PET suroviny

PET suroviny: vysokovýkonné polyesterové materiály a ich rozmanité využitie

Polyetyléntereftalát (PET) je lineárny aromatický polyester vyrobený kondenzačnou reakciou kyseliny tereftalovej a etylénglykolu. Ako jeden z piatich všeobecných technických plastov sa PET stal od začiatku svojej priemyselnej výroby v 40. rokoch 20. storočia nevyhnutným polymérnym materiálom v modernom priemysle vďaka svojmu vynikajúcemu komplexnému výkonu, širokej škále zdrojov surovín a vyspelým výrobným procesom. Od bežných fliaš na minerálnu vodu až po polyesterové oblečenie, od fólií na balenie potravín až po automobilové komponenty, PET prenikol do rôznych oblastí výroby a života so svojimi jedinečnými výhodami a podporuje trvalo udržateľný rozvoj materiálového priemyslu.

1. Molekulárna štruktúra a základné vlastnosti PET

Molekulárna štruktúra PET je základným faktorom určujúcim jeho výkon. Jeho opakujúca sa jednotka je -OC-C₆H₄-COO-CH₂CH₂- a molekulárny reťazec obsahuje pevné benzénové kruhy a flexibilné metylénové segmenty. Táto štruktúra dodáva PET tuhosť aj určitý stupeň húževnatosti.

Pokiaľ ide o mechanické vlastnosti, PET má vysokú pevnosť v ťahu a modul pružnosti, mierne predĺženie a lepšiu odolnosť proti nárazu ako krehké plasty, ako je polystyrén. Neupravený PET má dobrú tuhosť a po biaxiálnom naťahovaní sa jeho pevnosť môže výrazne zlepšiť. Napríklad pevnosť v ťahu biaxiálne naťahovanej PET fólie môže dosiahnuť 150 – 200 MPa, čo sa blíži k 1/10 ocele. Táto vysokopevnostná vlastnosť ho robí vynikajúcim v oblasti obalových a konštrukčných materiálov.

Pokiaľ ide o tepelné vlastnosti, teplota skleného prechodu PET je približne 70 – 80 ℃ s bodom topenia medzi 240 – 260 ℃. Krátkodobá teplota používania môže dosiahnuť 120 ℃ a dlhodobá teplota používania je 80 – 100 ℃, čo spĺňa teplotné požiadavky väčšiny denných a priemyselných scenárov. Teplota tepelnej deformácie PET je však relatívne nízka a je náchylný na deformáciu pri vysokých teplotách a namáhaní. Preto sa čistý PET väčšinou používa v scenároch bez zaťaženia alebo s nízkym zaťažením a vysokou teplotou. Na zlepšenie tepelnej odolnosti je potrebné dosiahnuť jej zvýšenou modifikáciou.

Bariérové vlastnosti sú jednou z hlavných výhod PET, ktorý má dobrý bariérový účinok na kyslík, oxid uhličitý, vodnú paru atď. a dokáže účinne oddialiť oxidačné zhoršenie a stratu vlhkosti obsahu. Najmä v prípade PET fľaškovej kvality je po procese biaxiálneho naťahovania usporiadanie molekulárnych reťazcov pravidelnejšie a bariérové vlastnosti sa ďalej zlepšujú, vďaka čomu je preferovaným materiálom na balenie nápojov, potravín, kozmetiky atď. Napríklad fľaše na sýtené nápoje musia odolávať určitému vnútornému tlaku a bariérové vlastnosti PET môžu účinne zabrániť úniku oxidu uhličitého.

Pokiaľ ide o chemickú odolnosť, PET má dobrú toleranciu voči väčšine organických rozpúšťadiel, kyselín a zásad a pri izbovej teplote ľahko nekoroduje. V silne zásaditých podmienkach alebo pri vysokých teplotách však môže dôjsť k hydrolýze. Táto vlastnosť ho robí vhodným na skladovanie kyslých nápojov (ako sú džúsy), neutrálnej vody atď., ale nie na dlhodobé skladovanie silne zásaditých kvapalín.

Okrem toho má PET dobrú priehľadnosť a lesk s priepustnosťou svetla viac ako 90 % po spracovaní, čo umožňuje jasne zobraziť obsah a zvýšiť vizuálnu príťažlivosť produktu; Zároveň sa PET ľahko spracováva a možno ho vstrekovaním, vyfukovaním, extrúziou a inými procesmi spracovať na rôzne formy výrobkov, ako sú fľaše, fólie, dosky, vlákna atď.

2. Výrobný proces a zdroje surovín pre PET

Priemyselná výroba PET využíva ako suroviny hlavne kyselinu tereftalovú (PTA) a etylénglykol (EG), ktoré vznikajú kondenzačnou reakciou. Jeho výrobný proces vytvoril zrelý a stabilný technický systém, ktorého jadrom je presná kontrola procesu polymerizačnej reakcie na získanie produktov so špecifickými vlastnosťami.

Pokiaľ ide o zdroje surovín, kyselina tereftalová (PTA) sa vyrába hlavne oxidáciou xylénu (PX), ktorý pochádza z extrakcie aromatických uhľovodíkov pri rafinácii ropy; etylénglykol (EG) sa vyrába hlavne oxidáciou etylénu za vzniku epoxyetánu, ktorý sa potom hydratuje. Etylén tiež pochádza z krakovania ropy alebo zemného plynu. S rastúcim dopytom po ochrane životného prostredia a trvalo udržateľnom rozvoji sa dosiahol pokrok vo výskume a vývoji biosurovín. Bioetylénglykol sa môže vyrábať fermentáciou biomasy a potom polymerizovať s PTA za vzniku bioPET, čím sa znižuje závislosť od fosílnych zdrojov.

Výrobný proces PET zahŕňa hlavne dve hlavné fázy: esterifikáciu a kondenzáciu. Podľa rozsahu výroby a dopytu po produkte ho možno rozdeliť na dva procesy: dávkovú polymerizáciu a kontinuálnu polymerizáciu.

Esterifikačná fáza zahŕňa esterifikačnú reakciu medzi PTA a EG za vysokej teploty a tlaku, čo vedie k tvorbe dihydroxyetyltereftalátu (BHET) a vody. Reakčná teplota sa zvyčajne reguluje na 220 – 260 ℃ a tlak je 0,2 – 0,5 MPa a reakcia sa urýchľuje katalyzátormi, ako sú antimónové a titánové katalyzátory. Esterifikačná reakcia je reverzibilná reakcia a vznikajúca voda sa musí včas odstrániť, aby sa podporila reakcia vpred a zabezpečilo sa, že rýchlosť esterifikácie dosiahne viac ako 95 %.

Kondenzačná fáza nastáva, keď BHET podlieha kondenzačnej reakcii za podmienok vyššej teploty a vákua, pričom sa odstraňuje etylénglykol a tvoria sa polymérne reťazce PET. Reakčná teplota sa zvýši na 270 – 290 ℃ a tlak sa zníži pod 100 Pa. Produkty s malými molekulami (etylénglykol) sa odstraňujú vo vákuovom prostredí, aby sa podporil rast molekulárnych reťazcov. Časové a procesné parametre kondenzačnej reakcie priamo ovplyvňujú molekulovú hmotnosť a distribúciu molekulovej hmotnosti PET, čím určujú výkon produktu. Proces kontinuálnej polymerizácie dosahuje kontinuálnu výrobu prostredníctvom viacerých sériových reaktorov, čo má výhody vysokej výrobnej účinnosti a stabilnej kvality produktu a je vhodné pre veľkovýrobu; prerušovaná polymerizácia má vysokú flexibilitu a je vhodná pre malovýrobu a viacdruhovú výrobu.

Po ukončení polymerizačnej reakcie sa roztavený PET odlieva a nakrája na plátky PET, ktoré sú tuhými PET surovinami. Plátky je potrebné vysušiť, aby sa odstránila vlhkosť (obsah vlhkosti by mal byť pod 0,005 %), aby sa predišlo poklesu molekulovej hmotnosti v dôsledku hydrolýzy počas následného spracovania. V závislosti od požiadaviek aplikácie je možné vnútornú viskozitu (hodnotu IV) plátkov PET regulovať úpravou procesných parametrov. Hodnota IV plátkov PET fľaškovej kvality je zvyčajne 0,7 – 0,8 dL/g, membránovej kvality 0,6 – 0,7 dL/g a kvality vláknitého materiálu 0,6 – 0,9 dL/g.

Modifikácia kopolymerizáciou je dôležitým prostriedkom na rozšírenie výkonnostného rozsahu PET. Pridaním tretích monomérov (ako je cyklohexándimetanol a kyselina izoftalová) počas polymerizačného procesu je možné zmeniť štruktúru molekulárneho reťazca a získať tak modifikované produkty PET. Napríklad PET sa kopolymerizuje s cyklohexándimetanolom za vzniku PETG, čo výrazne zlepšuje jeho flexibilitu, odolnosť voči nárazu a spracovateľnosť, vďaka čomu je vhodný na balenie s vysokou transparentnosťou a zdravotnícke pomôcky. Pridanie kyseliny izoftalovej môže znížiť kryštalinitu PET, zlepšiť jeho spracovateľský výkon a chemickú odolnosť.

3. Klasifikácia a rozdiely vo výkone PET

Podľa oblasti použitia a požiadaviek na výkon možno PET rozdeliť do štyroch kategórií: PET fľaškovej kvality, PET fóliovej kvality, PET vláknitej kvality a PET technickej kvality. Rôzne typy PET sa výrazne líšia v molekulovej hmotnosti, kryštalinite, spracovateľskom výkone atď., aby spĺňali potreby rôznych scenárov.

PET fľaškovej kvality je najrozšírenejším druhom PET, ktorý sa používa hlavne na výrobu rôznych plastových fliaš. Má vysokú vnútornú viskozitu (0,7 – 0,8 dL/g), vynikajúcu priehľadnosť, mechanickú pevnosť a bariérové vlastnosti a vynikajúcu odolnosť voči nárazu a vnútornému tlaku. Aby boli splnené požiadavky na vyfukovanie, PET čipy fľaškovej kvality musia mať dobrú tekutosť taveniny a stabilitu pri spracovaní. Po vstrekovaní do predliskov sa z nich potom vyformujú fľaše pomocou technológie biaxiálneho naťahovania a vyfukovania. Proces naťahovania orientuje molekulárne reťazce, čím sa ďalej zlepšujú pevnostné a bariérové vlastnosti. PET fľaškovej kvality možno rozdeliť na fľaše na vodu, fľaše na sýtené nápoje, fľaše plnené za tepla atď. Podľa ich použitia môže PET fľaškovej kvality plnené za tepla zlepšiť svoju tepelnú odolnosť prostredníctvom kopolymerizačnej modifikácie a vydrží procesy plnenia za tepla pri teplote 85 – 95 ℃.

PET fólie sa používa hlavne na výrobu rôznych tenkovrstvových produktov s mierne nižšou vnútornou viskozitou ako fólia na fľaše (0,6 – 0,7 dL/g) a má dobré mechanické vlastnosti, tepelnú odolnosť a izoláciu. PET fólia sa vyrába extrúznym liatím alebo biaxiálne orientovaným naťahovaním. Po pozdĺžnom a priečnom naťahovaní sa výrazne zlepšuje pevnosť, priehľadnosť a bariérové vlastnosti biaxiálne orientovanej PET (BOPET) fólie. Široko sa používa vo fóliách na balenie potravín (ako sú naparovacie vrecká), izolačných fóliách (ako sú kondenzátorové fólie), ochranných fóliách na karty, fóliách na fotovoltaické zadné vrstvy atď. PET fólie môže zlepšiť výkonnosť fólie pridaním mazív, antiadhéznych činidiel atď., napríklad znížením koeficientu trenia pre ľahšie navíjanie a spracovanie.

PET vláknitej kvality je hlavnou surovinou v textilnom priemysle, konkrétne polyesterová (polyesterová) surovina so širokým rozsahom vnútornej viskozity (0,6 – 0,9 dL/g) a parametre sa upravujú podľa druhu vlákna (filament, striž). PET vláknitej kvality sa spracováva na polyesterové vlákna procesom tavného spriadania, ktorý má výhody vysokej pevnosti, odolnosti voči opotrebovaniu, odolnosti voči pokrčeniu a ľahkého prania. Široko sa používa v odevnom priemysle, bytovom textílii a priemyselnom textílii (ako sú geotextílie a filtračné tkaniny). Úpravou procesu spriadania je možné vyrábať polyesterové vlákna s rôznymi vlastnosťami, ako sú vysokopevnostné a nízkorozťažné vlákna pre priemyselné použitie a ultrajemné vlákna pre luxusné tkaniny.

Technický PET je vysokovýkonný PET získaný vystužením, kalením a inými modifikačnými úpravami, ktorý sa používa hlavne ako náhrada kovov alebo iných technických plastov pri výrobe konštrukčných komponentov. Pridaním výstužných materiálov, ako sú sklenené vlákna a uhlíkové vlákna, je možné výrazne zlepšiť pevnosť, tuhosť a tepelnú odolnosť PET. Pevnosť v ťahu PET vystuženého sklenenými vláknami môže dosiahnuť viac ako 150 MPa a teplota tepelnej deformácie môže presiahnuť 200 ℃. Je vhodný na automobilové diely (ako sú kľučky dverí, prístrojové dosky), elektronické a elektrické kryty, mechanické diely atď. Technický PET môže tiež zlepšiť svoju rázovú odolnosť pridaním vytvrdzovacích činidiel (ako sú elastoméry) alebo pridaním spomaľovačov horenia, aby sa splnili požiadavky na protipožiarnu ochranu.

4. Rozmanité oblasti použitia PET

PET sa vďaka svojmu vynikajúcemu komplexnému výkonu a rozmanitým metódam spracovania široko používa v rôznych oblastiach, ako sú obaly, textil, elektronika, automobily a stavebníctvo, a stal sa nepostrádateľným materiálom v modernom priemysle a každodennom živote.

Oblasť balenia je jednou z najpoužívanejších oblastí pre PET, pričom dominuje PET fľašková kvalita. V oblasti balenia nápojov sa PET fľaše stali preferovanou obalovou nádobou na minerálnu vodu, sýtené nápoje, ovocné šťavy, čaje atď. vďaka svojej priehľadnosti, nízkej hmotnosti, odolnosti voči nárazom a dobrým bariérovým vlastnostiam. Každý rok sa na celom svete vyrobí viac ako 500 miliárd PET fliaš. PET fľaše neustále znižujú spotrebu materiálu vďaka ľahkej konštrukcii a zároveň majú dobrú recyklovateľnosť, čo podporuje rozvoj obehového hospodárstva. V oblasti balenia potravín sa fólia BOPET používa na výrobu kuchynských vreciek a vákuových baliacich fólií, ktoré odolávajú sterilizácii pri vysokej teplote 121 ℃ a predlžujú trvanlivosť potravín; PET fólie sa tepelne tvarujú do vákuovo tvarovaných krabíc na balenie mäsa, ovocia, pečiva atď., ktoré sú priehľadné aj ochranné.

V textilnom priemysle sú polyesterové vlákna vyrobené z PET vláknitej triedy najrozšírenejšími syntetickými vláknami a predstavujú viac ako 60 % celosvetovej produkcie vlákien. Polyesterové vlákno sa používa na výrobu odevných látok, ako sú košele, šaty a športové oblečenie, a vyznačuje sa pevnosťou a ľahkou údržbou; miešanie polyesterových strižných vlákien s prírodnými vláknami, ako je bavlna a vlna, na zlepšenie odolnosti proti opotrebovaniu a zachovania tvaru látky; priemyselné polyesterové vlákno sa používa na výrobu geotextílií (na spevnenie pôdy), filtračných materiálov (ako sú vzduchové filtre), bezpečnostných pásov, stanov atď. Jeho vysoká pevnosť a odolnosť voči poveternostným vplyvom spĺňajú priemyselné potreby.

V oblasti elektronických spotrebičov zohráva PET fólia dôležitú úlohu. BOPET fólia sa používa na výrobu kondenzátorových fólií, izolačných fólií pre motory, flexibilných substrátov pre dosky plošných spojov atď. vďaka svojim vynikajúcim izolačným vlastnostiam a tepelnej odolnosti; PET fólie sa tlačia a lisujú do dekoratívnych panelov, štítkov s označením a iných elektronických zariadení. Po úprave sa PET technickej kvality používa na výrobu komponentov, ako sú konektory, kryty spínačov, držiaky displejov atď., pričom sa vyznačuje izoláciou aj mechanickou pevnosťou.

V automobilovom priemysle sa PET technickej kvality vystužuje a upravuje na výrobu interiérových dielov automobilov (ako sú prístrojové dosky a dverové panely), exteriérových dielov (ako sú kryty spätných zrkadiel) a funkčných komponentov (ako sú mriežky chladiča). Jeho ľahké vlastnosti môžu znížiť spotrebu paliva a jeho chemická a poveternostná odolnosť spĺňa dlhodobé potreby automobilového priemyslu. PET sa tiež používa na izoláciu automobilových káblových zväzkov, tkanín sedadiel (polyesterové tkaniny) atď., čím sa ďalej rozširuje jeho uplatnenie v automobilovom priemysle.

V oblasti architektúry sa PET materiál používa na výrobu tepelnoizolačných materiálov (ako je PET izolačná vata), hydroizolačných membrán, dekoračných fólií atď. PET izolačná vata má vlastnosti nízkej hmotnosti, spomaľovača horenia a dobrého izolačného účinku a je vhodná na izoláciu vonkajších stien budov; PET hydroizolačná membrána je odolná voči starnutiu a prepichnutiu, používa sa na hydroizolačné projekty striech a suterénov; PET dekoračná fólia sa nanáša na povrch dosky na zvýšenie jej estetiky a odolnosti voči opotrebovaniu.

Okrem toho sa PET používa v medicíne na výrobu infúznych fliaš, puzdier striekačiek atď. Jeho chemická stabilita a hygiena spĺňajú lekárske štandardy; v oblasti 3D tlače sa PET drôt používa pre technológiu tlače FDM na výrobu vysokopevnostných modelov a dielov.

5. Trendy ochrany životného prostredia a rozvoja PET

S rastúcim globálnym povedomím o ochrane životného prostredia sa environmentálna šetrnosť a udržateľný rozvoj PET stali hlavnými záujmami tohto odvetvia. Jeho recyklácia a zelené výrobné technológie naďalej prelomujú a podporujú transformáciu PET priemyslu smerom k obehovému hospodárstvu.

Environmentálna výhoda PET spočíva v jeho dobrej recyklovateľnosti a vysokej recyklačnej hodnote. Odpadové PET produkty (ako sú PET fľaše, fólie, vlákna) je možné recyklovať dvoma spôsobmi: fyzikálnou recykláciou a chemickou recykláciou. Fyzikálna recyklácia je proces triedenia, čistenia, drvenia a tavenia odpadového PET na recyklované PET plátky. Recyklovaný PET sa môže použiť na výrobu fliaš, fólií, vlákien a iných produktov. Napríklad recyklované PET fľaše sa používajú na balenie nepotravinových výrobkov a recyklované vlákna sa používajú na výrobu kobercov a odevných tkanín (ako sú recyklované polyesterové tkaniny). Chemická recyklácia rozkladá PET na monoméry PTA a EG pomocou hydrolýzy, alkoholýzy a iných technológií a používa ich ako suroviny na výrobu nového PET, čím sa dosahuje uzavretý obeh. Chemická recyklácia dokáže spracovať zložitý a znečistený PET odpad a vlastnosti recyklovaných surovín sa blížia vlastnostiam surovín, ktoré sa môžu použiť v oblasti kontaktu s potravinami.

V súčasnosti je hlavnou výzvou, ktorej čelí recyklácia PET, nedokonalý systém recyklácie. Celosvetová miera recyklácie PET fliaš je približne 50 % a niektoré regióny majú nízku mieru recyklácie kvôli nedostatočnému povedomiu o klasifikovanej recyklácii a vysokým nákladom na recykláciu. Zároveň je potrebné prísne kontrolovať stabilitu výkonu a hygienu recyklovaného PET, aby sa predišlo nečistôtam ovplyvňujúcim kvalitu výrobku.

V budúcnosti sa vývoj PET bude uberať smerom k vysokovýkonnému, ekologickému a funkčnému. Pokiaľ ide o vysoký výkon, molekulárne dizajnové a modifikačné technológie sa používajú na zlepšenie tepelnej odolnosti, odolnosti voči nárazu a bariérových vlastností PET, ako je vývoj PET odolného voči vysokým teplotám pre oblasti horúceho plnenia a strojárstva a PET s vysokou bariérou pre balenie produktov s vysokou pridanou hodnotou.

Pokiaľ ide o ekologizáciu, výskum a vývoj bio PET sa zrýchľuje s cieľom dosiahnuť 100 % produkciu bio surovín a znížiť uhlíkovú stopu. Zároveň sa optimalizuje technológia recyklácie, zlepšuje čistota a účinnosť fyzickej recyklácie, rozširuje priemyselný rozsah chemickej recyklácie a budovanie kompletného cyklu výroby, spotreby, recyklácie a regenerácie.

Pokiaľ ide o funkcionalizáciu, vyvíjať PET materiály so špeciálnymi funkciami, ako napríklad antibakteriálny PET na balenie potravín, PET s retardérom horenia pre elektroniku a stavebníctvo a inteligentný responzívny PET (ako napríklad teplotne citlivá zmena farby a kontrolovaná degradácia) pre špičkové baliace a medicínske oblasti. Okrem toho kompozitná technológia PET s inými materiálmi (ako sú kompozity PET/grafén) ďalej rozšíri hranice jeho výkonnosti a uspokojí potreby vznikajúcich oblastí.

PET ako vysokovýkonný polymérny materiál odráža úzku integráciu materiálovej vedy a priemyselného dopytu v procese svojho vývoja. Od každodenného balenia až po špičkové priemyselné aplikácie, PET podporuje fungovanie modernej spoločnosti svojimi jedinečnými výhodami. S pokrokom v technológiách ochrany životného prostredia a podporou obehového hospodárstva dosiahne PET udržateľný rozvoj a zároveň si zachová praktickosť, čím prispeje k zelenej a nízkouhlíkovej spoločnosti.