PETG suroviny

PETG suroviny: vlastnosti a použitie vysokovýkonných kopolyesterových materiálov

PETG (polyetyléntereftalát cyklohexándimetanolester) je nekryštalický termoplastický polyesterový materiál modifikovaný ternárnou kopolymerizáciou kyseliny tereftalovej (PTA), etylénglykolu (EG) a cyklohexándimetanolu (CHDM). Ako dôležitá modifikovaná odroda PET, PETG prekonal výkonnostné obmedzenia tradičného PET vďaka svojej vynikajúcej priehľadnosti, flexibilite, spracovateľnosti a šetrnosti k životnému prostrediu. Preukázal jedinečné výhody v oblasti balenia, medicíny, stavebníctva, spotrebnej elektroniky a ďalších oblastí a v posledných rokoch sa stal rýchlo sa rozvíjajúcim vysokovýkonným materiálom s vysokou molekulovou hmotnosťou.

1. Molekulárna štruktúra a základné charakteristiky

Molekulárna štruktúra PETG je základom jeho výkonnostných výhod. V porovnaní s kryštalickým PET, PETG zavádza do molekulárneho reťazca monomér cyklohexándimetanolu (CHDM), čím nahrádza časť etylénglykolu, čím narúša pravidelné usporiadanie molekulárnych reťazcov PET, výrazne znižuje schopnosť kryštalizácie a vytvára amorfné alebo nízko kryštalické štruktúry. Táto molekulárna štruktúra prináša rad vynikajúcich vlastností.

Priehľadnosť je jednou z najvýraznejších vlastností PETG, s priepustnosťou svetla viac ako 90 %, zákalom pod 1 %, vysokým leskom a porovnateľnou s priehľadnými materiálmi, ako je polykarbonát (PC) a akryl (PMMA). Amorfná štruktúra zabraňuje rozptylu svetla spôsobenému kryštalizáciou PET a dokáže si udržať vysokú priehľadnosť aj v hrubostenných výrobkoch, čím rieši problémy ľahkého bielenia a zníženej priehľadnosti v bežných hrubostenných PET výrobkoch.

Pokiaľ ide o mechanické vlastnosti, PETG má dobrú húževnatosť aj tuhosť. Jeho rázová húževnatosť je 3 až 5-krát vyššia ako u bežného PET a jeho vrubová rázová húževnatosť môže dosiahnuť viac ako 60 kJ/m², čo je oveľa viac ako u krehkého bežného PET. Zároveň pevnosť v ťahu dosahuje 30 – 50 MPa a modul ohybu je 1 500 – 2 500 MPa, čo spĺňa mechanické požiadavky väčšiny konštrukčných komponentov. PETG má vynikajúcu flexibilitu s lomovým predĺžením až 200 % – 300 %. Dá sa spracovávať ohýbaním za studena, skladaním atď. bez zlomenia, vďaka čomu je vhodný na výrobu výrobkov, ktoré vyžadujú určitý stupeň elasticity.

Pokiaľ ide o tepelné vlastnosti, teplota skleného prechodu (Tg) PETG je približne 78 – 88 ℃. Hoci je nižšia ako bod topenia kryštalizácie PET, jeho teplota tepelnej deformácie je relatívne vysoká (65 – 75 ℃) a môže sa stabilne používať pri izbovej teplote po dlhú dobu. Má tiež vynikajúcu odolnosť voči nízkym teplotám a zachováva si dobrú húževnatosť pri –40 ℃ bez krehkosti. V porovnaní s PC má PETG nižšiu teplotu spracovania (zvyčajne 230 – 270 ℃), nižšiu spotrebu energie a je menej náchylný na degradáciu pri vysokých teplotách.

Pokiaľ ide o chemickú stabilitu, PETG má dobrú odolnosť voči vode, kyselinám, zásadám atď. a jeho chemická odolnosť voči korózii je lepšia ako u PMMA a PC. Nie je ľahko korodovaný každodennými chemikáliami, ako je alkohol a čistiace prostriedky, a jeho povrch má dobrú odolnosť proti poškriabaniu s tvrdosťou Shore D78-85, ktorú je možné ďalej zlepšiť povrchovou úpravou. Zároveň je PETG bez zápachu, netoxický a spĺňa normy pre materiály prichádzajúce do kontaktu s potravinami, ako sú FDA a EU 10/2011. Taktiež prešiel certifikáciami lekárskej kvality, ako je USP Class VI, a jeho bezpečnosť je všeobecne uznávaná.

Ďalšou hlavnou výhodou PETG je jeho spracovateľský výkon. Ako amorfný materiál má PETG dobrú tekutosť taveniny, nízku mieru zmršťovania pri lisovaní (0,5 % – 1,5 %), vynikajúcu rozmerovú stabilitu a je vhodný na presné lisovanie. Dá sa spracovať rôznymi procesmi, ako je vstrekovanie plastov, extrúzia, vyfukovanie a tvarovanie za tepla, a má široké okno spracovania, vďaka ktorému nie je náchylný na praskanie v dôsledku napätia. Má dobré vlastnosti pri následnom spracovaní (ako je tlač, lepenie a zváranie) a dokáže splniť výrobné potreby zložitých výrobkov.

2. Výrobný proces a zdroje surovín

Výrobný proces PETG je založený na technológii polymerizácie polyesteru, ktorej jadrom je presná kontrola pomeru a polymerizačného procesu ternárnych monomérov s cieľom dosiahnuť reguláciu molekulárnej štruktúry. Medzi jeho hlavné suroviny patrí kyselina tereftalová (PTA), etylénglykol (EG) a cyklohexándimetanol (CHDM), pričom čistota a podiel CHDM priamo ovplyvňujú výkonnosť PETG.

Pokiaľ ide o zdroje surovín, tradičné PTA a EG z PETG pochádzajú prevažne z petrochemického priemyslu a vyrábajú sa procesmi, ako je krakovanie nafty; CHDM sa vyrába krokmi, ako je oxidácia cyklohexánu a hydrogenácia, a tiež sa spolieha na fosílne zdroje. V posledných rokoch došlo k prelomom vo výskume a vývoji biosurovín a industrializácia bioPTA (vyrábanej fermentáciou biomasy), bioEG a bioCHDM postupne napreduje, čo poskytuje možnosť zelenej výroby PETG a výrazne znižuje uhlíkovú stopu výrobkov.

Výrobný proces PETG zahŕňa hlavne tri hlavné fázy: esterifikáciu, kopolymerizáciu a polymerizáciu a granuláciu. Vo fáze esterifikácie PTA najprv podlieha esterifikačnej reakcii s etylénglykolom a chlorovodíkovým dihydrátom (EG) pri teplote 180 – 220 °C a tlaku 0,2 – 0,5 MPa za vzniku dihydroxyetyltereftalátu, cyklohexándimetanoltereftalátu a vody. Reakcia je urýchlená katalyzátorom (napríklad katalyzátorom na báze titánu) a voda sa včas odstraňuje, aby sa podporil priebeh reakcie. Miera esterifikácie musí dosiahnuť viac ako 95 %.

Fáza kopolymerizácie a kondenzácie je založená na esterifikačnom produkte, zahriatom na 240-270 ℃ a vykonávanom vo vákuovom prostredí (tlak ≤ 100 Pa) pre kondenzačnú reakciu, odstránením produktov s malými molekulami (hlavne EG) za účelom zväčšenia molekulárneho reťazca. V tejto fáze je potrebné prísne kontrolovať podiel pridaného CHDM (zvyčajne 30% - 50% z celkového množstva diolov). Ak je podiel príliš vysoký, zníži sa tepelná odolnosť materiálu, a ak je príliš nízky, účinne sa nepoškodí kryštalinita. Čas a teplota kondenzačnej reakcie priamo ovplyvňujú vnútornú viskozitu (hodnotu IV) PETG, ktorá sa vo všeobecnosti reguluje medzi 0,7-1,2 dL/g, aby sa vyvážila spracovateľnosť a mechanické vlastnosti.

Po dokončení polymerizácie sa roztavený PETG odlieva a nakrája na biele alebo priehľadné granulované plátky, ktoré je potrebné dôkladne vysušiť (obsah vlhkosti ≤ 0,005 %), aby sa zabránilo strate molekulovej hmotnosti v dôsledku hydrolýzy počas následného spracovania. Podľa požiadaviek aplikácie sa počas fázy granulácie môžu pridať antioxidanty, mazivá, UV absorbéry a ďalšie prísady na zlepšenie tepelnej stability, spracovateľnosti a odolnosti produktu voči poveternostným vplyvom. Výber prísad by mal byť v súlade s normami pre kontakt s potravinami alebo lekárskymi normami.

Počas výrobného procesu sú na monitorovanie priebehu reakcie a výkonu produktu v reálnom čase potrebné pokročilé technológie online monitorovania, ako je infračervená spektroskopia a viskozimetre, čím sa zabezpečí stabilita šarže. V porovnaní s PET si polymerizačný proces PETG vyžaduje vyššiu presnosť zariadenia a riadenie procesu, najmä jednotnosť merania a disperzie CHDM, čo priamo ovplyvňuje transparentnosť a konzistentnosť mechanických vlastností produktu.

3. Rozdiely v klasifikácii a výkone

Podľa charakteristickej viskozity, obsahu CHDM a aplikačných scenárov možno PETG rozdeliť do viacerých kategórií a rôzne typy PETG sa líšia vo výkone, aby splnili rôzne potreby.

Klasifikovaný podľa vnútornej viskozity (hodnota IV), PETG s nízkou hodnotou IV (0,7-0,9dL/g) má dobrú tekutosť a je vhodný na vstrekovanie malých presných výrobkov (ako sú uzávery kozmetických fliaš a elektronické príslušenstvo); PETG so strednou hodnotou IV (0,9-1,1dL/g) vyvažuje tekutosť a mechanické vlastnosti, je vhodný na vyfukovanie (ako sú fľaše), extrudované plechy atď.; PETG s vysokou hodnotou IV (1,1-1,2dL/g) má vysokú mechanickú pevnosť a je vhodný na výrobu konštrukčných komponentov, ako sú hrubostenné plechy a rúry.

Podľa obsahu CHDM si PETG s nízkym obsahom CHDM (30 % – 40 %) zachováva určitý sklon ku kryštalizácii, má mierne vyššiu tepelnú odolnosť (Tg približne 85 – 90 ℃), dobrú tuhosť a je vhodný na balenie výrobkov, ktoré vyžadujú tepelnú odolnosť; PETG s vysokým obsahom CHDM (40 % – 50 %) má výraznejšiu nekryštalinitu, lepšiu flexibilitu a transparentnosť, ale mierne nižšiu tepelnú odolnosť (Tg približne 75 – 80 ℃), vďaka čomu je vhodný na výrobky, ako sú fólie a hadice, ktoré vyžadujú vysokú húževnatosť.

Podľa oblasti použitia sa PETG baliacej triedy zameriava na transparentnosť, chemickú odolnosť a spracovateľnosť, pričom spĺňa hygienické požiadavky na balenie potravín a kozmetiky; PETG lekárskej triedy musí prejsť certifikáciou biokompatibility (ako je USP trieda VI), byť netoxický, odolný voči sterilizácii (ako je sterilizácia gama žiarením) a vhodný na výrobu zdravotníckych pomôcok; PETG priemyselnej triedy sa zameriava na mechanické vlastnosti a rozmerovú stabilitu a používa sa na konštrukčné komponenty v oblastiach ako stavebníctvo a elektronika.

Rozdiely vo výkonnosti rôznych typov PETG sa odrážajú najmä v tepelnej odolnosti, flexibilite a spracovateľnosti. Napríklad priepustnosť svetla PETG baliacej triedy je zvyčajne vyššia ako 92 %, zákal je menší ako 1 %, pevnosť v ťahu je 35 – 45 MPa a predĺženie pri pretrhnutí je 200 % – 300 %; PETG lekárskej triedy nielen spĺňa mechanické vlastnosti, ale musí tiež prejsť testami cytotoxicity a senzibilizácie; Teplota tepelnej deformácie (0,45 MPa) priemyselného PETG môže dosiahnuť 60 – 70 ℃, čo je vhodné pre požiadavky na štrukturálnu podporu pri izbovej teplote.

4. Diverzifikované oblasti použitia

PETG so svojimi komplexnými výkonnostnými výhodami nahradil tradičné materiály vo viacerých oblastiach a preukázal široké možnosti uplatnenia, najmä v scenároch s vysokými požiadavkami na transparentnosť, húževnatosť a šetrnosť k životnému prostrediu.

Oblasť obalov je hlavným trhom s aplikáciami PETG, najmä v oblasti luxusných obalov. V oblasti kozmetických obalov majú fľaše a hadice vyrobené z PETG krištáľovo priehľadnú textúru, vysoký lesk, ktorý dokáže zvýrazniť kvalitu produktu, a vynikajúcu chemickú odolnosť. Môžu obsahovať produkty starostlivosti o pleť, parfumy a iné produkty s komplexnými zložkami. Zároveň majú silnú odolnosť voči nárazom, ľahko sa nerozbijú a znižujú straty pri preprave.

V oblasti balenia potravín spĺňa PETG normy pre materiály prichádzajúce do kontaktu s potravinami (ako napríklad FDA 21 CFR 177.1310), je bez zápachu a odolný voči nízkym teplotám (vhodný na chladenie). Môže sa použiť na výrobu konzerv na potraviny, pohárov na nápoje, krabíc na čerstvosť atď. Jeho dobré tesnenie a chemická odolnosť môžu chrániť chuť potravín a jeho priehľadnosť uľahčuje spotrebiteľom pozorovanie obsahu. PETG fólia sa dá spracovať na kompozitné baliace fólie a zmršťovacie fólie s dobrými tepelnými vlastnosťami, vhodné na nepravidelné balenie.

V oblasti zdravotníctva sa PETG medicínskej kvality stal ideálnym materiálom pre zdravotnícke pomôcky vďaka svojej dobrej biokompatibilite, odolnosti voči sterilizácii a jednoduchému spracovaniu. Môže sa použiť na výrobu infúznych súprav, obalov striekačiek, lekárskych katétrov, fliaš na balenie liekov atď. Jeho priehľadnosť uľahčuje pozorovanie stavu prietoku kvapaliny a jeho odolnosť voči sterilizácii gama žiarením zaisťuje sterilitu zdravotníckych pomôcok. Okrem toho sa PETG používa aj na výrobu zubných modelov, protetických obalov atď., pričom vyvažuje pohodlie a odolnosť.

V oblasti architektúry a dekorácií sa panely PETG používajú na výrobu osvetľovacích panelov, ochranných krytov, dekoratívnych panelov atď. vďaka svojej vysokej priehľadnosti, odolnosti voči poveternostným vplyvom a nárazom. V porovnaní so sklom je PETG doska ľahšia (hustota 1,23 – 1,27 g/cm³, približne polovica hmotnosti skla), menej náchylná na rozbitie a má vyššiu bezpečnosť. V porovnaní s akrylom má PETG lepšiu chemickú odolnosť, je menej náchylný na žltnutie a starnutie a má dlhšiu životnosť. PETG sa dá tiež použiť na výrobu dekoratívnych fólií a nábytkových dyh, čím sa dosahuje rôznorodý vzhľad pomocou tlače, povrchovej úpravy a iných procesov.

V oblasti spotrebnej elektroniky sa PETG používa na výrobu krytov elektronických zariadení, ochranných krytov, rámov displejov atď. Jeho dobrá rozmerová stabilita a spracovateľnosť dokážu splniť výrobné požiadavky na presné súčiastky a jeho odolnosť proti opotrebovaniu a poškriabaniu sa dá zlepšiť povrchovou úpravou (napríklad kalením). V 3C balení produktov môžu vákuovo tvarované krabice PETG jasne vystaviť produkty a poskytnúť dobrú ochranu proti odpruženiu.

V iných oblastiach sa PETG fólia môže použiť na tlač, razenie za tepla, etikety proti falšovaniu atď., s vynikajúcim výkonom pri následnom spracovaní; PETG rúry sa používajú na prepravu priemyselných kvapalín a potrubí pre zdravotnícke pomôcky vďaka svojej dobrej flexibilite a odolnosti voči chemickej korózii; V oblasti hračiek sú priehľadné hračky vyrobené z PETG bezpečné, netoxické a majú silnú odolnosť voči nárazu, vďaka čomu sú vhodné pre deti.

5. Trendy v ochrane a rozvoji životného prostredia

Environmentálne vlastnosti PETG mu dávajú výhodu v trende trvalo udržateľného rozvoja, zatiaľ čo priemysel neustále podporuje technologické inovácie, rozširuje hranice výkonu a aplikačné scenáre.

Z hľadiska ochrany životného prostredia má PETG dobrú recyklovateľnosť a odpadové výrobky z PETG sa dajú recyklovať fyzikálnou alebo chemickou recykláciou. Fyzikálna recyklácia je proces triedenia, čistenia a drvenia odpadových materiálov pred ich roztavením a pretváraním. Recyklovaný PETG sa môže použiť na výrobu výrobkov, ktoré neprichádzajú do kontaktu s potravinami (ako sú obalové materiály a priemyselné komponenty); chemická recyklácia rozkladá PETG na monoméry prostredníctvom depolymerizačnej reakcie, ktoré sa opätovne používajú pri polymerizačnej výrobe, aby sa dosiahla uzavretá cirkulácia. V porovnaní s chlórovanými plastmi, ako je PVC, PETG počas spaľovania neprodukuje toxické plyny a predstavuje nižšie environmentálne riziká.

Výskum a vývoj bio PETG je dôležitým smerom pre ekologický rozvoj. Prijatím bio PTA, bio EG a bio CHDM je možné výrazne znížiť závislosť od fosílnych zdrojov a emisie uhlíka z produktov počas ich životného cyklu možno znížiť o viac ako 30 % v porovnaní s tradičnými PETG. V súčasnosti viacero spoločností uviedlo na trh bio PETG produkty. So znížením nákladov na bio suroviny sa urýchli industrializácia plne bio PETG.

Trend vývoja PETG sa odráža najmä v troch smeroch: vysoký výkon, funkcionalizácia a rozšírenie aplikácií. Pokiaľ ide o vysoký výkon, optimalizáciou pomeru CHDM prostredníctvom molekulárneho dizajnu, zavedením štvrtých monomérov (ako sú dioly s dlhým reťazcom) alebo kompozitov s nanomateriálmi (ako je grafén a nano-uhličitan vápenatý) sa zlepšuje tepelná odolnosť (ako je teplota tepelnej deformácie nad 80 ℃), odolnosť proti opotrebovaniu a mechanická pevnosť PETG, čím sa rozširuje do oblasti inžinierskych konštrukčných komponentov.

Pokiaľ ide o funkcionalizáciu, vyvíjať varianty PETG so špeciálnymi funkciami, ako napríklad antibakteriálny PETG (s pridaním antibakteriálnych látok, ako sú nano striebro a zinok) pre lekárske a potravinárske balenia, ktoré môžu inhibovať rast mikróbov; PETG s retardérmi horenia spĺňa požiadavky na protipožiarnu ochranu v oblasti elektroniky a stavebníctva pridaním bezhalogénových spomaľovačov horenia; PETG s inteligentnou odozvou (ako je teplotne citlivá zmena farby a odozva pH) sa používa pre špičkové balenia a lekárske monitorovanie na dosiahnutie dynamickej regulácie funkcií.

Pokiaľ ide o rozšírenie aplikácií, PETG má obrovský potenciál v oblasti novej energie, ako je výroba priehľadných zadných dosiek pre fotovoltaické moduly (s vynikajúcou odolnosťou voči poveternostným vplyvom a izoláciou); v oblasti 3D tlače sa drôt PETG stal jedným z preferovaných materiálov pre FDM tlač vďaka svojej vysokej presnosti tlače a odolnosti voči deformácii. Môže sa použiť na vytváranie zložitých modelov a funkčných komponentov; v oblasti flexibilnej elektroniky sa môže fólia PETG použiť ako substrát a kombinovať s vodivými materiálmi na prípravu flexibilných obvodov a senzorov.

Pokiaľ ide o technologické inovácie, optimalizácia procesu kontinuálnej polymerizácie môže zlepšiť efektivitu výroby a stabilitu kvality PETG a znížiť výrobné náklady; vývoj nových katalyzátorov (ako sú napríklad ekologické katalyzátory na báze antimónu) môže znížiť zvyšky ťažkých kovov a zlepšiť bezpečnosť výrobkov; technológia modifikácie miešaním (ako je miešanie PETG s PC a PMMA) môže integrovať výhody rôznych materiálov na vývoj kompozitných výrobkov s komplexnejším výkonom.

Vývoj PETG, ako vysoko výkonného kopolymérneho polyesterového materiálu, odráža pokrok v technológii modifikácie polymérnych materiálov. Vďaka presnej regulácii molekulárnej štruktúry PETG prekonáva výkonnostné obmedzenia tradičných polyesterov, zachováva si vynikajúcu transparentnosť a spracovateľnosť a zároveň si zachováva flexibilitu, šetrnosť k životnému prostrediu a bezpečnosť. S pokrokom v technológii zelenej výroby a rozširovaním aplikačných scenárov bude PETG zohrávať čoraz dôležitejšiu úlohu v oblasti špičkovej výroby, udržateľného balenia a zdravotníctva a stane sa jedným z kľúčových materiálov, ktoré poháňajú modernizáciu priemyslu polymérnych materiálov.