PETG alapanyagok

PETG alapanyagok: nagy teljesítményű kopoliészter anyagok jellemzői és alkalmazásai

A PETG (polietilén-tereftalát-ciklohexándimetanol-észter) egy nem kristályos, hőre lágyuló poliészter anyag, amelyet tereftálsav (PTA), etilénglikol (EG) és ciklohexándimetanol (CHDM) háromkomponensű kopolimerizációjával módosítottak. A PET egyik fontos módosított változataként a PETG áttörte a hagyományos PET teljesítménykorlátait kiváló átlátszóságával, rugalmasságával, feldolgozhatóságával és környezetbarát jellegével. Egyedülálló előnyöket mutatott a csomagolás, az orvostudomány, az építőipar, a szórakoztatóelektronika és más területeken, és az elmúlt években gyorsan fejlődő nagy teljesítményű és nagy molekulatömegű anyaggá vált.

1. Molekulaszerkezet és alapvető jellemzők

A PETG molekuláris szerkezete a teljesítménybeli előnyeinek gyökere. A kristályos PET-hez képest a PETG ciklohexándimetanol (CHDM) monomert visz be a molekuláris láncba, helyettesítve az etilénglikol egy részét, megbontva a PET molekuláris láncainak szabályos elrendezését, jelentősen csökkentve a kristályosodási képességet, és amorf vagy alacsony kristályosságú szerkezeteket képezve. Ez a molekuláris felépítés számos kiváló tulajdonsággal rendelkezik.

Az átlátszóság a PETG egyik legkiemelkedőbb tulajdonsága, több mint 90%-os fényáteresztő képességgel, 1% alatti homályossággal, magas fényességgel, és összehasonlítható az átlátszó anyagokkal, például a polikarbonáttal (PC) és az akrillal (PMMA). Az amorf szerkezet elkerüli a PET kristályosodása által okozott fényszórást, és még vastag falú termékekben is nagy átlátszóságot tud fenntartani, megoldva a könnyű kifehéredés és a csökkent átlátszóság problémáit a hagyományos vastag falú PET termékekben.

Mechanikai tulajdonságok tekintetében a PETG jó szívóssággal és merevséggel is rendelkezik. Ütésállósága 3-5-szöröse a hagyományos PET-ének, bevágásos ütésállósága pedig elérheti a 60 kJ/m²-t, ami jóval magasabb, mint a rideg hagyományos PET-é; szakítószilárdsága eléri a 30-50 MPa-t, hajlítási modulusa pedig 1500-2500 MPa, amivel a legtöbb szerkezeti elem mechanikai követelményeit ki tudja elégíteni. A PETG kiváló rugalmassággal rendelkezik, akár 200%-300%-os törési nyúlással. Hidegen hajlítható, hajtogatható stb. törés nélkül, így alkalmassá teszi bizonyos fokú rugalmasságot igénylő termékek gyártására.

Hőteljesítmény szempontjából a PETG üvegesedési hőmérséklete (Tg) körülbelül 78-88 ℃. Bár alacsonyabb, mint a PET kristályosodási olvadáspontja, hődeformációs hőmérséklete viszonylag magas (65-75 ℃), és szobahőmérsékleten hosszú ideig stabilan használható. Kiváló alacsony hőmérsékleti ellenállással rendelkezik, és -40 ℃-on is jó szívósságot tart fenn ridegedés nélkül. A PC-hez képest a PETG alacsonyabb feldolgozási hőmérséklettel (általában 230-270 ℃) rendelkezik, alacsonyabb energiafogyasztással, és kevésbé hajlamos a magas hőmérsékletű degradációra.

Kémiai stabilitás tekintetében a PETG jól ellenáll a víznek, savaknak, lúgoknak stb., és kémiai korrózióállósága jobb, mint a PMMA-nak és a PC-nek. Nem korrodálja könnyen a mindennapi vegyszereket, például az alkoholt és a mosószereket, felülete pedig jó karcállósággal rendelkezik, Shore D78-85 keménységgel, amely bevonattal tovább javítható. Ugyanakkor a PETG szagtalan, nem mérgező, és megfelel az élelmiszerekkel érintkezésbe kerülő anyagokra vonatkozó szabványoknak, például az FDA-nak és az EU 10/2011-nek. Orvosi minőségű tanúsítványokkal is rendelkezik, például az USP VI. osztályú előírásoknak, és biztonságosságát széles körben elismerték.

A PETG további jelentős előnye a feldolgozási teljesítmény. Amorf anyagként a PETG jó olvadékfolyóképességgel, alacsony formázási zsugorodással (0,5% -1,5%), kiváló méretstabilitással rendelkezik, és alkalmas precíziós öntésre. Különböző eljárásokkal, például fröccsöntéssel, extrudálással, fúvással és hőformázással feldolgozható, és széles feldolgozási ablakkal rendelkezik, amely nem hajlamos a feszültségrepedésre. Jó utófeldolgozási tulajdonságokkal rendelkezik (például nyomtatás, ragasztás és hegesztés), és képes kielégíteni az összetett termékek gyártási igényeit.

2. Gyártási folyamat és nyersanyagforrások

A PETG előállítási folyamata a poliészter polimerizációs technológián alapul, amelynek lényege a háromkomponensű monomerek arányának és polimerizációs folyamatának pontos szabályozása a molekulaszerkezet szabályozása érdekében. Fő nyersanyagai a tereftálsav (PTA), az etilénglikol (EG) és a ciklohexándimetanol (CHDM), amelyek közül a CHDM tisztasága és aránya közvetlenül befolyásolja a PETG teljesítményét.

A nyersanyagforrásokat tekintve a hagyományos PETG PTA és EG főként a petrolkémiai iparból származik, és olyan eljárásokkal állítják elő, mint a nafta krakkolása; a CHDM-et olyan lépésekkel állítják elő, mint a ciklohexán oxidációja és hidrogénezése, és szintén fosszilis erőforrásokra támaszkodik. Az elmúlt években áttörések történtek a bioalapú nyersanyagok kutatásában és fejlesztésében, és a bioalapú PTA (biomassza fermentációval előállított), a bioalapú EG és a bioalapú CHDM iparosítása fokozatosan előrehaladt, lehetőséget teremtve a PETG zöld előállítására és a termékek szénlábnyomának jelentős csökkentésére.

A PETG előállítási folyamata főként három fő szakaszból áll: észteresítés, kopolimerizáció és polimerizáció, valamint granulálás. Az észteresítési szakaszban a PTA először észteresítési reakción megy keresztül EG-vel és CHDM-mel 180-220 ℃-on és 0,2-0,5 MPa nyomáson, így dihidroxi-etil-tereftalátot, ciklohexándimetanol-tereftalátot és vizet kap. A reakciót egy katalizátor (például titán alapú katalizátor) gyorsítja, és a vizet időben eltávolítja a reakció elősegítése érdekében. Az észteresítési aránynak el kell érnie a 95%-ot.

A kopolimerizációs és kondenzációs szakasz az észteresítési terméken alapul, amelyet 240-270 ℃-ra melegítenek, és vákuumkörnyezetben (≤ 100 Pa nyomás) hajtanak végre a kondenzációs reakcióhoz, a kis molekulájú termékek (főleg EG) eltávolításával a molekulalánc növelése érdekében. Ebben a szakaszban szigorúan ellenőrizni kell a hozzáadott CHDM arányát (általában a diolok teljes mennyiségének 30-50%-a). Ha az arány túl magas, az csökkenti az anyag hőállóságát, és ha túl alacsony, akkor nem károsítja hatékonyan a kristályosságot. A kondenzációs reakció ideje és hőmérséklete közvetlenül befolyásolja a PETG belső viszkozitását (IV-érték), amelyet általában 0,7-1,2 dL/g között szabályoznak a feldolgozhatóság és a mechanikai tulajdonságok egyensúlyba hozása érdekében.

A polimerizáció befejeződése után az olvadt PETG-t kiöntik és fehér vagy átlátszó szemcsés szeletekre vágják, amelyeket szigorúan meg kell szárítani (nedvességtartalom ≤ 0,005%), hogy elkerüljék a későbbi feldolgozás során a hidrolízis miatti molekulatömeg-veszteséget. Az alkalmazási követelményeknek megfelelően antioxidánsok, kenőanyagok, UV-elnyelő anyagok és egyéb adalékanyagok adhatók a granulálási szakaszban a termék hőstabilitásának, feldolgozhatóságának és időjárásállóságának javítása érdekében. Az adalékanyagok kiválasztásának meg kell felelnie az élelmiszerrel érintkezésbe kerülő vagy az orvosi minőségű szabványoknak.

A gyártási folyamat során fejlett online monitorozási technológiákra, például infravörös spektroszkópiára és viszkozitásmérőkre van szükség a reakció előrehaladásának és a termék teljesítményének valós idejű monitorozásához, biztosítva a tételek stabilitását. A PET-hez képest a PETG polimerizációs folyamata nagyobb berendezéspontosságot és folyamatszabályozást igényel, különösen a CHDM mérési és diszperziós egyenletességét, ami közvetlenül befolyásolja a termék átlátszóságát és mechanikai teljesítményének állandóságát.

3. Osztályozás és teljesítménybeli különbségek

A jellemző viszkozitás, a CHDM-tartalom és az alkalmazási forgatókönyvek szerint a PETG több kategóriába sorolható, és a különböző típusú PETG-k teljesítménybeli különbségeket mutatnak, hogy megfeleljenek a sokféle igénynek.

A belső viszkozitás (IV-érték) alapján osztályozott PETG alacsony IV-értékű (0,7-0,9 dL/g) jó folyóképességgel rendelkezik, és alkalmas kis precíziós termékek (például kozmetikai palackkupakok és elektronikus tartozékok) fröccsöntésére; a közepes IV-értékű PETG (0,9-1,1 dL/g) kiegyensúlyozza a folyékonyságot és a mechanikai tulajdonságokat, alkalmas fúvásra (például palackok), extrudált lemezek stb. előállítására; a magas IV-értékű PETG (1,1-1,2 dL/g) nagy mechanikai szilárdsággal rendelkezik, és alkalmas szerkezeti alkatrészek, például vastag falú lemezek és csövek gyártására.

A CHDM-tartalom alapján osztályozva az alacsony CHDM-tartalmú (30% -40%) PETG bizonyos kristályosodási hajlamot mutat, kissé magasabb hőállósággal (Tg körülbelül 85-90 ℃), jó merevséggel rendelkezik, és alkalmas hőállóságot igénylő termékek csomagolására; a magas CHDM-tartalmú (40% -50%) PETG jelentősebb kristálymentességgel, jobb rugalmassággal és átlátszósággal rendelkezik, de kissé alacsonyabb hőállósággal (Tg körülbelül 75-80 ℃) rendelkezik, így alkalmassá teszi olyan termékekhez, mint a fóliák és tömlők, amelyek nagy szilárdságot igényelnek.

Alkalmazási terület szerint osztályozva a csomagoló minőségű PETG az átlátszóságra, a kémiai ellenállásra és a feldolgozhatóságra összpontosít, megfelelve az élelmiszer- és kozmetikai csomagolások higiéniai követelményeinek; az orvosi minőségű PETG-nek biokompatibilitási tanúsítványon kell átesnie (például USP VI. osztály), nem mérgezőnek, sterilizálásnak (például gammasugár-sterilizálásnak) ellenállónak kell lennie, és alkalmasnak kell lennie orvostechnikai eszközök gyártására; az ipari minőségű PETG a mechanikai tulajdonságokra és a méretstabilitásra összpontosít, és olyan területeken használják szerkezeti elemekhez, mint az építőipar és az elektronika.

A különböző típusú PETG teljesítménybeli különbségei főként a hőállóságban, a rugalmasságban és a feldolgozhatóságban tükröződnek. Például a csomagoló minőségű PETG fényáteresztő képessége általában nagyobb, mint 92%, a zavarosság kevesebb, mint 1%, a szakítószilárdság 35-45 MPa, a szakadási nyúlás pedig 200% -300%; az orvosi minőségű PETG nemcsak mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, hanem citotoxicitási és szenzibilizációs teszteken is át kell esnie; az ipari minőségű PETG hődeformációs hőmérséklete (0,45 MPa) elérheti a 60-70 ℃-ot, ami szobahőmérsékleten alkalmas szerkezeti tartókövetelmények kielégítésére.

4. Sokoldalú alkalmazási területek

A PETG átfogó teljesítményelőnyeinek köszönhetően számos területen váltotta fel a hagyományos anyagokat, és széleskörű alkalmazási lehetőségeket mutatott, különösen az átlátszóság, a szívósság és a környezetbarát tulajdonságok iránti magas követelményeket támasztó forgatókönyvekben.

A csomagolástechnika a PETG fő alkalmazási piaca, különösen a luxuscsomagolásokban foglal el fontos helyet. A kozmetikai csomagolásban a PETG-ből készült palackok és tömlők kristályszerű átlátszó textúrájúak, magasfényűek, ami kiemeli a termék minőségét, és kiváló vegyszerállósággal rendelkeznek. Bőrápolási termékeket, parfümöket és egyéb összetett összetevőket tartalmazó termékeket is tárolhatnak bennük. Ugyanakkor erős ütésállósággal rendelkeznek, nem törnek könnyen, és csökkentik a szállítási veszteségeket.

Az élelmiszer-csomagolás területén a PETG megfelel az élelmiszerrel érintkező anyagokra vonatkozó szabványoknak (például az FDA 21 CFR 177.1310), szagtalan és ellenáll az alacsony hőmérsékletnek (hűtésre alkalmas). Használható konzervdobozok, italospoharak, frissen tartó dobozok stb. gyártására. Jó tömítő- és vegyszerállósága megvédi az élelmiszerek ízét, átlátszósága pedig megkönnyíti a fogyasztók számára a tartalom megfigyelését. A PETG fólia kompozit csomagolófólia és zsugorfólia készítésére is alkalmas, jó hőzárási tulajdonságokkal rendelkezik, így alkalmas szabálytalan csomagolásra.

Az egészségügy területén az orvosi minőségű PETG ideális anyaggá vált orvostechnikai eszközökhöz jó biokompatibilitása, sterilizálási ellenállása és könnyű feldolgozhatósága miatt. Felhasználható infúziós készletek, fecskendőhüvelyek, orvosi katéterek, gyógyszercsomagoló palackok stb. gyártására. Átlátszósága megkönnyíti a folyadékáramlás állapotának megfigyelését, gammasugár-sterilizálással szembeni ellenállása pedig biztosítja az orvosi eszközök sterilitását. Ezenkívül a PETG-t fogászati modellek, protézishéjak stb. gyártására is használják, egyensúlyba hozva a kényelmet és a tartósságot.

Az építészet és a dekoráció területén a PETG paneleket világítótestek, védőburkolatok, dekoratív panelek stb. gyártására használják nagyfokú átlátszóságuk, időjárásállóságuk és ütésállóságuk miatt. Az üveghez képest a PETG lemez könnyebb (sűrűsége 1,23-1,27 g/cm³, körülbelül a fele az üvegének), kevésbé törékeny és biztonságosabb; az akrilhoz képest a PETG jobb vegyszerállósággal rendelkezik, kevésbé hajlamos a sárgulásra és az öregedésre, és hosszabb élettartammal rendelkezik. A PETG-ből dekoratív fóliák és bútorfurnérok is készíthetők, nyomtatással, bevonásokkal és egyéb eljárásokkal változatos megjelenést érve el.

A szórakoztatóelektronika területén a PETG-t elektronikus eszközök burkolatainak, védőburkolatainak, kijelzőkereteinek stb. gyártására használják. Jó méretstabilitása és feldolgozhatósága megfelel a precíziós alkatrészek gyártási követelményeinek, kopásállósága és karcállósága pedig felületkezeléssel (például edzett bevonatokkal) javítható. A 3C termékcsomagolásban a vákuumformázott PETG dobozok tisztán bemutatják a termékeket, és jó párnázott védelmet nyújtanak.

Más területeken a PETG fólia nyomtatáshoz, meleg sajtoláshoz, hamisítás elleni címkékhez stb. használható, kiváló utófeldolgozási teljesítménnyel; a PETG csöveket ipari folyadékszállításhoz és orvostechnikai eszközök csővezetékeihez használják jó rugalmasságuk és kémiai korrózióállóságuk miatt; a játékok területén a PETG-ből készült átlátszó játékok biztonságosak, nem mérgezőek és erős ütésállósággal rendelkeznek, így alkalmasak gyermekek számára.

5. Környezetvédelmi és fejlesztési trendek

A PETG környezeti jellemzői előnyt biztosítanak számára a fenntartható fejlődés trendjében, miközben az iparág folyamatosan előmozdítja a technológiai innovációt, bővíti teljesítményhatárait és alkalmazási lehetőségeit.

Környezetvédelmi szempontból a PETG jól újrahasznosítható, és a hulladék PETG termékek fizikai vagy kémiai újrahasznosítással újrahasznosíthatók. A fizikai újrahasznosítás a hulladékanyagok válogatásának, tisztításának és zúzásának folyamata, mielőtt azokat megolvasztják és újraformálják. Az újrahasznosított PETG felhasználható nem élelmiszerrel érintkező termékek (például csomagolóanyagok és ipari alkatrészek) előállítására; A kémiai újrahasznosítás során a PETG depolimerizációs reakció révén monomerekké bontható, amelyeket újra felhasználnak a polimerizációs termelésben a zárt hurkú körforgás elérése érdekében. A klórozott műanyagokkal, például a PVC-vel összehasonlítva a PETG nem termel mérgező gázokat égés során, és alacsonyabb környezeti kockázattal jár.

A bioalapú PETG kutatása és fejlesztése fontos irány a zöld fejlődés számára. A bioalapú PTA, a bioalapú EG és a bioalapú CHDM bevezetésével jelentősen csökkenthető a fosszilis erőforrásoktól való függőség, és a termékek életciklusa során kibocsátott szén-dioxid-kibocsátás több mint 30%-kal csökkenthető a hagyományos PETG-hez képest. Jelenleg több vállalat is piacra dobott bioalapú PETG termékeket. A bioalapú nyersanyagköltségek csökkenésével felgyorsul a teljesen bioalapú PETG iparosítása.

A PETG fejlesztési trendjei főként három irányba mutatnak: nagy teljesítmény, funkcionalizálás és alkalmazásbővítés. A nagy teljesítmény tekintetében a CHDM arány molekuláris tervezéssel történő optimalizálásával, negyedik monomerek (például hosszú szénláncú diolok) vagy nanorészecskékkel (például grafén és nano-kalcium-karbonát) való kompozitok bevezetésével javul a PETG hőállósága (például 80 ℃-ot meghaladó hődeformációs hőmérséklet), kopásállósága és mechanikai szilárdsága, kiterjesztve alkalmazását a mérnöki szerkezeti elemek területére.

Funkcionalizálás szempontjából speciális funkciókkal rendelkező PETG-változatok fejlesztése, például antibakteriális PETG (antibakteriális szerekkel, például nano ezüst- és cinkionokkal) orvosi és élelmiszer-csomagoláshoz, amely gátolhatja a mikrobiális növekedést; A lángálló PETG halogénmentes lánggátlók hozzáadásával megfelel az elektronikai és építőipari tűzvédelmi követelményeknek; Az intelligens válaszú PETG-t (például hőmérséklet-érzékeny színváltozás és pH-válasz) csúcskategóriás csomagolásokhoz és orvosi monitorozáshoz használják a funkciók dinamikus szabályozásának elérése érdekében.

Az alkalmazásbővítés tekintetében a PETG hatalmas potenciállal rendelkezik az új energiák területén, például átlátszó hátlapok gyártásában fotovoltaikus modulokhoz (kiváló időjárásállósággal és szigeteléssel); A 3D nyomtatás területén a PETG huzal az FDM nyomtatás egyik előnyben részesített anyagává vált a nagy nyomtatási pontosság és a vetemedéssel szembeni ellenállás miatt. Komplex modellek és funkcionális alkatrészek létrehozására használható; A rugalmas elektronika területén a PETG fólia hordozóként használható, és vezető anyagokkal kombinálva rugalmas áramkörök és érzékelők előállítására használható.

A technológiai innováció szempontjából a folyamatos polimerizációs folyamat optimalizálása javíthatja a PETG termelési hatékonyságát és minőségi stabilitását, valamint csökkentheti a termelési költségeket; Az új katalizátorok (például a nem antimon alapú, környezetbarát katalizátorok) fejlesztése csökkentheti a nehézfém-maradványokat és javíthatja a termékbiztonságot; A keverési módosítási technológia (például a PETG PC-vel és PMMA-val való keverése) integrálhatja a különböző anyagok előnyeit, így átfogóbb teljesítményű kompozit termékeket fejleszthet ki.

Nagy teljesítményű kopolimer poliészter anyagként a PETG fejlesztése tükrözi a polimer anyagmódosítási technológia fejlődését. A molekulaszerkezet precíz szabályozásával a PETG áttöri a hagyományos poliészterek teljesítménykorlátait, kiváló átlátszóságot és feldolgozhatóságot biztosít, miközben rugalmassággal, környezetbarátsággal és biztonsággal is rendelkezik. A zöld gyártási technológia fejlődésével és az alkalmazási lehetőségek bővülésével a PETG egyre fontosabb szerepet fog játszani a csúcskategóriás gyártásban, a fenntartható csomagolásban és az egészségügyben, és a polimer anyagipar fejlesztésének egyik kulcsfontosságú anyagává válik.