PET surovine

PET surovine: visokozmogljivi poliestrski materiali in njihova raznolika uporaba

Polietilen tereftalat (PET) je linearni aromatski poliester, ki nastane s kondenzacijsko reakcijo tereftalne kisline in etilen glikola. PET je kot ena od petih splošnih inženirskih plastik od začetka industrijske proizvodnje v 40. letih prejšnjega stoletja postal nepogrešljiv polimerni material v sodobni industriji zaradi svoje odlične celovite zmogljivosti, širokega nabora surovin in zrelih proizvodnih procesov. Od vsakodnevnih plastenk mineralne vode do poliestrskih oblačil, od folij za pakiranje hrane do avtomobilskih komponent, je PET s svojimi edinstvenimi prednostmi prodrl v različna področja proizvodnje in življenja ter spodbuja trajnostni razvoj industrije materialov.

1. Molekularna struktura in osnovne značilnosti PET

Molekularna struktura PET-a je temeljni dejavnik, ki določa njegovo delovanje. Njegova ponavljajoča se enota je -OC-C ₆ H ₄ - COO-CH ₂ CH ₂ -, molekularna veriga pa vsebuje toge benzenske obroče in fleksibilne metilenske segmente. Ta struktura daje PET-u tako togost kot določeno stopnjo žilavosti.

Kar zadeva mehanske lastnosti, ima PET visoko natezno trdnost in elastični modul, zmeren raztezek pri pretrgu in boljšo odpornost proti udarcem kot krhke plastike, kot je polistiren. Neobdelan PET ima dobro togost, po dvoosnem raztezanju pa se njegova trdnost lahko močno izboljša. Na primer, natezna trdnost dvoosno raztegnjene PET folije lahko doseže 150–200 MPa, kar je blizu 1/10 jekla. Zaradi te visoke trdnosti je odličen material za embalažo in konstrukcije.

Kar zadeva toplotno učinkovitost, je temperatura steklastega prehoda PET približno 70–80 ℃, tališče pa se giblje med 240 in 260 ℃. Kratkoročna temperatura uporabe lahko doseže 120 ℃, dolgotrajna pa 80–100 ℃, kar lahko zadosti temperaturnim zahtevam večine vsakodnevnih in industrijskih scenarijev. Vendar pa je temperatura toplotne deformacije PET relativno nizka in je nagnjen k deformacijam pri visokih temperaturah pod obremenitvijo. Zato se čisti PET večinoma uporablja v scenarijih brez obremenitve ali pri nizki obremenitvi in visokih temperaturah. Za izboljšanje toplotne odpornosti je treba to doseči z izboljšano modifikacijo.

Barierna zmogljivost je ena glavnih prednosti PET-a, ki ima dober barierni učinek na kisik, ogljikov dioksid, vodno paro itd. in lahko učinkovito upočasni oksidacijsko poslabšanje in izgubo vlage vsebine. Še posebej pri PET-u za steklenice je po postopku dvoosnega raztezanja razporeditev molekularne verige bolj pravilna, barierne lastnosti pa se še izboljšajo, zaradi česar je to prednostni material za pakiranje pijač, hrane, kozmetike itd. Na primer, steklenice za gazirane pijače morajo prenesti določen notranji tlak, barierne lastnosti PET-a pa lahko učinkovito preprečijo uhajanje ogljikovega dioksida.

Kar zadeva kemično odpornost, ima PET dobro toleranco na večino organskih topil, kislin in baz ter pri sobni temperaturi ne korodira zlahka. Vendar pa lahko v močnih alkalnih pogojih ali pri visokih temperaturah pride do hidroliznih reakcij. Zaradi te lastnosti je primeren za shranjevanje kislih pijač (kot je sok), nevtralne vode itd., ne pa za dolgotrajno shranjevanje močno alkalnih tekočin.

Poleg tega ima PET dobro prosojnost in sijaj, s prepustnostjo svetlobe več kot 90 % po obdelavi, kar lahko jasno prikaže vsebino in izboljša vizualno privlačnost izdelka; hkrati je PET enostaven za obdelavo in ga je mogoče izdelati v različne oblike izdelkov, kot so steklenice, folije, plošče, vlakna itd., z brizganjem, pihanjem, ekstrudiranjem in drugimi postopki.

2. Proizvodni proces in viri surovin za PET

Industrijska proizvodnja PET uporablja predvsem tereftalno kislino (PTA) in etilen glikol (EG) kot surovini, ki nastaneta s kondenzacijsko reakcijo. Proizvodni proces je oblikoval zrel in stabilen tehnični sistem, katerega osrednji namen je natančen nadzor procesa polimerizacijske reakcije za pridobitev izdelkov s specifičnimi lastnostmi.

Kar zadeva vire surovin, se tereftalna kislina (PTA) proizvaja predvsem z oksidacijo ksilena (PX), ki se pridobiva z ekstrakcijo aromatskih ogljikovodikov pri rafiniranju nafte; etilen glikol (EG) se proizvaja predvsem z oksidacijo etilena, pri čemer se proizvaja epoksietan, ki se nato hidrira. Etilen se pridobiva tudi s krekingom nafte ali zemeljskega plina. Z naraščajočim povpraševanjem po varstvu okolja in trajnostnem razvoju je bil dosežen napredek pri raziskavah in razvoju bioloških surovin. Biološki etilen glikol se lahko proizvaja s fermentacijo biomase in nato polimerizira s PTA za proizvodnjo biološkega PET-a, kar zmanjšuje odvisnost od fosilnih virov.

Proizvodni proces PET vključuje predvsem dve osnovni fazi: esterifikacijo in kondenzacijo. Glede na obseg proizvodnje in povpraševanje po izdelku ga lahko razdelimo na dva procesa: šaržno polimerizacijo in kontinuirno polimerizacijo.

Faza esterifikacije vključuje reakcijo esterifikacije med PTA in EG pri visoki temperaturi in tlaku, kar povzroči nastanek dihidroksietil tereftalata (BHET) in vode. Reakcijska temperatura se običajno nadzoruje na 220–260 ℃, tlak pa je 0,2–0,5 MPa, reakcijo pa pospešijo katalizatorji, kot sta antimonov in titanov katalizator. Reakcija esterifikacije je reverzibilna reakcija in nastalo vodo je treba pravočasno odstraniti, da se spodbudi nadaljnja reakcija in zagotovi, da stopnja esterifikacije doseže več kot 95 %.

V fazi kondenzacije BHET pod vplivom višje temperature in vakuuma poteka kondenzacijska reakcija, pri kateri se odstrani etilen glikol in tvorijo polimerne verige PET. Reakcijska temperatura se dvigne na 270–290 ℃, tlak pa se zniža pod 100 Pa. Produkti z majhnimi molekulami (etilen glikol) se odstranijo v vakuumskem okolju, da se spodbudi rast molekularnih verig. Čas in procesni parametri kondenzacijske reakcije neposredno vplivajo na molekulsko maso in porazdelitev molekulske mase PET, s čimer določajo učinkovitost izdelka. Postopek kontinuirane polimerizacije omogoča neprekinjeno proizvodnjo z več serijskimi reaktorji, kar ima prednosti visoke proizvodne učinkovitosti in stabilne kakovosti izdelka ter je primerno za industrijsko proizvodnjo v velikem obsegu; intermitentna polimerizacija ima veliko fleksibilnost in je primerna za proizvodnjo v majhnem obsegu in več sort.

Po končani polimerizacijski reakciji se staljeni PET vlije in nareže na rezine PET, ki so trdne surovine za PET. Rezine je treba posušiti, da se odstrani vlaga (vsebnost vlage mora biti pod 0,005 %), da se prepreči zmanjšanje molekulske mase zaradi hidrolize med nadaljnjo obdelavo. Glede na različne zahteve uporabe je mogoče intrinzično viskoznost (vrednost IV) rezin PET nadzorovati s prilagajanjem procesnih parametrov. Vrednost IV rezin PET za steklenice je običajno 0,7–0,8 dL/g, za membrane 0,6–0,7 dL/g, za vlakna pa 0,6–0,9 dL/g.

Modifikacija s kopolimerizacijo je pomembno sredstvo za razširitev razpona učinkovitosti PET-a. Z uvedbo tretjih monomerov (kot sta cikloheksandimetanol in izoftalna kislina) med postopkom polimerizacije se lahko spremeni molekularna veriga in dobimo modificirane izdelke PET. Na primer, PET se kopolimerizira s cikloheksandimetanolom, da se proizvede PETG, kar znatno izboljša njegovo prožnost, odpornost proti udarcem in predelavo, zaradi česar je primeren za visoko prosojno embalažo in medicinske pripomočke; dodajanje izoftalne kisline lahko zmanjša kristaliničnost PET-a, izboljša njegovo predelavo in kemično odpornost.

3. Razlike v klasifikaciji in delovanju PET

Glede na področje uporabe in zahteve glede zmogljivosti lahko PET razdelimo v štiri kategorije: PET za steklenice, PET za folije, PET za vlakna in PET za inženiring. Različne vrste PET se bistveno razlikujejo po molekulski masi, kristaliničnosti, zmogljivosti predelave itd., da zadostijo potrebam različnih scenarijev.

PET za steklenice je najpogosteje proizvedena vrsta PET-a, ki se uporablja predvsem za proizvodnjo različnih plastičnih steklenic. Ima visoko intrinzično viskoznost (0,7–0,8 dL/g), odlično prosojnost, mehansko trdnost in pregradne lastnosti ter izjemno odpornost na udarce in notranji tlak. Da bi izpolnili zahteve pihanja, morajo imeti čipi PET za steklenice dobro pretočnost taline in stabilnost pri obdelavi. Po brizganju v predoblike se nato z dvoosno tehnologijo raztezanja in pihanja predelajo v steklenice. Postopek raztezanja usmeri molekularne verige, kar dodatno izboljša trdnost in pregradne lastnosti. PET za steklenice lahko razdelimo na steklenice za vodo, steklenice za gazirane pijače, vroče polnjene steklenice itd. Glede na njihovo uporabo lahko vroče polnjeni PET za steklenice izboljša svojo toplotno odpornost s kopolimerizacijsko modifikacijo in prenese vroče polnjenje pri 85–95 ℃.

PET folije se uporablja predvsem za proizvodnjo različnih tankoslojnih izdelkov, z nekoliko nižjo intrinzično viskoznostjo kot folija za steklenice (0,6–0,7 dL/g) in dobrimi mehanskimi lastnostmi, toplotno odpornostjo in izolacijo. PET folija se izdeluje z ekstruzijskim litjem ali postopkom biaksialno usmerjenega raztezanja. Po vzdolžnem in prečnem raztezanju se močno izboljšajo trdnost, prosojnost in pregradne lastnosti biaksialno usmerjene PET (BOPET) folije. Široko se uporablja v folijah za pakiranje živil (kot so vrečke za parjenje), izolacijskih folijah (kot so folije za kondenzatorje), zaščitnih folijah za kartice, folijah za fotovoltaiko itd. PET folije lahko izboljša delovanje folije z dodajanjem maziv, sredstev proti oprijemu itd., na primer z zmanjšanjem koeficienta trenja za lažje navijanje in obdelavo.

PET vlaknate kakovosti je glavna surovina na tekstilnem področju, in sicer poliestrska (poliestrska vlakna) surovina s širokim razponom intrinzične viskoznosti (0,6–0,9 dL/g), parametri pa se prilagajajo glede na vrsto vlaken (filament, rezana vlakna). PET vlaknate kakovosti se s postopkom predenja taline predeluje v poliestrska vlakna, ki imajo prednosti visoke trdnosti, odpornosti proti obrabi, odpornosti proti gubanju in enostavnega pranja. Široko se uporablja v oblačilih, domačem tekstilu in industrijskem tekstilu (kot so geotekstili in filtrirne tkanine). S prilagajanjem postopka predenja je mogoče proizvesti poliestrska vlakna z različnimi lastnostmi, kot so visoko trdna in nizko raztezljiva vlakna za industrijsko uporabo ter ultrafina vlakna za visokokakovostne tkanine.

Inženirski PET je visokozmogljiv PET, pridobljen z ojačitvijo, kaljenjem in drugimi modifikacijskimi postopki, ki se uporablja predvsem za nadomeščanje kovin ali drugih inženirskih plastik pri proizvodnji konstrukcijskih komponent. Z dodajanjem ojačevalnih materialov, kot so steklena vlakna in ogljikova vlakna, se lahko znatno izboljša trdnost, togost in toplotna odpornost PET-a. Natezna trdnost PET-a, ojačanega s steklenimi vlakni, lahko doseže več kot 150 MPa, temperatura toplotne deformacije pa lahko preseže 200 ℃. Primeren je za avtomobilske dele (kot so kljuke na vratih, instrumentne plošče), elektronska in električna ohišja, mehanske dele itd. Inženirski PET lahko izboljša tudi svojo udarno odpornost z dodajanjem kaljivih sredstev (kot so elastomeri) ali z dodajanjem zaviralcev gorenja, da se izpolnijo zahteve glede požarne zaščite.

4. Raznolika področja uporabe PET

PET se s svojo odlično celovito zmogljivostjo in raznolikimi metodami predelave pogosto uporablja na različnih področjih, kot so embalaža, tekstil, elektronika, avtomobili in gradbeništvo, ter postaja nepogrešljiv material v sodobni industriji in vsakdanjem življenju.

Področje embalaže je eno najpogosteje uporabljenih področij za PET, pri čemer prevladuje PET plastenke za steklenice. Pri embalaži za pijače so PET plastenke zaradi svoje prosojnosti, lahke teže, odpornosti na udarce in dobrih pregradnih lastnosti postale najprimernejša embalaža za mineralno vodo, gazirane pijače, sadne sokove, čaje itd. Vsako leto se po vsem svetu proizvede več kot 500 milijard PET plastenk. PET plastenke zaradi lahke zasnove nenehno zmanjšujejo porabo materiala, hkrati pa imajo dobro možnost recikliranja, kar spodbuja razvoj krožnega gospodarstva. Pri embalaži za živila se folija BOPET uporablja za izdelavo vrečk za kuhanje in vakuumskih pakirnih folij, ki prenesejo sterilizacijo pri visoki temperaturi pri 121 ℃ in podaljšajo rok uporabnosti živil; PET folije se termoformirajo v vakuumsko oblikovane škatle za pakiranje mesa, sadja, peciva itd., ki so tako prosojne kot zaščitne.

V tekstilni industriji so poliestrska vlakna, izdelana iz PET vlaknin, najpogosteje proizvedena sintetična vlakna, ki predstavljajo več kot 60 % svetovne proizvodnje vlaken. Poliestrski filament se uporablja za izdelavo oblačilnih tkanin, kot so srajce, obleke in športna oblačila, in ima lastnosti togosti in enostavnega vzdrževanja; mešanica poliestrskih rezanih vlaken z naravnimi vlakni, kot sta bombaž in volna, za izboljšanje odpornosti proti obrabi in ohranjanja oblike tkanine; industrijska poliestrska vlakna se uporabljajo za izdelavo geotekstilov (za ojačitev tal), filtrirnih materialov (kot so zračni filtri), varnostnih pasov, šotorov itd. Zaradi visoke trdnosti in vremenske odpornosti ustreza industrijskim potrebam.

Na področju elektronskih naprav ima PET folija pomembno vlogo. BOPET folija se zaradi odlične izolacijske lastnosti in toplotne odpornosti uporablja za izdelavo kondenzatorskih folij, izolacijskih folij za motorje, fleksibilnih substratov za tiskana vezja itd.; PET plošče se tiskajo in vtiskujejo v okrasne plošče, imenske ploščice in druge elektronske naprave. Po modifikaciji se inženirski PET uporablja za izdelavo komponent, kot so konektorji, ohišja stikal, nosilci za zaslone itd., ki imajo tako izolacijsko kot mehansko trdnost.

V avtomobilski industriji se inženirski PET ojača in modificira za proizvodnjo notranjih avtomobilskih delov (kot so instrumentne plošče in vratne obloge), zunanjih delov (kot so ohišja vzvratnih ogledal) in funkcionalnih komponent (kot so rešetke hladilnika). Njegova lahka teža lahko zmanjša porabo goriva, njegova kemična in vremenska odpornost pa izpolnjuje dolgoročne potrebe avtomobilske uporabe. PET se uporablja tudi za izolacijo avtomobilskih kabelskih snopov, sedežnih tkanin (poliestrske tkanine) itd., kar še dodatno širi njegovo uporabo v avtomobilski industriji.

Na področju arhitekture se PET material uporablja za proizvodnjo toplotnoizolacijskih materialov (kot je PET izolacijska vata), hidroizolacijskih membran, dekorativnih folij itd. PET izolacijska vata ima lastnosti lahke teže, negorljivosti in dobrega izolacijskega učinka ter je primerna za izolacijo zunanjih sten stavb; PET hidroizolacijska membrana je odporna na staranje in prebadanje ter se uporablja za hidroizolacijske projekte streh in kleti; PET dekorativna folija se nanese na površino plošče za izboljšanje njene estetike in odpornosti proti obrabi.

Poleg tega se PET uporablja v medicini za izdelavo infuzijskih steklenic, ohišij za brizge itd. Njegova kemijska stabilnost in higiena ustrezata medicinskim standardom; na področju 3D-tiskanja se PET žica uporablja za tehnologijo FDM tiskanja za izdelavo visoko trdnih modelov in delov.

5. Trendi varstva okolja in razvoja PET

Z naraščajočo globalno ozaveščenostjo o varstvu okolja sta prijaznost do okolja in trajnostni razvoj PET postala osrednja skrb industrije. Tehnologije recikliranja in zelene proizvodnje še naprej prebijajo v ospredje in spodbujajo preobrazbo industrije PET v krožno gospodarstvo.

Okoljska prednost PET je v njegovi dobri reciklabilnosti in visoki vrednosti recikliranja. Odpadni PET izdelki (kot so PET steklenice, folije, vlakna) se lahko reciklirajo na dva načina: fizično recikliranje in kemično recikliranje. Fizično recikliranje je postopek sortiranja, čiščenja, drobljenja in taljenja odpadnega PET v reciklirane PET rezine. Reciklirani PET se lahko uporablja za proizvodnjo izdelkov za steklenice, folije, vlakna in drugih izdelkov. Reciklirane PET steklenice se na primer uporabljajo za embalažo, ki ni namenjena prehrani, reciklirana vlakna pa za izdelavo preprog in oblačil (kot so reciklirane poliestrske tkanine). Kemično recikliranje razgradi PET na PTA in EG monomere s hidrolizo, alkoholizo in drugimi tehnologijami ter jih uporabi kot surovine za proizvodnjo novega PET, s čimer doseže zaprto zanko kroženja. Kemično recikliranje lahko obdela kompleksne in onesnažene PET odpadke, učinkovitost recikliranih surovin pa je blizu učinkovitosti surovin, ki se lahko uporabljajo na področju stika z živili.

Trenutno je glavni izziv pri recikliranju PET nepopoln sistem recikliranja. Svetovna stopnja recikliranja PET plastenk je približno 50 %, nekatere regije pa imajo nizko stopnjo recikliranja zaradi nezadostne ozaveščenosti o razvrščenem recikliranju in visokih stroškov recikliranja. Hkrati je treba strogo nadzorovati stabilnost delovanja in higieno recikliranega PET, da se prepreči vpliv nečistoč na kakovost izdelka.

V prihodnosti se bo razvoj PET-a premaknil v smeri visoke zmogljivosti, zelene in funkcionalne učinkovitosti. Kar zadeva visoko zmogljivost, se za izboljšanje toplotne odpornosti, odpornosti na udarce in pregradnih lastnosti PET-a uporablja molekularna zasnova in tehnologija modifikacije, na primer razvoj PET-a, odpornega na visoke temperature, za področja vročega polnjenja in inženiringa ter visoko pregradnega PET-a za pakiranje izdelkov z visoko dodano vrednostjo.

Kar zadeva ozelenitev, se raziskave in razvoj biološko osnovnega PET pospešujejo s ciljem doseči 100-odstotno proizvodnjo bioloških surovin in zmanjšati ogljični odtis; hkrati pa se optimizira tehnologija recikliranja, izboljša čistost in učinkovitost fizičnega recikliranja, razširi industrijski obseg kemičnega recikliranja in zgradi celovit sistem "proizvodnje, porabe, recikliranja, regeneracije".

Kar zadeva funkcionalizacijo, razviti PET materiale s posebnimi funkcijami, kot so antibakterijski PET za embalažo za živila, negorljivi PET za področje elektronike in gradbeništva ter inteligentni odzivni PET (kot je temperaturno občutljiva sprememba barve in nadzorovana razgradnja) za področje vrhunske embalaže in medicine. Poleg tega bo kompozitna tehnologija PET z drugimi materiali (kot so kompoziti PET/grafen) še razširila njegove meje delovanja in zadostila potrebam nastajajočih področij.

PET kot visokozmogljiv polimerni material odraža tesno povezanost znanosti o materialih in industrijskega povpraševanja v svojem razvojnem procesu. Od vsakodnevne embalaže do vrhunskih industrijskih aplikacij PET s svojimi edinstvenimi prednostmi podpira delovanje sodobne družbe. Z napredkom tehnologije varstva okolja in spodbujanjem krožnega gospodarstva bo PET dosegel trajnostni razvoj, hkrati pa ohranil praktičnost in prispeval k zeleni in nizkoogljični družbi.