ПЭТ-сырье

ПЭТ-сырье: высокопроизводительные полиэфирные материалы и их разнообразные применения

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) – это линейный ароматический полиэфир, получаемый реакцией конденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. Будучи одним из пяти основных конструкционных пластиков, ПЭТ стал незаменимым полимерным материалом в современной промышленности с момента его промышленного производства в 1940-х годах благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам, широкому спектру источников сырья и отработанным производственным процессам. От бутылок для минеральной воды до полиэфирной одежды, от пищевой упаковочной пленки до автомобильных компонентов – ПЭТ проникает в различные сферы производства и быта благодаря своим уникальным преимуществам, способствуя устойчивому развитию индустрии материалов.

1. Молекулярная структура и основные характеристики ПЭТ

Молекулярная структура ПЭТ является основополагающим фактором, определяющим его эксплуатационные характеристики. Её повторяющееся звено – ОК-C ₆ H ₄ – главный операционный директор-Ч ₂ Ч ₂ –, а молекулярная цепь содержит жёсткие бензольные кольца и гибкие метиленовые сегменты. Эта структура обеспечивает ПЭТ как жёсткость, так и определённую степень прочности.

С точки зрения механических свойств ПЭТ обладает высокой прочностью на разрыв и модулем упругости, умеренным удлинением при разрыве и лучшей ударопрочностью, чем хрупкие пластики, такие как полистирол. Необработанный ПЭТ обладает хорошей жёсткостью, а после двуосного растяжения его прочность может быть значительно повышена. Например, прочность на разрыв двуосно растянутой ПЭТ-плёнки может достигать 150–200 МПа, что близко к 1/10 прочности стали. Эта высокая прочность делает его превосходным материалом для упаковки и конструкционных материалов.

Что касается тепловых характеристик, температура стеклования ПЭТ составляет около 70–80 °C, а температура плавления – 240–260 °C. Температура кратковременного использования может достигать 120 °C, а температура длительного использования – 80–100 °C, что соответствует температурным требованиям большинства повседневных и промышленных применений. Однако температура термической деформации ПЭТ относительно низкая, и он склонен к деформации при высоких температурах под нагрузкой. Поэтому чистый ПЭТ в основном используется в ненесущих или низконагруженных высокотемпературных условиях. Для повышения термостойкости необходимо проводить глубокую модификацию.

Барьерные свойства – одно из основных преимуществ ПЭТ, который обладает хорошим барьером для кислорода, углекислого газа, водяного пара и т. д. и может эффективно замедлять окисление и потерю влаги содержимым. В частности, у ПЭТ бутылочного качества после двуосного растяжения молекулярная цепь становится более регулярной, а барьерные свойства дополнительно улучшаются, что делает его предпочтительным материалом для упаковки напитков, продуктов питания, косметики и т. д. Например, бутылки для газированных напитков должны выдерживать определённое внутреннее давление, и барьерные свойства ПЭТ позволяют эффективно предотвращать утечку углекислого газа.

С точки зрения химической стойкости ПЭТ обладает хорошей устойчивостью к большинству органических растворителей, кислот и оснований и не подвержен коррозии при комнатной температуре. Однако в сильнощелочной среде или при высоких температурах могут происходить реакции гидролиза. Эта характеристика делает его пригодным для хранения кислых напитков (например, соков), нейтральной воды и т. д., но не подходит для длительного хранения сильнощелочных жидкостей.

Кроме того, ПЭТ обладает хорошей прозрачностью и блеском, светопропуская более 90% после обработки, что позволяет четко отображать содержимое и повышать визуальную привлекательность продукта. В то же время ПЭТ легко обрабатывается и может быть переработан в различные формы изделий, такие как бутылки, пленки, листы, волокна и т. д., с помощью литья под давлением, выдувного формования, экструзии и других процессов.

2. Процесс производства и источники сырья для ПЭТ

Промышленное производство ПЭТ в основном использует в качестве сырья терефталевую кислоту (ТФК) и этиленгликоль (ЭГ), получаемые в результате реакции конденсации. Процесс производства ПЭТ представляет собой зрелую и стабильную техническую систему, основой которой является точный контроль процесса полимеризации для получения продуктов с заданными свойствами.

Что касается источников сырья, терефталевая кислота (ТФК) в основном производится окислением ксилола (ПК), получаемого при экстракции ароматических углеводородов в процессе нефтепереработки; этиленгликоль (ЭГ) в основном производится окислением этилена с образованием эпоксиэтана, который затем гидратируется. Этилен также получают крекингом нефти или природного газа. В связи с растущим спросом на охрану окружающей среды и устойчивое развитие, был достигнут прогресс в исследованиях и разработках биосырья. Биоэтиленгликоль может быть получен путем ферментации биомассы, а затем полимеризован с ТФК для получения некоторого количества биоПЭТ, что снижает зависимость от ископаемых ресурсов.

Процесс производства ПЭТ включает в себя две основные стадии: этерификацию и конденсацию. В зависимости от масштаба производства и спроса на продукцию, его можно разделить на два процесса: периодическую полимеризацию и непрерывную полимеризацию.

Стадия этерификации включает реакцию этерификации между ПТА и ЭГ при высокой температуре и давлении, приводящую к образованию дигидроксиэтилтерефталата (БГЭТ) и воды. Температура реакции обычно поддерживается в диапазоне 220–260 °C, а давление – 0,2–0,5 МПа. Реакцию ускоряют катализаторы, такие как сурьма и титан. Реакция этерификации обратима, и образующуюся воду необходимо своевременно удалять для ускорения прямой реакции и обеспечения степени этерификации более 95%.

Стадия конденсации - это когда БХЕТ подвергается реакции конденсации при более высокой температуре и условиях вакуума, удаляя этиленгликоль и образуя полимерные цепи ПЭТ. Температура реакции повышается до 270-290 ℃, а давление снижается до ниже 100 Па. Продукты с малыми молекулами (этиленгликоль) удаляются через вакуумную среду, что способствует росту молекулярных цепей. Время и параметры процесса реакции конденсации напрямую влияют на молекулярную массу и молекулярно-массовое распределение ПЭТ, тем самым определяя эксплуатационные характеристики продукта. Процесс непрерывной полимеризации обеспечивает непрерывное производство с помощью нескольких последовательных реакторов, что имеет преимущества высокой эффективности производства и стабильного качества продукта, и подходит для крупномасштабного промышленного производства; прерывистая полимеризация обладает высокой гибкостью и подходит для мелкосерийного и многономенклатурного производства.

После завершения реакции полимеризации расплавленный ПЭТ отливается и нарезается на ПЭТ-слои, которые представляют собой твердый ПЭТ-сырьевой материал. Ломтики необходимо высушивать для удаления влаги (содержание влаги должно быть ниже 0,005%), чтобы избежать снижения молекулярной массы вследствие гидролиза в процессе последующей переработки. В зависимости от требований к применению характеристическую вязкость (ХВ) ПЭТ-слоев можно контролировать, регулируя параметры процесса. ХВ для ПЭТ бутылочного качества обычно составляет 0,7–0,8 дл/г, для мембранного – 0,6–0,7 дл/г, а для волоконного – 0,6–0,9 дл/г.

Модификация сополимеризацией является важным способом расширения диапазона эксплуатационных свойств ПЭТ. Введение третьих мономеров (например, циклогександиметанола и изофталевой кислоты) в процессе полимеризации позволяет изменить структуру молекулярной цепи для получения модифицированных ПЭТ-продуктов. Например, ПЭТ сополимеризуется с циклогександиметанолом для получения ПЭТГ, что значительно повышает его гибкость, ударопрочность и технологичность, делая его пригодным для производства высокопрозрачной упаковки и медицинских изделий. Добавление изофталевой кислоты может снизить кристалличность ПЭТ, улучшить его технологичность и химическую стойкость.

3. Классификация и различия в эксплуатационных характеристиках ПЭТ

В зависимости от области применения и эксплуатационных требований ПЭТ можно разделить на четыре категории: ПЭТ для бутылок, ПЭТ для плёнок, ПЭТ для производства волокон и ПЭТ для инженерных целей. Различные типы ПЭТ существенно различаются по молекулярной массе, кристалличности, технологическим характеристикам и т. д., что позволяет удовлетворить потребности различных отраслей.

Бутылочный ПЭТ является наиболее широко производимым сортом ПЭТ, в основном используемым для производства различных пластиковых бутылок. Он имеет высокую характеристическую вязкость (0,7-0,8 дл/г), отличную прозрачность, механическую прочность и барьерные свойства, а также исключительную ударопрочность и устойчивость к внутреннему давлению. Чтобы соответствовать требованиям выдувного формования, ПЭТ-крошка бутылочного класса должна иметь хорошую текучесть расплава и стабильность обработки. После литья под давлением в преформы из них затем изготавливаются бутылки с помощью технологии двуосного растяжения с раздувом. Процесс растяжения ориентирует молекулярные цепи, что дополнительно улучшает прочность и барьерные свойства. Бутылочный ПЭТ можно разделить на сорт для бутылок с водой, сорт для газированных напитков, сорт для бутылок горячего розлива и т. д. В зависимости от области применения ПЭТ для бутылок горячего розлива может улучшить свою термостойкость за счет сополимеризационной модификации и может выдерживать процессы горячего розлива при температуре 85-95 ℃.

Пленочный ПЭТ в основном используется для производства различных тонкопленочных изделий, обладая несколько более низкой характеристической вязкостью, чем бутылочный сорт (0,6-0,7 дл/г), и обладает хорошими механическими свойствами, термостойкостью и изоляцией. ПЭТ-пленка изготавливается методом экструзионного литья или двуосно-ориентированного растяжения. После продольного и поперечного растяжения прочность, прозрачность и барьерные свойства двуосно-ориентированной ПЭТ (БОПЭТ) пленки значительно улучшаются. Она широко используется в пленках для упаковки пищевых продуктов (например, паровых пакетах), изоляционных пленках (например, пленках для конденсаторов), защитных пленках для карт, пленках для подложки фотоэлектрических элементов и т. д. Пленочный ПЭТ может улучшать эксплуатационные характеристики пленки путем добавления смазочных веществ, антиадгезионных агентов и т. д., например, для снижения коэффициента трения для более легкой намотки и обработки.

ПЭТ-волокно – это основное сырье в текстильной промышленности, а именно полиэфирное (полиэфирное волокно) сырье с широким диапазоном характеристической вязкости (0,6-0,9 дл/г), параметры которой регулируются в зависимости от типа волокна (филамент, штапель). ПЭТ-волокно изготавливается методом формования из расплава в полиэфирные волокна, обладающие такими преимуществами, как высокая прочность, износостойкость, несминаемость и лёгкость стирки. ПЭТ-волокно широко используется в производстве одежды, домашнего текстиля и промышленного текстиля (например, геотекстиля и фильтровальной ткани). Регулируя процесс формования, можно получать полиэфирные волокна с различными свойствами, например, высокопрочные и малорастяжимые волокна для промышленного использования, а также сверхтонкие волокна для высококачественных тканей.

Инженерный ПЭТ – это высокопрочный ПЭТ, получаемый путём армирования, закалки и других видов модификации. Он в основном используется для замены металлов и других конструкционных пластиков при производстве конструкционных элементов. Добавление армирующих материалов, таких как стекловолокно и углеродное волокно, позволяет значительно повысить прочность, жёсткость и термостойкость ПЭТ. Прочность на разрыв армированного стекловолокном ПЭТ может достигать более 150 МПа, а температура термической деформации – более 200 ℃. Он подходит для изготовления автомобильных деталей (например, дверных ручек, приборных панелей), корпусов электронных и электрических приборов, механических деталей и т. д. Ударопрочность инженерного ПЭТ также может быть улучшена добавлением упрочняющих добавок (например, эластомеров) или антипиренов для соответствия требованиям пожарной безопасности.

4. Разнообразные области применения ПЭТ

ПЭТ, благодаря своим превосходным комплексным характеристикам и разнообразным методам обработки, нашел широкое применение в различных областях, таких как упаковка, текстильная промышленность, электроника, автомобилестроение и строительство, став незаменимым материалом в современной промышленности и повседневной жизни.

Область упаковки является одной из наиболее широко используемых областей для ПЭТ, при этом преобладает ПЭТ бутылочного класса. В упаковке напитков ПЭТ-бутылки стали предпочтительной упаковочной тарой для минеральной воды, газированных напитков, фруктовых соков, чайных напитков и т. д. благодаря своей прозрачности, малому весу, ударопрочности и хорошим барьерным свойствам. Ежегодно во всем мире производится более 500 миллиардов ПЭТ-бутылок. ПЭТ-бутылки постоянно сокращают потребление материала за счет легкого дизайна, а также обладают хорошей перерабатываемостью, способствуя развитию круговой экономики. В упаковке пищевых продуктов пленка БОПЕТ используется для изготовления пакетов для приготовления пищи и вакуумных упаковочных пленок, которые могут выдерживать высокотемпературную стерилизацию при 121 ℃ и продлевают срок годности продуктов питания; листы ПЭТ термоформуются в вакуумформованные коробки для упаковки мяса, фруктов, выпечки и т. д., которые обладают как прозрачностью, так и защитой.

В текстильной промышленности полиэфирные волокна, изготовленные из ПЭТ-волокна, являются наиболее распространённым видом синтетических волокон, составляя более 60% мирового производства волокон. Полиэфирные нити используются для производства тканей для одежды, таких как рубашки, платья и спортивная одежда, и обладают жёсткостью и простотой в уходе. Смешивание полиэфирных штапельных волокон с натуральными волокнами, такими как хлопок и шерсть, повышает износостойкость и формоустойчивость ткани. Промышленные полиэфирные волокна используются для производства геотекстиля (для укрепления грунта), фильтрующих материалов (например, воздушных фильтров), ремней безопасности, палаток и т. д. Их высокая прочность и атмосферостойкость отвечают требованиям промышленности.

В сфере электронных приборов ПЭТ-пленка играет важную роль. Благодаря своим превосходным изоляционным свойствам и термостойкости, БОПЭТ-пленка используется для изготовления конденсаторных пленок, изоляционных пленок для двигателей, гибких подложек для печатных плат и т. д.; листы ПЭТ используются для печати и штамповки декоративных панелей, табличек и других электронных устройств. После модификации ПЭТ инженерного класса используется для изготовления таких компонентов, как разъемы, корпуса переключателей, кронштейны дисплеев и т. д., обладающих как изоляционными свойствами, так и механической прочностью.

В автомобильной промышленности инженерный ПЭТ армируется и модифицируется для производства деталей интерьера автомобилей (например, приборных панелей и дверных панелей), наружных деталей (например, корпусов зеркал заднего вида) и функциональных компонентов (например, решёток радиатора). Его лёгкий вес позволяет снизить расход топлива, а химическая и атмосферная стойкость отвечает долгосрочным требованиям автомобильной промышленности. ПЭТ также используется для изоляции автомобильных жгутов проводов, обивки сидений (полиэстеровых тканей) и т. д., что ещё больше расширяет его применение в автомобильной промышленности.

В области архитектуры ПЭТ-материал используется для производства теплоизоляционных материалов (таких как ПЭТ-вата), гидроизоляционных мембран, декоративных пленок и т. д. ПЭТ-вата отличается малым весом, огнестойкостью и хорошими изоляционными свойствами, подходит для утепления наружных стен зданий; ПЭТ-гидроизоляционная мембрана устойчива к старению и проколам, используется для гидроизоляции крыш и подвалов; декоративная ПЭТ-пленка наносится на поверхность плиты для улучшения ее эстетичности и износостойкости.

Кроме того, ПЭТ используется в медицинской сфере для изготовления флаконов для инфузий, корпусов шприцев и т. д. Его химическая стабильность и гигиеничность соответствуют медицинским стандартам; в области 3D-печати ПЭТ-проволока используется в технологии ФДМ-печати для производства высокопрочных моделей и деталей.

5. Охрана окружающей среды и тенденции развития ПЭТ

В связи с растущим во всем мире пониманием важности защиты окружающей среды, экологичность и устойчивое развитие ПЭТ стали ключевыми приоритетами отрасли. Технологии переработки и экологичного производства продолжают развиваться, способствуя трансформации ПЭТ-индустрии в циклическую экономику.

Экологическое преимущество ПЭТ заключается в его хорошей перерабатываемости и высокой ценности переработки. Отходы ПЭТ (такие как ПЭТ-бутылки, пленки, волокна) могут быть переработаны двумя способами: физической переработкой и химической переработкой. Физическая переработка — это процесс сортировки, очистки, дробления и плавления отходов ПЭТ в переработанные ПЭТ-слои. Переработанный ПЭТ может быть использован для производства бутылок, пленок, волокон и других продуктов. Например, переработанные ПЭТ-бутылки используются для непищевой упаковки, а переработанные волокна — для производства ковров и тканей для одежды (например, переработанных полиэфирных тканей). Химическая переработка разлагает ПЭТ на мономеры родительско-учительская ассоциация и НАПРИМЕР посредством гидролиза, алкоголиза и других технологий, и использует их в качестве сырья для производства нового ПЭТ, достигая замкнутого цикла. Химическая переработка позволяет перерабатывать сложные и загрязненные отходы ПЭТ, а характеристики переработанного сырья близки к характеристикам сырья, которое может использоваться в области контакта с пищевыми продуктами.

В настоящее время основной проблемой переработки ПЭТ является несовершенство системы переработки. Мировой уровень переработки ПЭТ-бутылок составляет около 50%, а в некоторых регионах он низкий из-за недостаточной осведомлённости о секретной переработке и высокой стоимости переработки. В то же время, стабильность эксплуатационных характеристик и гигиеничность переработанного ПЭТ должны строго контролироваться, чтобы избежать попадания примесей, влияющих на качество продукции.

В будущем развитие ПЭТ будет развиваться в направлении повышения производительности, экологичности и функциональности. В области высоких эксплуатационных характеристик технологии молекулярного дизайна и модификации используются для повышения термостойкости, ударопрочности и барьерных свойств ПЭТ. Например, разрабатывается термостойкий ПЭТ для горячего розлива и машиностроения, а также высокобарьерный ПЭТ для упаковки продукции с высокой добавленной стоимостью.

С точки зрения экологичности ускоряются научные исследования и разработки в области ПЭТ на биологической основе с целью достижения 100% производства биосырья и сокращения выбросов углекислого газа; в то же время оптимизируются технологии переработки, повышается чистота и эффективность физической переработки, расширяются промышленные масштабы химической переработки и создается система полного цикла производства-потребления-переработки-регенерации.

В области функционализации необходимо разработать ПЭТ-материалы со специальными функциями, например, антибактериальный ПЭТ для упаковки пищевых продуктов, огнестойкий ПЭТ для электроники и строительства, а также интеллектуальный ПЭТ (например, с термочувствительным изменением цвета и контролируемым разложением) для высококачественной упаковки и медицинской промышленности. Кроме того, композитная технология ПЭТ с другими материалами (например, композиты ПЭТ/графен) позволит расширить границы его эксплуатационных характеристик и удовлетворить потребности развивающихся отраслей.

ПЭТ, как высокоэффективный полимерный материал, отражает тесную интеграцию материаловедения и промышленного спроса в процессе его разработки. От повседневной упаковки до высокотехнологичных промышленных применений, ПЭТ поддерживает функционирование современного общества благодаря своим уникальным преимуществам. Благодаря развитию технологий защиты окружающей среды и продвижению циклической экономики, ПЭТ обеспечит устойчивое развитие, сохраняя при этом свою практичность, способствуя построению экологичного и низкоуглеродного общества.