PET alapanyagok

PET alapanyagok: nagy teljesítményű poliészter anyagok és sokrétű alkalmazási területük

A polietilén-tereftalát (PET) egy lineáris aromás poliészter, amelyet tereftálsav és etilénglikol kondenzációs reakciójával állítanak elő. Az öt általános műszaki műanyag egyikeként a PET az 1940-es évekbeli ipari termelése óta nélkülözhetetlen polimer anyaggá vált a modern iparban kiváló átfogó teljesítményének, széleskörű alapanyagforrásainak és kiforrott gyártási folyamatainak köszönhetően. A mindennapi ásványvizes palackoktól a poliészter ruházaton át az élelmiszer-csomagoló fóliákig az autóipari alkatrészekig a PET egyedi előnyeivel behatolt a termelés és az élet számos területére, elősegítve az anyagipar fenntartható fejlődését.

1. A PET molekuláris szerkezete és alapvető jellemzői

A PET molekulaszerkezete alapvetően meghatározza a teljesítményét. Ismétlődő egysége az -OC-C₆H₄-COO-CH₂CH₂-, és a molekulalánc merev benzolgyűrűket és rugalmas metilénszegmenseket tartalmaz. Ez a szerkezet merevséget és bizonyos fokú szívósságot kölcsönöz a PET-nek.

Mechanikai tulajdonságok tekintetében a PET nagy szakítószilárdsággal és rugalmassági modulussal, mérsékelt szakadási nyúlással és jobb ütésállósággal rendelkezik, mint a rideg műanyagok, például a polisztirol. A kezeletlen PET jó merevséggel rendelkezik, és a kétirányú nyújtással történő kezelés után a szilárdsága jelentősen javítható. Például a kétirányúan nyújtott PET-fólia szakítószilárdsága elérheti a 150-200 MPa-t, ami közel 1/10-e az acél szakítószilárdságának. Ez a nagy szilárdságú tulajdonság kiemelkedővé teszi a csomagoló- és szerkezeti anyagokban.

Hőteljesítmény szempontjából a PET üvegesedési hőmérséklete körülbelül 70-80 ℃, olvadáspontja 240-260 ℃ között van. A rövid távú felhasználási hőmérséklet elérheti a 120 ℃-ot, a hosszú távú felhasználási hőmérséklet pedig 80-100 ℃, ami megfelel a legtöbb mindennapi és ipari felhasználási forgatókönyv hőmérsékleti követelményeinek. A PET hődeformációs hőmérséklete azonban viszonylag alacsony, és magas hőmérsékleten, feszültség alatt deformálódik. Ezért a tiszta PET-et főként nem teherhordó vagy alacsony terhelésű, magas hőmérsékletű forgatókönyvekben használják. A hőállóság javítása érdekében fokozott módosítással kell elérni.

A PET egyik fő előnye a záróképesség, amely jó záróhatással bír az oxigénnel, szén-dioxiddal, vízgőzzel stb. szemben, és hatékonyan késleltetheti a tartalom oxidációs romlását és nedvességvesztését. Különösen a palackozott PET esetében a kétirányú nyújtási folyamat után a molekuláris láncok elrendeződése szabályosabb, és a záró tulajdonságok tovább javulnak, így ez az italok, élelmiszerek, kozmetikumok stb. csomagolásának előnyben részesített anyaga. Például a szénsavas italpalackoknak bizonyos belső nyomást kell elviselniük, és a PET záró tulajdonságai hatékonyan megakadályozhatják a szén-dioxid szivárgását.

Kémiai ellenállás tekintetében a PET jól tűri a legtöbb szerves oldószert, savat és bázist, és szobahőmérsékleten nem korrodál könnyen. Erős lúgos körülmények között vagy magas hőmérsékleten azonban hidrolízisreakciók léphetnek fel. Ez a tulajdonság alkalmassá teszi savas italok (például gyümölcslé), semleges víz stb. tárolására, de nem alkalmas erősen lúgos folyadékok hosszú távú tárolására.

Ezenkívül a PET jó átlátszósággal és fényességgel rendelkezik, a feldolgozás utáni fényáteresztő képessége meghaladja a 90%-ot, ami világosan mutatja a tartalmat és fokozza a termék vizuális vonzerejét; Ugyanakkor a PET könnyen feldolgozható, és fröccsöntéssel, fúvással, extrudálással és egyéb eljárásokkal különféle termékekké, például palackokká, fóliákká, lemezekké, szálakká stb. alakítható.

2. A PET gyártási folyamata és nyersanyagforrásai

A PET ipari gyártása főként tereftálsavat (PTA) és etilénglikolt (EG) használ nyersanyagként, amelyek kondenzációs reakcióval keletkeznek. A gyártási folyamat egy érett és stabil műszaki rendszert alkotott, amelynek lényege a polimerizációs reakciófolyamat pontos szabályozása, hogy specifikus tulajdonságokkal rendelkező termékeket kapjunk.

A nyersanyagforrásokat tekintve a tereftálsavat (PTA) főként a xilol (PX) oxidációjával állítják elő, amely az aromás szénhidrogének kőolajfinomítás során történő kivonásából származik; az etilénglikolt (EG) főként az etilén oxidációjával állítják elő, amelyből epoxietánt nyernek, amelyet aztán hidratálnak. Az etilén kőolaj vagy földgáz krakkolásával is előállítható. A környezetvédelem és a fenntartható fejlődés iránti növekvő igényekkel előrelépés történt a bioalapú nyersanyagok kutatásában és fejlesztésében. A bioalapú etilénglikol biomassza fermentációval állítható elő, majd PTA-val polimerizálható, így bioalapú PET állítható elő, csökkentve a fosszilis erőforrásoktól való függőséget.

A PET gyártási folyamata főként két fő szakaszból áll: az észteresítésből és a kondenzációból. A termelési lépték és a termékigény szerint két folyamatra osztható: szakaszos polimerizációra és folyamatos polimerizációra.

Az észteresítési szakaszban a PTA és az EG között magas hőmérsékleten és nyomáson végbemenő észteresítési reakció megy végbe, amelynek eredményeként dihidroxietil-tereftalát (BHET) és víz keletkezik. A reakcióhőmérsékletet általában 220-260 ℃-on, a nyomást pedig 0,2-0,5 MPa-on szabályozzák, és a reakciót katalizátorokkal, például antimon- és titánkatalizátorokkal gyorsítják. Az észteresítési reakció egy reverzibilis reakció, és a keletkezett vizet időben el kell távolítani a reakció előrehaladásának elősegítése és annak biztosítása érdekében, hogy az észterezési arány elérje a 95%-ot.

A kondenzációs szakasz az, amikor a BHET magasabb hőmérsékleten és vákuumban kondenzációs reakción megy keresztül, eltávolítva az etilénglikolt és PET polimer láncokat képezve. A reakcióhőmérsékletet 270-290 ℃-ra emelik, a nyomást pedig 100 Pa alá csökkentik. A kis molekulájú termékeket (etilénglikolt) vákuumkörnyezetben eltávolítják, elősegítve a molekuláris láncok növekedését. A kondenzációs reakció idő- és folyamatparaméterei közvetlenül befolyásolják a PET molekulatömegét és molekulatömeg-eloszlását, ezáltal meghatározva a termék teljesítményét. A folyamatos polimerizációs eljárás több soros reaktoron keresztül folyamatos termelést biztosít, aminek előnyei a magas termelési hatékonyság és a stabil termékminőség, és alkalmas nagyméretű ipari termelésre; a szakaszos polimerizáció nagy rugalmassággal rendelkezik, és alkalmas kisméretű és többféle gyártásra.

A polimerizációs reakció befejeződése után az olvadt PET-et öntik és PET-szeletekre vágják, amelyek szilárd PET-alapanyagok. A szeleteket a nedvesség eltávolítása érdekében szárítani kell (a nedvességtartalomnak 0,005% alatt kell lennie), hogy elkerüljük a molekulatömeg csökkenését a későbbi feldolgozás során a hidrolízis miatt. A különböző alkalmazási követelményeknek megfelelően a PET-szeletek belső viszkozitása (IV-értéke) a folyamatparaméterek beállításával szabályozható. A palackminőségű PET-szeletek IV-értéke általában 0,7-0,8 dL/g, a membránminőségűeké 0,6-0,7 dL/g, a rostminőségűeké pedig 0,6-0,9 dL/g.

A kopolimerizációs módosítás fontos eszköz a PET teljesítménytartományának bővítésére. Harmadik monomerek (például ciklohexándimetanol és izoftálsav) polimerizációs folyamat során történő bevezetésével a molekulalánc szerkezete megváltoztatható, így módosított PET termékeket kaphatunk. Például a PET-et ciklohexándimetanollal kopolimerizálják PETG előállításához, ami jelentősen javítja rugalmasságát, ütésállóságát és feldolgozhatóságát, így alkalmassá teszi nagy átlátszóságú csomagolásokhoz és orvostechnikai eszközökhöz; az izoftálsav hozzáadása csökkentheti a PET kristályosságát, javíthatja feldolgozási teljesítményét és kémiai ellenállását.

3. A PET osztályozása és teljesítménybeli különbségei

Az alkalmazási terület és a teljesítménykövetelmények szerint a PET négy kategóriába sorolható: palackminőségű PET, fóliaminőségű PET, szálminőségű PET és műszaki minőségű PET. A különböző PET-típusok jelentős különbségeket mutatnak a molekulatömeg, a kristályosság, a feldolgozási teljesítmény stb. tekintetében, hogy megfeleljenek a különböző forgatókönyvek igényeinek.

A palackminőségű PET a legszélesebb körben gyártott PET-fajta, amelyet főként különféle műanyag palackok gyártásához használnak. Magas belső viszkozitással (0,7-0,8 dL/g), kiváló átlátszósággal, mechanikai szilárdsággal és záró tulajdonságokkal, valamint kiemelkedő ütés- és belső nyomásállósággal rendelkezik. A fúvásos formázás követelményeinek teljesítéséhez a palackminőségű PET-forgácsoknak jó olvadékfolyási képességgel és feldolgozási stabilitással kell rendelkezniük. Az előformák fröccsöntése után biaxiális nyújtófúvásos technológiával palackokká alakítják őket. A nyújtási folyamat orientálja a molekuláris láncokat, tovább javítva a szilárdságot és a záró tulajdonságokat. A palackminőségű PET felosztható vizespalack-minőségre, szénsavas italos palack-minőségre, melegen töltött palack-minőségre stb. Alkalmazása szerint a melegen töltött palackminőségű PET kopolimerizációs módosítással javíthatja hőállóságát, és 85-95 ℃-on is ellenáll a meleg töltési folyamatoknak.

A fóliaminőségű PET-et főként különféle vékonyréteg-termékek gyártására használják, a palackminőségűnél valamivel alacsonyabb belső viszkozitással (0,6-0,7 dL/g), és jó mechanikai tulajdonságokkal, hőállósággal és szigetelőanyaggal rendelkezik. A PET-fóliát extrudálásos öntéssel vagy biaxiálisan orientált nyújtással állítják elő. A hossz- és keresztirányú nyújtás után a biaxiálisan orientált PET (BOPET) fólia szilárdsága, átlátszósága és záró tulajdonságai jelentősen javulnak. Széles körben használják élelmiszer-csomagoló fóliákban (például gőzölőzsákokban), szigetelőfóliákban (például kondenzátorfóliákban), kártyavédő fóliákban, fotovoltaikus hátlapfóliákban stb. A fóliaminőségű PET javíthatja a fólia teljesítményét kenőanyagok, tapadásgátló szerek stb. hozzáadásával, például a súrlódási együttható csökkentésével a könnyebb tekercselés és feldolgozás érdekében.

A szálas minőségű PET a textilipar alapvető alapanyaga, nevezetesen a poliészter (poliészter szál) alapanyag, széles belső viszkozitási tartománnyal (0,6-0,9 dL/g), és a paramétereket a szálfajtának (szál, vágott szál) megfelelően állítják be. A szálas minőségű PET-et olvadékfonási eljárással poliészter szálakká alakítják, amelynek előnyei a nagy szilárdság, a kopásállóság, a gyűrődésállóság és a könnyű mosás. Széles körben használják ruházatban, lakástextíliákban és ipari textíliákban (például geotextíliákban és szűrőszövetekben). A fonási folyamat beállításával különböző tulajdonságokkal rendelkező poliészter szálak állíthatók elő, például nagy szilárdságú és kis nyúlású szálak ipari felhasználásra, valamint ultrafinom szálak prémium minőségű szövetekhez.

A műszaki minőségű PET egy nagy teljesítményű PET, amelyet megerősítéssel, edzéssel és egyéb módosítási kezelésekkel nyernek, és amelyet főként fémek vagy más műszaki műanyagok helyettesítésére használnak szerkezeti alkatrészek gyártása során. Erősítő anyagok, például üvegszál és szénszál hozzáadásával a PET szilárdsága, merevsége és hőállósága jelentősen javítható. Az üvegszállal erősített PET szakítószilárdsága elérheti a 150 MPa-t, a hődeformációs hőmérséklete pedig meghaladhatja a 200 ℃-ot. Alkalmas autóalkatrészekhez (például kilincsek, műszerfalak), elektronikus és elektromos házakhoz, mechanikus alkatrészekhez stb. A műszaki minőségű PET ütésállóságát is javíthatja edzőszerek (például elasztomerek) hozzáadásával, vagy égésgátlók hozzáadásával a tűzvédelmi követelmények teljesítése érdekében.

4. A PET sokrétű alkalmazási területei

A PET kiváló, átfogó teljesítményével és változatos feldolgozási módszereivel széles körben használják különféle területeken, például a csomagolásban, a textiliparban, az elektronikában, az autóiparban és az építőiparban, nélkülözhetetlen anyaggá válva a modern iparban és a mindennapi életben.

A csomagolóanyag-ipar az egyik legszélesebb körben használt terület a PET számára, ahol a palackozott minőségű PET dominál. Az italcsomagolásban a PET-palackok az ásványvíz, szénsavas italok, gyümölcslevek, teák stb. előnyben részesített csomagolóedényévé váltak átlátszóságuk, könnyű súlyuk, ütésállóságuk és jó védőtulajdonságaik miatt. Világszerte több mint 500 milliárd PET-palackot gyártanak évente. A PET-palackok a könnyű kialakításuknak köszönhetően folyamatosan csökkentik az anyagfelhasználást, miközben jól újrahasznosíthatók, elősegítve a körforgásos gazdaság fejlődését. Az élelmiszer-csomagolásban a BOPET fóliát főzőtasakok és vákuumcsomagoló fóliák készítésére használják, amelyek ellenállnak a magas hőmérsékletű sterilizálásnak 121 ℃-on, és meghosszabbítják az élelmiszerek eltarthatóságát; a PET-lemezeket vákuumformázott dobozokká hőformázzák hús, gyümölcsök, péksütemények stb. csomagolására, amelyek átlátszóak és védettek is.

A textiliparban a PET szálakból készült poliészter szálak a legszélesebb körben előállított szintetikus szálak, amelyek a globális száltermelés több mint 60%-át teszik ki. A poliészter szálakat ruházati anyagok, például ingek, ruhák és sportruházat készítésére használják, és jellemzői a merevség és a könnyű karbantartás; A poliészter vágott szálakat természetes szálakkal, például pamuttal és gyapjúval keverik a szövet kopásállóságának és alaktartóságának javítása érdekében; Az ipari poliészter szálat geotextíliák (talajerősítés), szűrőanyagok (például légszűrők), biztonsági övek, sátrak stb. gyártására használják. Nagy szilárdsága és időjárásállósága megfelel az ipari igényeknek.

Az elektronikus készülékek területén a PET fólia fontos szerepet játszik. A BOPET fóliát kiváló szigetelőképessége és hőállósága miatt kondenzátorfóliák, motorszigetelő fóliák, rugalmas áramköri lapok stb. gyártására használják; a PET lemezeket dekoratív panelekbe, névtáblákba és egyéb elektronikus eszközökbe nyomtatják és préselik. A módosítás után a mérnöki minőségű PET-et olyan alkatrészek gyártására használják, mint a csatlakozók, kapcsolóházak, kijelzőkonzolok stb., amelyek mind szigeteléssel, mind mechanikai szilárdsággal rendelkeznek.

Az autóiparban a műszaki minőségű PET-et erősítik és módosítják autóipari belső alkatrészek (például műszerfalak és ajtópanelek), külső alkatrészek (például visszapillantó tükörházak) és funkcionális alkatrészek (például hűtőrácsok) gyártásához. Könnyű súlya csökkentheti az üzemanyag-fogyasztást, vegyi és időjárásállósága pedig megfelel az autóipari felhasználás hosszú távú igényeinek. A PET-et autóipari kábelkötegek, üléshuzatok (poliészter szövetek) stb. szigetelésére is használják, tovább bővítve alkalmazási körét az autóiparban.

Az építészet területén a PET anyagot hőszigetelő anyagok (például PET szigetelő pamut), vízszigetelő membránok, dekoratív fóliák stb. előállítására használják. A PET szigetelő pamut könnyű, égésgátló és jó szigetelőhatással rendelkezik, és alkalmas külső falak szigetelésére; a PET vízszigetelő membrán öregedés- és átszúrásálló, tető- és pince vízszigetelési projektekhez használják; a PET dekoratív fóliát a deszka felületére viszik fel, hogy fokozzák az esztétikáját és a kopásállóságát.

Ezenkívül a PET-et az orvostudományban is használják infúziós palackok, fecskendőhüvelyek stb. gyártására. Kémiai stabilitása és higiéniai követelményei megfelelnek az orvosi szabványoknak; a 3D nyomtatás területén a PET-huzalt FDM nyomtatási technológiához használják nagy szilárdságú modellek és alkatrészek előállítására.

5. A PET környezetvédelmi és fejlesztési trendjei

A környezetvédelem iránti globális tudatosság növekedésével a PET környezetbarát jellege és fenntartható fejlődése az iparág központi kérdésévé vált. Az újrahasznosítási és zöld termelési technológiák továbbra is töretlenül jelennek meg, elősegítve a PET-ipar átalakulását a körforgásos gazdaság felé.

A PET környezeti előnye a jó újrahasznosíthatóságában és a magas újrahasznosítási értékében rejlik. A hulladék PET-termékek (például PET-palackok, fóliák, rostok) kétféleképpen hasznosíthatók újra: fizikai újrahasznosítással és kémiai újrahasznosítással. A fizikai újrahasznosítás a hulladék PET válogatásának, tisztításának, zúzásának és újrahasznosított PET-szeletekké olvasztásának folyamata. Az újrahasznosított PET felhasználható palackminőségű, fóliaminőségű, rostminőségű és egyéb termékek előállítására. Például az újrahasznosított PET-palackokat nem élelmiszeripari csomagoláshoz használják, az újrahasznosított rostokat pedig szőnyegek és ruházati anyagok (például újrahasznosított poliészter szövetek) készítéséhez. A kémiai újrahasznosítás során a PET hidrolízis, alkoholízis és más technológiák segítségével PTA és EG monomerekké bontja le, és ezeket nyersanyagként használja fel új PET előállításához, így zárt hurkú körforgást ér el. A kémiai újrahasznosítás képes kezelni az összetett és szennyezett PET-hulladékot, és az újrahasznosított nyersanyagok teljesítménye közel áll a nyersanyagok teljesítményéhez, amelyek felhasználhatók az élelmiszerekkel érintkezésbe kerülő anyagok területén.

Jelenleg a PET-palackok újrahasznosításának fő kihívása a tökéletlen újrahasznosítási rendszer. A PET-palackok globális újrahasznosítási aránya körülbelül 50%, és egyes régiókban alacsony az újrahasznosítási arány a besorolásos újrahasznosítással kapcsolatos nem megfelelő tudatosság és a magas újrahasznosítási költségek miatt; Eközben az újrahasznosított PET teljesítménystabilitását és higiéniáját szigorúan ellenőrizni kell, hogy elkerüljük a termékminőséget befolyásoló szennyeződéseket.

A jövőben a PET fejlesztése a nagy teljesítményű, környezetbarát és funkcionális irányba fog elmozdulni. A nagy teljesítmény tekintetében molekuláris tervezési és módosítási technológiát alkalmaznak a PET hőállóságának, ütésállóságának és záró tulajdonságainak javítására, például magas hőmérsékletnek ellenálló PET fejlesztésére forrótöltési és mérnöki területeken, valamint nagy záróképességű PET fejlesztésére magas hozzáadott értékű termékek csomagolására.

A zöldítés tekintetében a bioalapú PET kutatása és fejlesztése felgyorsul, azzal a céllal, hogy 100%-ban bioalapú nyersanyag-termelést érjünk el és csökkentsük a szénlábnyomunkat; Ugyanakkor optimalizáljuk az újrahasznosítási technológiát, javítjuk a fizikai újrahasznosítás tisztaságát és hatékonyságát, bővítjük a kémiai újrahasznosítás ipari méretét, és egy teljes ciklusú rendszert építünk ki a termelés, fogyasztás, újrahasznosítás, regenerálás és újrahasznosítás terén.

A funkcionalizálás tekintetében speciális funkciókkal rendelkező PET-anyagokat kell fejleszteni, mint például antibakteriális PET élelmiszer-csomagoláshoz, égésgátló PET elektronikai és építőipari területekhez, valamint intelligens, reagáló PET (például hőmérsékletérzékeny színváltozás és szabályozható lebomlás) a csúcskategóriás csomagoláshoz és az orvosi területekhez. Ezenkívül a PET más anyagokkal (például PET/grafén kompozitokkal) való kompozit technológiája tovább bővíti a teljesítményhatárait, és megfelel a feltörekvő területek igényeinek.

A PET, mint nagy teljesítményű polimer anyag, tükrözi az anyagtudomány és az ipari igények szoros integrációját fejlesztési folyamatában. A mindennapi csomagolástól a csúcskategóriás ipari alkalmazásokig a PET egyedi előnyeivel támogatja a modern társadalom működését. A környezetvédelmi technológia fejlődésével és a körforgásos gazdaság előmozdításával a PET fenntartható fejlődést ér el, miközben megőrzi a praktikumot, hozzájárulva egy zöld és alacsony szén-dioxid-kibocsátású társadalomhoz.