ПЕТ суровини

ПЕТ суровини: високоефективни полиестерни материали и техните разнообразни приложения

Полиетилен терефталатът (ПЕТ) е линеен ароматен полиестер, получен чрез кондензационна реакция на терефталова киселина и етиленгликол. Като една от петте общи инженерни пластмаси, ПЕТ се е превърнал в незаменим полимерен материал в съвременната индустрия от началото на промишленото си производство през 40-те години на миналия век, благодарение на отличните си всеобхватни характеристики, широката гама от суровини и зрелите производствени процеси. От ежедневните бутилки за минерална вода до полиестерните дрехи, от фолиата за опаковане на храни до автомобилните компоненти, ПЕТ е проникнал в различни области на производството и живота със своите уникални предимства, насърчавайки устойчивото развитие на материалната индустрия.

1. Молекулярна структура и основни характеристики на ПЕТ

Молекулярната структура на ПЕТ е основният фактор, определящ неговите характеристики. Повтарящата се единица е -ОК-C₆H₄-Главен оперативен директор-CH₂CH₂-, а молекулната верига съдържа твърди бензенови пръстени и гъвкави метиленови сегменти. Тази структура придава на ПЕТ както твърдост, така и известна степен на жилавост.

По отношение на механичните свойства, ПЕТ има висока якост на опън и модул на еластичност, умерено удължение при скъсване и по-добра устойчивост на удар от крехките пластмаси като полистирен. Необработеният ПЕТ има добра твърдост и след двуосно разтягане, здравината му може да бъде значително подобрена. Например, якостта на опън на двуосно разтегнатото ПЕТ фолио може да достигне 150-200 МПа, което е близо до 1/10 от това на стоманата. Тази характеристика с висока якост го прави отличен в опаковъчните и конструкционните материали.

По отношение на термичните характеристики, температурата на стъклен преход на ПЕТ е около 70-80 ℃, с точка на топене между 240-260 ℃. Краткосрочната температура на употреба може да достигне 120 ℃, а дългосрочната температура на употреба е 80-100 ℃, което може да отговори на температурните изисквания на повечето ежедневни и промишлени сценарии. Въпреки това, температурата на термична деформация на ПЕТ е сравнително ниска и е склонен към деформация при високи температури под напрежение. Следователно, чистият ПЕТ се използва най-вече в сценарии с неносещо натоварване или ниско натоварване и висока температура. За да се подобри устойчивостта на топлина, е необходимо да се постигне това чрез подобрена модификация.

Бариерните свойства са едно от основните предимства на ПЕТ, тъй като той има добър бариерен ефект срещу кислород, въглероден диоксид, водни пари и др. и може ефективно да забави окислителното влошаване и загубата на влага от съдържанието. Особено при ПЕТ за бутилки, след процеса на двуосно разтягане, подредбата на молекулярните вериги е по-правилна и бариерните свойства са допълнително подобрени, което го прави предпочитан материал за опаковане на напитки, храни, козметика и др. Например, бутилките за газирани напитки трябва да издържат на определено вътрешно налягане, а бариерните свойства на ПЕТ могат ефективно да предотвратят изтичането на въглероден диоксид.

По отношение на химическата устойчивост, ПЕТ има добра поносимост към повечето органични разтворители, киселини и основи и не корозира лесно при стайна температура. Въпреки това, хидролизни реакции могат да възникнат при силни алкални условия или високи температури. Тази характеристика го прави подходящ за съхранение на киселинни напитки (като сок), неутрална вода и др., но не и за дългосрочно съхранение на силно алкални течности.

Освен това, ПЕТ има добра прозрачност и гланц, с пропускливост на светлина над 90% след обработка, което може ясно да покаже съдържанието и да подобри визуалната привлекателност на продукта; В същото време, ПЕТ е лесен за обработка и може да се превърне в различни форми на продукти като бутилки, филми, листове, влакна и др. чрез шприцване, формоване чрез раздуване, екструдиране и други процеси.

2. Производствен процес и източници на суровини за ПЕТ

Промишленото производство на ПЕТ използва главно терефталова киселина (Родителско-учителска асоциация) и етиленгликол (ЕГ) като суровини, които се генерират чрез кондензационна реакция. Производственият процес е формирал зряла и стабилна техническа система, като основната цел е прецизният контрол на процеса на полимеризация за получаване на продукти със специфични свойства.

По отношение на източниците на суровини, терефталовата киселина (Родителско-учителска асоциация) се произвежда главно чрез окисление на ксилен (PX), който се получава при извличането на ароматни въглеводороди при рафинирането на петрол; етиленгликолът (ЕГ) се произвежда главно чрез окисление на етилен, за да се получи епоксиетан, който след това се хидратира. Етиленът се получава и от крекинга на петрол или природен газ. С нарастващото търсене на опазване на околната среда и устойчиво развитие е постигнат напредък в научноизследователската и развойна дейност в областта на биосуровините. Био-етиленгликолът може да се произвежда чрез ферментация на биомаса и след това да се полимеризира с Родителско-учителска асоциация, за да се получи ПЕТ на био-базиран принцип, намалявайки зависимостта от изкопаеми ресурси.

Производственият процес на ПЕТ включва главно два основни етапа: естерификация и кондензация. В зависимост от мащаба на производството и търсенето на продукта, той може да бъде разделен на два процеса: периодична полимеризация и непрекъсната полимеризация.

Етапът на естерификация включва реакция на естерификация между Родителско-учителска асоциация и ЕГ под висока температура и налягане, което води до образуването на дихидроксиетил терефталат (БХЕТ) и вода. Температурата на реакцията обикновено се контролира на 220-260 ℃, а налягането е 0,2-0,5 МПа, като реакцията се ускорява от катализатори като антимонови и титаниеви катализатори. Реакцията на естерификация е обратима реакция и образувалата се вода трябва да се отстрани своевременно, за да се стимулира напредващата реакция и да се гарантира, че скоростта на естерификация достига над 95%.

Етапът на кондензация е етапът, в който БХЕТ претърпява кондензационна реакция при условия на по-висока температура и вакуум, като отстранява етиленгликола и образува ПЕТ полимерни вериги. Температурата на реакцията се повишава до 270-290 ℃, а налягането се понижава под 100 Па. Продуктите с малки молекули (етиленгликол) се отстраняват чрез вакуумна среда, за да се насърчи растежът на молекулните вериги. Времето и параметрите на процеса на кондензационната реакция влияят пряко върху молекулното тегло и разпределението на молекулното тегло на ПЕТ, като по този начин определят производителността на продукта. Процесът на непрекъсната полимеризация постига непрекъснато производство чрез множество последователни реактори, което има предимствата на висока производствена ефективност и стабилно качество на продукта и е подходящо за мащабно промишлено производство; интермитентната полимеризация има силна гъвкавост и е подходяща за дребномащабно и многовариантно производство.

След завършване на реакцията на полимеризация, разтопеният ПЕТ се отлива и нарязва на ПЕТ резени, които са твърди ПЕТ суровини. Резените трябва да се изсушат, за да се отстрани влагата (съдържанието на влага трябва да е под 0,005%), за да се избегне намаляване на молекулното тегло поради хидролиза по време на последващата обработка. В зависимост от различните изисквания на приложението, вътрешният вискозитет (IV стойност) на ПЕТ резените може да се контролира чрез регулиране на параметрите на процеса. IV стойността на ПЕТ резените с качество за бутилка обикновено е 0,7-0,8 дл/g, за мембрана е 0,6-0,7 дл/g, а за влакна е 0,6-0,9 дл/g.

Модификацията чрез кополимеризация е важно средство за разширяване на обхвата на производителност на ПЕТ. Чрез въвеждане на трети мономери (като циклохександиметанол и изофталова киселина) по време на процеса на полимеризация, структурата на молекулната верига може да бъде променена, за да се получат модифицирани ПЕТ продукти. Например, ПЕТ се съполимеризира с циклохександиметанол, за да се получи ПЕТГ, което значително подобрява неговата гъвкавост, удароустойчивост и обработваемост, което го прави подходящ за опаковки с висока прозрачност и медицински изделия; Добавянето на изофталова киселина може да намали кристалността на ПЕТ, да подобри неговите обработваеми характеристики и химическа устойчивост.

3、 Класификация и разлики в производителността на ПЕТ

Според областта на приложение и изискванията за производителност, ПЕТ може да се раздели на четири категории: ПЕТ за бутилки, ПЕТ за фолио, ПЕТ за влакна и ПЕТ за инженерство. Различните видове ПЕТ имат значителни разлики в молекулното тегло, кристалността, производителността на обработка и др., за да отговорят на нуждите на различните сценарии.

ПЕТ бутилките са най-широко произвежданият вид ПЕТ, използван главно за производството на различни пластмасови бутилки. Той има висок вътрешен вискозитет (0,7-0,8 дл/g), отлична прозрачност, механична якост и бариерни свойства, както и изключителна устойчивост на удар и вътрешно налягане. За да отговарят на изискванията за формоване чрез раздуване, ПЕТ чипсовете за бутилки трябва да имат добра течливост на стопилката и стабилност при обработка. След шприцоване в преформи, те се превръщат в бутилки чрез технология за двуосно разтягане чрез раздуване. Процесът на разтягане ориентира молекулярните вериги, което допълнително подобрява якостта и бариерните свойства. ПЕТ бутилките могат да бъдат разделени на бутилки за вода, бутилки за газирани напитки, бутилки за горещо пълнене и др. Според приложенията си, ПЕТ бутилките за горещо пълнене могат да подобрят своята топлоустойчивост чрез съполимеризационна модификация и могат да издържат на процеси на горещо пълнене при 85-95 ℃.

ПЕТ фолиото се използва главно за производството на различни тънкослойни продукти, с малко по-нисък вътрешен вискозитет от този за бутилки (0,6-0,7 дл/g) и има добри механични свойства, устойчивост на топлина и изолация. ПЕТ фолиото се произвежда чрез екструдиране или биаксиално ориентирано разтягане. След надлъжно и напречно разтягане, здравината, прозрачността и бариерните свойства на биаксиално ориентираното ПЕТ (БОПЕТ) фолио са значително подобрени. То се използва широко във фолиа за опаковане на храни (като например торби за готвене на пара), изолационни фолиа (като кондензаторни фолиа), защитни фолиа за карти, фолиа за фотоволтаични фолиа и др. ПЕТ фолиото може да подобри характеристиките на фолиото чрез добавяне на смазочни материали, антиадхезионни агенти и др., като например намаляване на коефициента на триене за по-лесно навиване и обработка.

ПЕТ влакнестият материал е основната суровина в текстилната област, а именно полиестерната (полиестерна влакна) суровина, с широк диапазон на вътрешен вискозитет (0,6-0,9 дл/g), като параметрите се регулират според вида влакна (филамент, щапелни влакна). ПЕТ влакнестият материал се преработва в полиестерни влакна чрез процес на предене от стопилка, който има предимствата на висока якост, устойчивост на износване, устойчивост на намачкване и лесно пране. Той се използва широко в облекло, домашен текстил и индустриален текстил (като геотекстил и филтърни тъкани). Чрез регулиране на процеса на предене могат да се произвеждат полиестерни влакна с различни свойства, като например високоякостни и ниско разтегливи влакна за индустриална употреба и ултрафини влакна за висок клас тъкани.

Инженерният ПЕТ е високоефективен ПЕТ, получен чрез армиране, закаляване и други модификационни обработки, използван главно за заместване на метали или други инженерни пластмаси в производството на структурни компоненти. Чрез добавяне на армиращи материали като стъклени влакна и въглеродни влакна, здравината, твърдостта и топлоустойчивостта на ПЕТ могат да бъдат значително подобрени. Якостта на опън на подсиления със стъклени влакна ПЕТ може да достигне над 150 МПа, а температурата на термична деформация може да надхвърли 200 ℃. Подходящ е за автомобилни части (като дръжки на врати, арматурни табла), електронни и електрически корпуси, механични части и др. Инженерният ПЕТ може също да подобри своите ударни характеристики чрез добавяне на закаляващи агенти (като еластомери) или чрез добавяне на забавители на горенето, за да отговори на изискванията за пожарна защита.

4. Разнообразните области на приложение на ПЕТ

ПЕТ, с отличните си всеобхватни характеристики и разнообразни методи за обработка, се използва широко в различни области като опаковане, текстил, електроника, автомобили и строителство, превръщайки се в незаменим материал в съвременната индустрия и ежедневието.

Опаковъчният сектор е една от най-широко използваните области за ПЕТ, като доминира ПЕТ за бутилки. При опаковането на напитки, ПЕТ бутилките са се превърнали в предпочитан контейнер за минерална вода, газирани напитки, плодови сокове, чайове и др., благодарение на тяхната прозрачност, леко тегло, устойчивост на удар и добри бариерни свойства. Всяка година в световен мащаб се произвеждат над 500 милиарда ПЕТ бутилки. ПЕТ бутилките непрекъснато намаляват потреблението на материали чрез лекия си дизайн, като същевременно имат добра рециклируемост, насърчавайки развитието на кръговата икономика. В опаковането на храни, БОПЕТ фолиото се използва за направата на торбички за готвене и вакуумни опаковъчни фолиа, които могат да издържат на стерилизация при висока температура от 121 ℃ и да удължат срока на годност на храните; ПЕТ листовете се термоформуват във вакуумно оформени кутии за опаковане на месо, плодове, сладкиши и др., които имат както прозрачност, така и защита.

В текстилната промишленост полиестерните влакна, произведени от ПЕТ, са най-широко произвежданите синтетични влакна, представляващи над 60% от световното производство на влакна. Полиестерните нишки се използват за направата на платове за облекло, като ризи, рокли и спортно облекло, и се характеризират с твърдост и лесна поддръжка; смесване на полиестерни щапелни влакна с естествени влакна, като памук и вълна, за подобряване на износоустойчивостта и запазването на формата на тъканта; индустриалните полиестерни влакна се използват за направата на геотекстил (за подсилване на почвата), филтърни материали (като въздушни филтри), предпазни колани, палатки и др. Високата им якост и устойчивост на атмосферни влияния отговарят на индустриалните нужди.

В областта на електронните уреди, ПЕТ фолиото играе важна роля. БОПЕТ фолиото се използва за направата на кондензаторни фолиа, изолационни фолиа за двигатели, гъвкави подложки за печатни платки и др., благодарение на отличните си изолационни характеристики и устойчивост на топлина; ПЕТ листовете се отпечатват и щамповат в декоративни панели, табелки с имена и други електронни устройства. След модификация, инженерният ПЕТ се използва за направата на компоненти като конектори, корпуси за превключватели, скоби за дисплеи и др., като същевременно осигурява изолация и механична якост.

В автомобилната индустрия, ПЕТ с инженерно качество се подсилва и модифицира за производството на интериорни части за автомобили (като арматурни табла и панели на вратите), екстериорни части (като корпуси на огледала за обратно виждане) и функционални компоненти (като решетки на радиатори). Неговите леки характеристики могат да намалят разхода на гориво, а неговата химическа и атмосферна устойчивост отговаря на дългосрочните нужди на автомобилната употреба. ПЕТ се използва и за изолация на автомобилни кабелни снопове, тъкани за седалки (полиестерни тъкани) и др., което допълнително разширява приложението му в автомобилната област.

В областта на архитектурата, ПЕТ материалът се използва за производство на топлоизолационни материали (като ПЕТ изолационен памук), хидроизолационни мембрани, декоративни филми и др. ПЕТ изолационният памук има характеристиките на леко тегло, огнеупорност и добър изолационен ефект и е подходящ за изолация на външни стени на сгради; ПЕТ хидроизолационната мембрана е устойчива на стареене и пробиване, използва се за проекти за хидроизолация на покриви и мазета; ПЕТ декоративното фолио се нанася върху повърхността на плоскостта, за да се подобри нейната естетика и износоустойчивост.

Освен това, ПЕТ се използва в медицината за производство на инфузионни бутилки, корпуси за спринцовки и др. Неговата химическа стабилност и хигиена отговарят на медицинските стандарти; В областта на 3D печата, ПЕТ телта се използва за FDM технология за печат за производство на високоякостни модели и части.

5. Тенденции за опазване на околната среда и развитие на ПЕТ

С нарастващата глобална осведоменост за опазването на околната среда, екологичността и устойчивото развитие на ПЕТ се превърнаха в основни приоритети на индустрията. Технологиите за рециклиране и зелено производство продължават да се развиват, насърчавайки трансформацията на ПЕТ индустрията към кръгова икономика.

Екологичното предимство на ПЕТ се състои в добрата му рециклируемост и високата рециклируема стойност. Отпадъчните ПЕТ продукти (като ПЕТ бутилки, фолиа, влакна) могат да бъдат рециклирани чрез два метода: физическо рециклиране и химическо рециклиране. Физическото рециклиране е процес на сортиране, почистване, раздробяване и топене на отпадъчен ПЕТ в рециклирани ПЕТ резени. Рециклираният ПЕТ може да се използва за производство на продукти с качество за бутилки, фолио, влакна и други. Например, рециклираните ПЕТ бутилки се използват за опаковки, които не са хранителни продукти, а рециклираните влакна се използват за производство на килими и облекла (като рециклирани полиестерни тъкани). Химическото рециклиране разлага ПЕТ на Родителско-учителска асоциация и ЕГ мономери чрез хидролиза, алкохолиза и други технологии и ги използва като суровини за производството на нов ПЕТ, постигайки затворен цикъл на циркулация. Химическото рециклиране може да третира сложни и замърсени ПЕТ отпадъци, а характеристиките на рециклираните суровини са близки до тези на суровините, които могат да се използват в областта на контакт с храни.

В момента основното предизвикателство пред рециклирането на ПЕТ е несъвършената система за рециклиране. Глобалният процент на рециклиране на ПЕТ бутилки е около 50%, а някои региони имат ниски нива на рециклиране поради недостатъчна осведоменост за класифицираното рециклиране и високи разходи за рециклиране. В същото време, стабилността на производителността и хигиената на рециклирания ПЕТ трябва да бъдат стриктно контролирани, за да се избегнат примеси, влияещи върху качеството на продукта.

В бъдеще развитието на ПЕТ ще се насочи към високопроизводителни, екологични и функционални посоки. По отношение на високата производителност, молекулярният дизайн и технологиите за модификация се използват за подобряване на топлоустойчивостта, удароустойчивостта и бариерните свойства на ПЕТ, като например разработването на устойчив на висока температура ПЕТ за горещо пълнене и инженерни области, както и високобариерен ПЕТ за опаковане на продукти с висока добавена стойност.

По отношение на екологизирането, научноизследователската и развойна дейност в областта на ПЕТ на биологична основа се ускорява, с цел постигане на 100% производство на биологични суровини и намаляване на въглеродния отпечатък; едновременно с това се оптимизира технологията за рециклиране, подобрява чистотата и ефективността на физическото рециклиране, разширява индустриалният мащаб на химическото рециклиране и изгражда цялостна циклична система за производство, потребление, рециклиране, регенерация.

По отношение на функционализацията, разработването на ПЕТ материали със специални функции, като антибактериален ПЕТ за опаковане на храни, огнеупорен ПЕТ за електрониката и строителството, както и интелигентен, реагиращ на температура ПЕТ (като температурно чувствителна промяна на цвета и контролируемо разграждане) за висококачествени опаковки и медицина. Освен това, композитната технология на ПЕТ с други материали (като ПЕТ/графенови композити) ще разшири допълнително границите на производителността му и ще отговори на нуждите на нововъзникващите области.

ПЕТ, като високоефективен полимерен материал, отразява тясната интеграция на материалознанието и индустриалното търсене в процеса на неговото разработване. От ежедневните опаковки до висок клас индустриални приложения, ПЕТ подкрепя функционирането на съвременното общество със своите уникални предимства. С напредъка на технологиите за опазване на околната среда и насърчаването на кръговата икономика, ПЕТ ще постигне устойчиво развитие, като същевременно запази практичност, допринасяйки за зелено и нисковъглеродно общество.