PETG surovine

PETG surovine: značilnosti in uporaba visokozmogljivih kopoliestrskih materialov

PETG (polietilen tereftalat cikloheksandimetanol ester) je nekristalni termoplastični poliestrski material, modificiran s ternarno kopolimerizacijo tereftalne kisline (PTA), etilen glikola (EG) in cikloheksandimetanola (CHDM). Kot pomembna modificirana različica PET-a je PETG s svojo odlično prosojnostjo, fleksibilnostjo, predelovalnostjo in okolju prijaznostjo prebil omejitve delovanja tradicionalnega PET-a. Pokazal je edinstvene prednosti v embalaži, medicini, gradbeništvu, potrošniški elektroniki in drugih področjih ter v zadnjih letih postal hitro razvijajoč se visokozmogljiv material z visoko molekulsko maso.

1. Molekularna struktura in značilnosti jedra

Molekularna struktura PETG je temelj njegovih prednosti. V primerjavi s kristalnim PET-om PETG v molekularno verigo vnaša monomer cikloheksandimetanola (CHDM), ki nadomešča nekaj etilen glikola, s čimer se prekine pravilna razporeditev molekularnih verig PET, znatno zmanjša sposobnost kristalizacije in nastane amorfna ali nizkokristalna struktura. Ta molekularna zasnova prinaša vrsto odličnih lastnosti.

Prozornost je ena najizjemnejših lastnosti PETG-a, s prepustnostjo svetlobe več kot 90 %, meglico pod 1 %, visokim sijajem in primerljivo s prozornimi materiali, kot sta polikarbonat (PC) in akril (PMMA). Amorfna struktura preprečuje sipanje svetlobe, ki ga povzroča kristalizacija PET-a, in lahko ohranja visoko prosojnost tudi pri izdelkih z debelimi stenami, kar rešuje težave z enostavnim beljenjem in zmanjšano prosojnostjo pri običajnih izdelkih z debelimi stenami PET-a.

Kar zadeva mehanske lastnosti, ima PETG dobro žilavost in togost. Njegova udarna trdnost je 3-5-krat večja od navadnega PET-a, njegova udarna trdnost v zarezi pa lahko doseže več kot 60 kJ/m², kar je veliko več kot pri krhkem navadnem PET-u. Hkrati natezna trdnost doseže 30-50 MPa, upogibni modul pa 1500-2500 MPa, kar lahko zadosti mehanskim zahtevam večine konstrukcijskih komponent. PETG ima odlično prožnost, z raztezkom pri lomu do 200 % -300 %. Lahko se obdeluje s hladnim upogibanjem, prepogibanjem itd., ne da bi se zlomil, zaradi česar je primeren za izdelavo izdelkov, ki zahtevajo določeno stopnjo elastičnosti.

Kar zadeva toplotno učinkovitost, je temperatura steklastega prehoda (Tg) PETG približno 78–88 ℃. Čeprav je nižja od tališča kristalizacije PET, je njegova temperatura toplotne deformacije relativno visoka (65–75 ℃) in ga je mogoče stabilno uporabljati pri sobni temperaturi dlje časa. Ima tudi izjemno odpornost na nizke temperature in ohranja dobro žilavost pri -40 ℃ brez krhkosti. V primerjavi s PC ima PETG nižjo temperaturo obdelave (običajno 230–270 ℃), manjšo porabo energije in je manj nagnjen k razgradnji pri visokih temperaturah.

Kar zadeva kemijsko stabilnost, ima PETG dobro odpornost na vodo, kisline, alkalije itd., njegova kemična odpornost proti koroziji pa je boljša od PMMA in PC. Vsakodnevne kemikalije, kot so alkohol in detergenti, ga ne korodirajo zlahka, njegova površina pa je dobro odporna na praske s trdoto Shore D78-85, ki jo je mogoče dodatno izboljšati s premazom. Hkrati je PETG brez vonja, nestrupen in izpolnjuje standarde za materiale v stiku z živili, kot sta FDA in EU 10/2011. Ima tudi medicinske certifikate, kot je USP Class VI, njegova varnost pa je bila splošno priznana.

Zmogljivost obdelave je še ena velika prednost PETG-a. Kot amorfni material ima PETG dobro pretočnost taline, nizko stopnjo krčenja pri brizganju (0,5 % -1,5 %), odlično dimenzijsko stabilnost in je primeren za precizno brizganje. Obdeluje se lahko z različnimi postopki, kot so brizganje, ekstruzija, pihanje in termooblikovanje, ter ima široko okno obdelave, ki ni nagnjeno k razpokam zaradi napetosti. Ima dobre lastnosti naknadne obdelave (kot so tiskanje, lepljenje in varjenje) in lahko zadovolji proizvodne potrebe kompleksnih izdelkov.

2. Proizvodni proces in viri surovin

Proizvodni proces PETG temelji na tehnologiji polimerizacije poliestra, katere jedro je natančen nadzor razmerja in procesa polimerizacije ternarnih monomerov za doseganje regulacije molekularne strukture. Glavne surovine vključujejo tereftalno kislino (PTA), etilen glikol (EG) in cikloheksandimetanol (CHDM), pri čemer čistost in delež CHDM neposredno vplivata na delovanje PETG.

Kar zadeva vire surovin, tradicionalni PETG PTA in EG večinoma prihajata iz petrokemične industrijske verige in se proizvajata s postopki, kot je kreking nafte; CHDM se proizvaja s koraki, kot sta oksidacija in hidrogeniranje cikloheksana, in je odvisen tudi od fosilnih virov. V zadnjih letih je bil dosežen preboj na področju raziskav in razvoja bioloških surovin, industrializacija biološke PTA (proizvedene s fermentacijo biomase), biološke EG in biološke CHDM pa je postopoma napredovala, kar omogoča zeleno proizvodnjo PETG in znatno zmanjšuje ogljični odtis izdelkov.

Proizvodni proces PETG vključuje predvsem tri ključne faze: esterifikacijo, kopolimerizacijo in polimerizacijo ter granulacijo. V fazi esterifikacije PTA najprej prestane reakcijo esterifikacije z EG in CHDM pri 180–220 ℃ in 0,2–0,5 MPa, da nastane dihidroksietil tereftalat, cikloheksandimetanol tereftalat in voda. Reakcijo pospeši katalizator (kot je katalizator na osnovi titana), voda pa se pravočasno odstrani, da se spodbudi nadaljnja reakcija. Stopnja esterifikacije mora doseči več kot 95 %.

Faza kopolimerizacije in kondenzacije temelji na esterifikacijskem produktu, segretem na 240–270 ℃ in izvedenem v vakuumskem okolju (tlak ≤ 100 Pa) za kondenzacijsko reakcijo, z odstranitvijo produktov z majhnimi molekulami (predvsem EG) za povečanje molekularne verige. V tej fazi je treba strogo nadzorovati delež dodanega CHDM (običajno 30–50 % celotne količine diolov). Če je delež previsok, se bo zmanjšala toplotna odpornost materiala, če pa je prenizek, se kristaliničnost ne bo učinkovito poškodovala. Čas in temperatura kondenzacijske reakcije neposredno vplivata na intrinzično viskoznost (vrednost IV) PETG, ki se običajno nadzoruje med 0,7–1,2 dL/g za uravnoteženje predelovalnosti in mehanskih lastnosti.

Po končani polimerizaciji se staljeni PETG ulije in nareže na bele ali prozorne granulirane rezine, ki jih je treba strogo posušiti (vsebnost vlage ≤ 0,005 %), da se prepreči izguba molekulske mase zaradi hidrolize med nadaljnjo obdelavo. Glede na zahteve uporabe se lahko med fazo granulacije dodajo antioksidanti, maziva, UV-absorberji in drugi dodatki za izboljšanje toplotne stabilnosti, predelave in vremenske odpornosti izdelka. Izbira dodatkov mora biti v skladu s standardi za stik z živili ali medicinsko kakovostjo.

Med proizvodnim procesom so potrebne napredne spletne tehnologije spremljanja, kot sta infrardeča spektroskopija in merilniki viskoznosti, za spremljanje napredka reakcije in delovanja izdelka v realnem času, kar zagotavlja stabilnost serije. V primerjavi s PET zahteva postopek polimerizacije PETG večjo natančnost opreme in nadzor procesa, zlasti enakomernost meritev in disperzije CHDM, kar neposredno vpliva na prosojnost in doslednost mehanskih lastnosti izdelka.

3. Razlike v klasifikaciji in delovanju

Glede na karakteristično viskoznost, vsebnost CHDM in scenarije uporabe lahko PETG razdelimo v več kategorij, različne vrste PETG pa se razlikujejo po zmogljivosti, da zadostijo različnim potrebam.

PETG z nizko vrednostjo intrinzične viskoznosti (0,7–0,9 dL/g) ima dobro pretočnost in je primeren za brizganje majhnih preciznih izdelkov (kot so pokrovčki za kozmetične steklenice in elektronski dodatki); PETG s srednjo vrednostjo intrinzične viskoznosti (0,9–1,1 dL/g) uravnava pretočnost in mehanske lastnosti, primeren je za pihanje (kot so steklenice), ekstrudirane plošče itd.; PETG z visoko vrednostjo intrinzične viskoznosti (1,1–1,2 dL/g) ima visoko mehansko trdnost in je primeren za izdelavo konstrukcijskih komponent, kot so debelostenske plošče in cevi.

Glede na vsebnost CHDM ima PETG z nizko vsebnostjo CHDM (30 % -40 %) določeno nagnjenost k kristalizaciji, nekoliko višjo toplotno odpornost (Tg približno 85–90 ℃), dobro togost in je primeren za pakiranje izdelkov, ki zahtevajo toplotno odpornost; PETG z visoko vsebnostjo CHDM (40 % -50 %) pa ima večjo nekristaliničnost, boljšo prožnost in prosojnost, vendar nekoliko nižjo toplotno odpornost (Tg približno 75–80 ℃), zaradi česar je primeren za izdelke, kot so folije in cevi, ki zahtevajo visoko žilavost.

Glede na področje uporabe se PETG za embalažo osredotoča na prosojnost, kemično odpornost in predelavo ter izpolnjuje higienske zahteve za embalažo za živila in kozmetiko; PETG medicinske kakovosti mora imeti certifikat o biokompatibilnosti (kot je USP razred VI), biti nestrupen, odporen na sterilizacijo (kot je sterilizacija z gama žarki) in primeren za proizvodnjo medicinskih pripomočkov; PETG industrijske kakovosti se osredotoča na mehanske lastnosti in dimenzijsko stabilnost ter se uporablja za strukturne komponente na področjih, kot sta gradbeništvo in elektronika.

Razlike v zmogljivosti različnih vrst PETG se odražajo predvsem v toplotni odpornosti, fleksibilnosti in predelovalnosti. Na primer, prepustnost PETG embalažne kakovosti je običajno večja od 92 %, megličnost je manjša od 1 %, natezna trdnost je 35–45 MPa, raztezek pri pretrgu pa 200–300 %; PETG medicinske kakovosti ne izpolnjuje le mehanskih lastnosti, temveč mora opraviti tudi teste citotoksičnosti in senzibilizacije; Temperatura toplotne deformacije (0,45 MPa) industrijske kakovosti PETG lahko doseže 60–70 ℃, kar je primerno za zahteve glede strukturne podpore pri sobni temperaturi.

4. Raznolika področja uporabe

PETG je s svojimi obsežnimi prednostmi v delovanju nadomestil tradicionalne materiale na več področjih in pokazal široke možnosti uporabe, zlasti v scenarijih z visokimi zahtevami glede prosojnosti, žilavosti in okolju prijaznosti.

Področje embalaže je glavni trg uporabe PETG-ja, zlasti v vrhunski embalaži. Pri embalaži za kozmetiko imajo steklenice in cevi iz PETG-ja kristalno prozorno teksturo, visok sijaj, ki lahko poudari kakovost izdelka, in odlično kemično odpornost. Lahko vsebujejo izdelke za nego kože, parfume in druge izdelke s kompleksnimi sestavinami. Hkrati so močno odporne na udarce, se ne zlomijo zlahka in zmanjšujejo izgube pri transportu.

Na področju embalaže za živila PETG izpolnjuje standarde za materiale za stik z živili (kot je FDA 21 CFR 177.1310), je brez vonja in odporen na nizke temperature (primeren za hlajenje). Uporablja se lahko za izdelavo pločevink za živila, skodelic za pijačo, škatel za svežino itd. Zaradi dobrega tesnjenja in kemične odpornosti lahko zaščiti okus živil, njegova prosojnost pa potrošnikom olajša opazovanje vsebine. PETG folijo je mogoče izdelati v kompozitno embalažno folijo in skrčljivo folijo, ki ima dobre lastnosti toplotnega tesnjenja in je primerna za neenakomerno embalažo.

Na področju zdravstva je medicinski PETG zaradi dobre biokompatibilnosti, odpornosti na sterilizacijo in enostavne obdelave postal idealen material za medicinske pripomočke. Uporablja se lahko za izdelavo infuzijskih kompletov, ovitkov brizg, medicinskih katetrov, stekleničk za pakiranje zdravil itd. Njegova prosojnost olajša opazovanje stanja pretoka tekočine, odpornost na sterilizacijo z gama žarki pa zagotavlja sterilnost medicinskih pripomočkov. Poleg tega se PETG uporablja tudi za izdelavo zobnih modelov, protetičnih ovitkov itd., pri čemer uravnotežuje udobje in vzdržljivost.

Na področju arhitekture in dekoracije se PETG plošče zaradi visoke prosojnosti, odpornosti na vremenske vplive in udarce uporabljajo za izdelavo svetlobnih plošč, zaščitnih pokrovov, dekorativnih plošč itd. V primerjavi s steklom je PETG plošča lažja (gostota 1,23–1,27 g/cm³, približno polovica stekla), manj nagnjena k lomljenju in ima večjo varnost; v primerjavi z akrilom ima PETG boljšo kemično odpornost, manj nagnjen k rumenenju in staranju ter daljšo življenjsko dobo. PETG se lahko uporablja tudi za izdelavo dekorativnih folij in furnirja za pohištvo, s čimer se s tiskanjem, premazovanjem in drugimi postopki doseže raznolik videz.

Na področju potrošniške elektronike se PETG uporablja za izdelavo ohišij elektronskih naprav, zaščitnih pokrovov, okvirjev za zaslone itd. Njegova dobra dimenzijska stabilnost in obdelovalnost lahko izpolnjujeta proizvodne zahteve za precizne komponente, njegovo odpornost proti obrabi in praskam pa je mogoče izboljšati s površinsko obdelavo (kot so utrjeni premazi). V 3C embalaži izdelkov lahko vakuumsko oblikovane škatle PETG jasno razstavijo izdelke in zagotavljajo dobro zaščito.

Na drugih področjih se PETG folija lahko uporablja za tiskanje, vroče žigosanje, etikete proti ponarejanju itd., z odlično zmogljivostjo naknadne obdelave; PETG cevi se zaradi dobre prožnosti in odpornosti proti kemični koroziji uporabljajo za transport industrijskih tekočin in cevovode za medicinske pripomočke; na področju igrač so prozorne igrače iz PETG varne, nestrupene in imajo močno odpornost proti udarcem, zaradi česar so primerne za uporabo otrok.

5. Trendi varstva okolja in razvoja

Okoljske značilnosti PETG-a mu dajejo prednost v trendu trajnostnega razvoja, medtem ko industrija nenehno spodbuja tehnološke inovacije, širi meje delovanja in scenarije uporabe.

Kar zadeva varstvo okolja, ima PETG dobro možnost recikliranja, odpadne izdelke PETG pa je mogoče reciklirati s fizikalnim ali kemičnim recikliranjem. Fizično recikliranje je postopek sortiranja, čiščenja in drobljenja odpadnih materialov pred taljenjem in preoblikovanjem. Reciklirani PETG se lahko uporablja za proizvodnjo izdelkov, ki ne pridejo v stik z živili (kot so embalažni materiali in industrijske komponente); kemično recikliranje razgradi PETG v monomere z reakcijo depolimerizacije, ki se ponovno uporabijo v proizvodnji polimerizacije za doseganje zaprtega kroženja. V primerjavi s kloriranimi plastikami, kot je PVC, PETG med zgorevanjem ne proizvaja strupenih plinov in ima manjše tveganje za okolje.

Raziskave in razvoj biološko zasnovanega PETG-ja so pomembna smer za zeleni razvoj. Z uporabo biološko zasnovanega PTA, biološko zasnovanega EG-ja in biološko zasnovanega CHDM-ja se lahko znatno zmanjša odvisnost od fosilnih virov, emisije ogljika izdelkov med njihovim življenjskim ciklom pa se lahko zmanjšajo za več kot 30 % v primerjavi s tradicionalnim PETG-jem. Trenutno je več podjetij lansiralo nekatere biološko zasnovane PETG izdelke. Z zmanjšanjem stroškov bioloških surovin se bo industrializacija popolnoma biološko zasnovanega PETG-ja pospešila.

Razvojni trend PETG se odraža predvsem v treh smereh: visoka zmogljivost, funkcionalizacija in širitev uporabe. Kar zadeva visoko zmogljivost, se z optimizacijo razmerja CHDM z molekularno zasnovo, uvedbo četrtih monomerov (kot so dolgoverižni dioli) ali kompozitov z nanomateriali (kot sta grafen in nano kalcijev karbonat) izboljša toplotna odpornost (kot je temperatura toplotne deformacije nad 80 ℃), odpornost proti obrabi in mehanska trdnost PETG, kar širi področje inženirskih strukturnih komponent.

Kar zadeva funkcionalizacijo, razvoj sort PETG s posebnimi funkcijami, kot je antibakterijski PETG (z dodajanjem antibakterijskih sredstev, kot so nanosrebrni in cinkovi ioni) za medicinsko in živilsko embalažo, ki lahko zavira rast mikrobov; PETG, ki zavira gorenje, izpolnjuje zahteve požarne zaščite na področju elektronike in gradbeništva z dodajanjem zaviralcev gorenja brez halogenov; PETG z inteligentnim odzivom (kot je temperaturno občutljiva sprememba barve in odziv na pH) se uporablja za vrhunsko embalažo in medicinski nadzor za doseganje dinamične regulacije funkcij.

Kar zadeva širitev uporabe, ima PETG ogromen potencial na področju nove energije, kot je proizvodnja prozornih zadnjih plošč za fotovoltaične module (z odlično odpornostjo na vremenske vplive in izolacijo); na področju 3D-tiskanja je žica PETG zaradi visoke natančnosti tiskanja in odpornosti na upogibanje postala eden izmed prednostnih materialov za FDM-tiskanje. Uporablja se lahko za ustvarjanje kompleksnih modelov in funkcionalnih komponent; na področju fleksibilne elektronike se lahko folija PETG uporablja kot substrat in se kombinira s prevodnimi materiali za pripravo fleksibilnih vezij in senzorjev.

Kar zadeva tehnološke inovacije, lahko optimizacija procesa neprekinjene polimerizacije izboljša učinkovitost proizvodnje in stabilnost kakovosti PETG ter zmanjša proizvodne stroške; razvoj novih katalizatorjev (kot so okolju prijazni katalizatorji brez antimona) lahko zmanjša ostanke težkih kovin in izboljša varnost izdelkov; tehnologija modifikacije mešanja (kot je mešanje PETG s PC in PMMA) lahko združi prednosti različnih materialov za razvoj kompozitnih izdelkov z bolj celovito zmogljivostjo.

Razvoj PETG-ja, visokozmogljivega kopolimernega poliestrskega materiala, odraža napredek tehnologije modifikacije polimernih materialov. Z natančno regulacijo molekularne strukture PETG prebija omejitve delovanja tradicionalnih poliestrov, ohranja odlično prosojnost in predelovalnost, hkrati pa zagotavlja fleksibilnost, okolju prijaznost in varnost. Z napredkom zelene proizvodne tehnologije in širitvijo scenarijev uporabe bo PETG igral vse pomembnejšo vlogo v vrhunski proizvodnji, trajnostni embalaži in zdravstvu ter postal eden ključnih materialov, ki spodbujajo nadgradnjo industrije polimernih materialov.