre de poliester prin procesul de filare la topire, care prezintă avantajele rezistenței ridicate, rezistenței la uzură, rezistenței la șifonare și spălării ușoare. Este utilizat pe scară largă în îmbrăcăminte, textile de uz casnic și textile industriale (cum ar fi geotextile și pânze filtrante). Prin ajustarea procesului de filare, se pot produce fibre de poliester cu proprietăți diferite, cum ar fi fibre de înaltă rezistență și alungire redusă pentru uz industrial și fibre ultrafine pentru țesături de înaltă calitate.

PET-ul de calitate inginerească este un PET de înaltă performanță obținut prin ranforsare, călire și alte tratamente de modificare, utilizat în principal pentru a înlocui metalele sau alte materiale plastice inginerești în producția de componente structurale. Prin adăugarea de materiale de ranforsare, cum ar fi fibra de sticlă și fibra de carbon, rezistența, rigiditatea și rezistența la căldură a PET-ului pot fi îmbunătățite semnificativ. Rezistența la tracțiune a PET-ului ranforsat cu fibră de sticlă poate ajunge la peste 150 MPa, iar temperatura de deformare termică poate depăși 200 ℃. Este potrivit pentru piese auto (cum ar fi mânerele ușilor, panourile de bord), carcase electronice și electrice, piese mecanice etc. PET-ul de calitate inginerească își poate îmbunătăți, de asemenea, performanța la impact prin adăugarea de agenți de călire (cum ar fi elastomerii) sau prin adăugarea de ignifugatori pentru a îndeplini cerințele de protecție la foc.

4. Diversele domenii de aplicare ale PET

PET-ul, cu performanțele sale excelente și diversele metode de procesare, a fost utilizat pe scară largă în diverse domenii, cum ar fi ambalajele, textilele, electronica, automobilele și construcțiile, devenind un material indispensabil în industria modernă și în viața de zi cu zi.

Domeniul ambalajelor este unul dintre cele mai utilizate domenii pentru PET, PET-ul de calitate superioară pentru sticle fiind dominant. În ambalarea băuturilor, sticlele PET au devenit recipientul preferat pentru apă minerală, băuturi carbogazoase, suc de fructe, ceai etc., datorită transparenței, greutății reduse, rezistenței la impact și proprietăților bune de barieră. Peste 500 de miliarde de sticle PET sunt produse în întreaga lume în fiecare an. Sticlele PET reduc continuu consumul de materiale datorită designului ușor, având în același timp o bună reciclabilitate, promovând dezvoltarea economiei circulare. În ambalarea alimentelor, folia BOPET este utilizată pentru a realiza pungi de gătit și folii de ambalare în vid, care pot rezista la sterilizare la temperaturi ridicate la 121 ℃ și pot prelungi durata de valabilitate a alimentelor; foile de PET sunt termoformate în cutii formate în vid pentru ambalarea cărnii, fructelor, produselor de patiserie etc., care oferă atât transparență, cât și protecție.

În industria textilă, fibrele de poliester fabricate din PET de calitate superioară sunt cele mai produse fibre sintetice, reprezentând peste 60% din producția globală de fibre. Filamentul de poliester este utilizat pentru fabricarea de țesături pentru îmbrăcăminte, cum ar fi cămăși, rochii și articole sport, și are caracteristicile de rigiditate și ușor de întreținut; Amestecarea fibrelor discontinue de poliester cu fibre naturale, cum ar fi bumbacul și lâna, îmbunătățește rezistența la uzură și menținerea formei țesăturii; Fibra industrială de poliester este utilizată pentru fabricarea de geotextile (pentru armarea solului), materiale filtrante (cum ar fi filtrele de aer), centuri de siguranță, corturi etc. Rezistența ridicată și rezistența la intemperii satisfac nevoile industriale.

În domeniul aparatelor electronice, folia PET joacă un rol important. Folia BOPET este utilizată pentru a produce folii pentru condensatoare, folii izolatoare pentru motoare, substraturi flexibile pentru plăci de circuite etc. datorită performanțelor sale excelente de izolație și rezistenței la căldură; foile de PET sunt imprimate și ștanțate în panouri decorative, plăcuțe de identificare și alte dispozitive electronice. După modificare, PET-ul de calitate inginerească este utilizat pentru a produce componente precum conectori, carcase de comutatoare, suporturi de afișare etc., care oferă atât izolație, cât și rezistență mecanică.

În industria auto, PET-ul de calitate inginerească este ranforsat și modificat pentru producția de piese interioare auto (cum ar fi panouri de bord și panouri de uși), piese exterioare (cum ar fi carcasele oglinzilor retrovizoare) și componente funcționale (cum ar fi grilele radiatorului). Caracteristicile sale ușoare pot reduce consumul de combustibil, iar rezistența sa chimică și la intemperii satisface nevoile pe termen lung ale utilizării în domeniul auto. PET-ul este utilizat și pentru izolarea cablajelor auto, a țesăturilor scaunelor (țesături din poliester) etc., extinzându-i și mai mult aplicarea în domeniul auto.

În domeniul arhitecturii, materialul PET este utilizat pentru a produce materiale de izolație termică (cum ar fi bumbacul izolator PET), membrane hidroizolatoare, folii decorative etc. Bumbacul izolator PET are caracteristicile de greutate redusă, ignifug și efect de izolare bun și este potrivit pentru izolarea pereților exteriori ai clădirilor; membrana hidroizolatoare PET este rezistentă la îmbătrânire și perforare, fiind utilizată pentru proiecte de hidroizolare a acoperișurilor și subsolurilor; folie decorativă PET este aplicată pe suprafața plăcii pentru a-i îmbunătăți estetica și rezistența la uzură.

În plus, PET-ul este utilizat în domeniul medical pentru a fabrica flacoane de perfuzie, carcase de seringi etc. Stabilitatea sa chimică și igiena îndeplinesc standardele medicale; în domeniul imprimării 3D, sârma PET este utilizată pentru tehnologia de imprimare FDM pentru a produce modele și piese de înaltă rezistență.

5. Tendințe de protecție a mediului și de dezvoltare în domeniul PET

Odată cu creșterea gradului de conștientizare globală a protecției mediului, respectul pentru mediu și dezvoltarea durabilă a PET-ului au devenit preocupări centrale ale industriei. Tehnologiile sale de reciclare și producție ecologică continuă să aibă succes, promovând transformarea industriei PET către o economie circulară.

Avantajul ecologic al PET-ului constă în reciclabilitatea sa bună și valoarea ridicată de reciclare. Produsele PET reziduale (cum ar fi sticlele PET, foliile, fibrele) pot fi reciclate prin două metode: reciclarea fizică și reciclarea chimică. Reciclarea fizică este procesul de sortare, curățare, zdrobire și topire a PET-ului rezidual în felii de PET reciclat. PET-ul reciclat poate fi utilizat pentru a produce produse de calitate pentru sticle, folii, fibre și alte produse. De exemplu, sticlele PET reciclate sunt utilizate pentru ambalaje nealimentare, iar fibrele reciclate sunt utilizate pentru fabricarea covoarelor și a materialelor textile pentru îmbrăcăminte (cum ar fi materialele textile din poliester reciclat). Reciclarea chimică descompune PET-ul în monomeri PTA și EG prin hidroliză, alcooliză și alte tehnologii și îi folosește ca materii prime pentru a produce PET nou, realizând o circulație în buclă închisă. Reciclarea chimică poate trata deșeurile PET complexe și poluate, iar performanța materiilor prime reciclate este apropiată de cea a materiilor prime, care pot fi utilizate în domeniul contactului cu alimentele.

În prezent, principala provocare cu care se confruntă reciclarea PET-ului este sistemul imperfect de reciclare. Rata globală de reciclare a sticlelor PET este de aproximativ 50%, iar unele regiuni au rate de reciclare scăzute din cauza conștientizării insuficiente a reciclării clasificate și a costurilor ridicate de reciclare; Între timp, stabilitatea performanței și igiena PET-ului reciclat trebuie să fie strict controlate pentru a evita ca impuritățile să afecteze calitatea produsului.

În viitor, dezvoltarea PET-ului se va îndrepta spre direcții de înaltă performanță, ecologice și funcționale. În ceea ce privește performanța înaltă, tehnologia de proiectare și modificare moleculară este utilizată pentru a îmbunătăți rezistența la căldură, rezistența la impact și proprietățile de barieră ale PET-ului, cum ar fi dezvoltarea de PET rezistent la temperaturi ridicate pentru umplerea la cald și domeniile ingineriei și a PET-ului cu barieră ridicată pentru ambalarea produselor cu valoare adăugată ridicată.

În ceea ce privește ecologizarea, cercetarea și dezvoltarea PET-ului bio se accelerează, cu scopul de a realiza o producție de materii prime bio 100% și de a reduce amprenta de carbon; în același timp, se optimizează tehnologia de reciclare, se îmbunătățesc puritatea și eficiența reciclării fizice, se extinde la scară industrială a reciclării chimice și se construiește un sistem complet de ciclu de producție, consum, reciclare și regenerare.

În ceea ce privește funcționalizarea, dezvoltarea de materiale PET cu funcții speciale, cum ar fi PET antibacterian pentru ambalarea alimentelor, PET ignifug pentru domeniul electronicii și construcțiilor și PET inteligent și responsiv (cum ar fi schimbarea culorii sensibilă la temperatură și degradarea controlabilă) pentru ambalaje de înaltă calitate și domeniul medical. În plus, tehnologia compozită PET cu alte materiale (cum ar fi compozitele PET/grafen) va extinde și mai mult limitele sale de performanță și va satisface nevoile domeniilor emergente.

PET-ul, ca material polimeric de înaltă performanță, reflectă integrarea strânsă a științei materialelor și a cererii industriale în procesul său de dezvoltare. De la ambalarea zilnică la aplicațiile industriale de înaltă performanță, PET-ul susține funcționarea societății moderne cu avantajele sale unice. Odată cu avansarea tehnologiei de protecție a mediului și promovarea economiei circulare, PET-ul va realiza o dezvoltare durabilă, menținând în același timp caracterul practic, contribuind la o societate verde și cu emisii reduse de carbon.