Что такое полиэтилентерефталат (ПЭТ)?

Полиэтилентерефталат (полиэтиленгликольтерефталат, ПЭТФ) — линейный термопластичный полиэфир. Альтернативные названия: термопластик, лавсан, дакрон, майлар. Изделия обозначаются аббревиатурами PET (международное сокращение), ПЭТ (в русскоязычном пространстве).

Термопластик применяется во многих сферах: машиностроении, производстве медицинских изделий, тканей для одежды. Из этого сырья изготавливается удобная и практичная пластиковая упаковка, пленка, синтетические волокна. Широко применяется ПЭТ-тара: банки, кеги, бутылки различного объема.

Производство ПЭТ (полиэтилентерефталата)

Основные исходные материалы для производства ПЭТ — это терефталевая кислота (ТФК) или её диметиловый эфир (диметилтерефталат, ДМТ) и этиленгликоль. Эти компоненты выбираются за их высокую химическую чистоту, что является залогом получения качественного конечного продукта.

Этапы производства ПЭТ:

1. Реакция поликонденсации

Первый этап производства ПЭТ основан на химической реакции поликонденсации, в ходе которой образуются полиэфирные цепи:

• Эстерификация (для ТФК): ТФК взаимодействует с этиленгликолем при повышенной температуре (220–260 °C). В результате этой реакции образуются мономеры и вода как побочный продукт. Воду удаляют из реакционной смеси, чтобы избежать обратной реакции.
• Трансэтерификация (для ДМТ): Если в качестве сырья используется ДМТ, реакция проходит с образованием мономеров и метанола как побочного продукта. Метанол также удаляется для повышения эффективности процесса.

2. Поликонденсация мономеров

На следующем этапе мономеры подвергаются реакции поликонденсации. Процесс проходит при вакууме или низком давлении и высокой температуре (260–300 °C). Поликонденсация приводит к образованию длинных молекулярных цепей ПЭТ и выделению этиленгликоля. Для получения высокомолекулярного ПЭТ, пригодного для литья или выдува, требуется тщательно контролировать параметры процесса.

3. Охлаждение и гранулирование

Полученный расплав ПЭТ пропускают через фильеры, образуя тонкие нити, которые охлаждаются водой и нарезаются на гранулы. Эти гранулы впоследствии служат сырьём для дальнейшего производства пластиковых изделий.

4. Термическая обработка (кристаллизация)

Для придания ПЭТ необходимой термостойкости и механической прочности гранулы могут подвергаться дополнительной термической обработке (кристаллизации). Это позволяет избежать слипания частиц при хранении и транспортировке.

Агрегатных состояниях ПЭТ

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) способен существовать в разных агрегатных состояниях в зависимости от температуры, давления и структурной организации материала. Каждое состояние имеет уникальные свойства, которые определяют его применение в промышленности и повседневной жизни.

Физические свойства ПЭТ

1. Твёрдое состояние

В твёрдом состоянии ПЭТ может быть аморфным или кристаллическим. Различие между этими структурами связано с молекулярным расположением цепей и уровнем их упорядоченности.

• Аморфное твёрдое состояние: В аморфном состоянии молекулы ПЭТ расположены хаотично, без чёткой регулярной структуры. Оно отличается прозрачностью, относительно низкой прочностью и термостойкостью, относительной гибкостью. Находит применение в области упаковки для пищевых продуктов.
• Кристаллическое твёрдое состояние: В кристаллическом состоянии молекулы ПЭТ упорядочены, образуя регулярную решётку. Это состояние достигается при термической обработке. Оно отличается повышенной жёсткостью и прочностью, непрозрачностью (матовый или белый цвет), увеличенной термостойностью. Применяется для изготовления волокон для текстиля, компонентов для автомобильной и электротехнической промышленности.

  2. Жидкое состояние

  При температурах выше температуры плавления (~250–260 °C) ПЭТ переходит в жидкое состояние. Это вязкий расплав, который используется в процессе формирования изделий путем литья под давлением, экструзии, выдувного формование для создания бутылок, плёнок и других изделий.

  3. Газообразное состояние

  Теоретически ПЭТ может перейти в газообразное состояние при экстремально высоких температурах, превышающих температуру термического разложения (~400 °C). Однако в реальных условиях этот переход сопровождается разрушением молекулярных цепей, что делает материал непригодным для дальнейшего использования. В промышленности это состояние не используется.

  4. Переходное состояние: стеклообразное

  Между твёрдым и жидким состояниями ПЭТ проходит через стеклообразное состояние, при котором материал становится мягким, но не полностью расплавляется. Это происходит при температуре стеклования (около 70–80 °C). ПЭТ в этом состоянии отличается пластичностью и спосбен принимать новые формы при приложении давления.

  5. Агрегатные состояния в зависимости от кристалличности

  ПЭТ может быть одновременно в аморфном и кристаллическом состоянии. Пропорция этих структур влияет на свойства материала:

  • При низкой кристалличности ПЭТ остаётся прозрачным и гибким.
  • При высокой кристалличности он становится жёстким и непрозрачным.

  Физические свойства полиэтилентерефталата (ПЭТ)

  Полиэтилентерефталат (ПЭТ) обладает уникальным набором физических свойств, благодаря которым он стал одним из наиболее востребованных пластиков в промышленности. Эти свойства определяются его химической структурой и степенью кристалличности материала.

  • Плотность: ПЭТ варьируется в зависимости от его структуры. У аморфного материала она составляет ~1,33 г/см³, у кристалического - ~1,45 г/см³. Эта разница обусловлена более плотной упаковкой молекул в кристаллическом состоянии.
  • Прочность: ПЭТ обладает высокой прочностью на разрыв, что делает его устойчивым к механическим нагрузкам. Он способен выдерживать значительные внутренние давления, например, в бутылках для газированных напитков.
  • Эластичность: Умеренная гибкость и способность к деформации без разрушения позволяют использовать ПЭТ для формования сложных изделий.
  • Устойчивость к истиранию: Материал сохраняет свою структуру даже при длительном механическом воздействии.
  • Температура плавления: Температура плавления кристаллического ПЭТ составляет около 250–260 °C.
  • Теплостойкость: ПЭТ сохраняет свои свойства при температурах до 120 °C в кристаллическом состоянии и до 70 °C в аморфном.
  • Коэффициент теплового расширения: У аморфного ПЭТ этот показатель выше, чем у кристаллического, что делает последний более устойчивым к изменениям температуры.
  • Водостойкость: ПЭТ обладает низким водопоглощением (около 0,3%), что делает его устойчивым к воздействию влаги.
  • Электрические свойства: ПЭТ характеризуется отличной диэлектрической прочностью, что позволяет использовать его в электроизоляционных применениях.
  • Преломление света: ПЭТ обладает высоким коэффициентом преломления, что делает его подходящим для оптических применений.
  • Газонепроницаемость: ПЭТ эффективно блокирует проникновение кислорода и углекислого газа, что делает его идеальным для хранения пищевых продуктов и напитков.
  • Устойчивость к старению: ПЭТ обладает отличной стабильностью при длительном воздействии ультрафиолетового излучения и сохраняет свои свойства при продолжительной эксплуатации.

  Химические свойства полиэтилентерефталата (ПЭТ)

  Полиэтилентерефталат (ПЭТ) обладает устойчивыми химическими свойствами, которые делают его одним из наиболее востребованных полимеров в промышленности. Его химическая структура, основанная на полиэфирных связях, определяет как стабильность, так и реакции с различными веществами.

  • Кислоты и щёлочи: ПЭТ устойчив к воздействию слабых кислот и щелочей при комнатной температуре.
  При воздействии сильных щелочей (например, растворов NaOH) или кислот (например, концентрированной HCl) при высоких температурах может происходить гидролиз сложных эфиров.
  • Слабые органические растворители (этанол, ацетон): ПЭТ практически не растворим.
  • Полярные органические растворители (хлороформ, фенол): Могут частично растворять ПЭТ при нагреве.
  • Нефтепродукты: Устойчив к бензину, керосину и другим нефтяным растворителям.
  • Реакции гидролиза: При воздействии воды и высоких температур (выше 150–200 °C) полиэфирные связи в ПЭТ могут разрушаться, что приводит к распаду материала. Этот процесс называется гидролизом. Гидролиз может быть проблемой при переработке или использовании ПЭТ в условиях повышенной влажности и температуры.
  • Термостойкость и термоокислительная устойчивость: ПЭТ сохраняет стабильность при нагревании до 200–250 °C. При более высоких температурах в присутствии кислорода происходит термоокислительное разложение, сопровождающееся изменением цвета (пожелтение) и выделением углекислого газа и угарного газа.
  • Взаимодействие с УФ-излучением: ПЭТ подвержен воздействию ультрафиолетового излучения, что может вызывать фотоокислительное разрушение, проявляющееся в виде понижения механической прочности и изменения цвета (помутнение или пожелтение). Для предотвращения таких эффектов в материал добавляют стабилизаторы.
  • Барьерные свойства: ПЭТ химически инертен по отношению к газам, что обеспечивает его низкую проницаемость для кислорода, углекислого газа и водяного пара, а также высокую химическую стабильность при контакте с продуктами питания и напитками.
  • Химическая инертность: ПЭТ химически инертен к большинству веществ при обычных условиях, что делает его безопасным для использования в упаковке пищевых продуктов и лекарств.
  • Стабильность в агрессивных средах: ПЭТ устойчив к действию многих масел и жиров. Хорошо сохраняет свои свойства при контакте с различными химическими реагентами, включая спирты и гликоли.
  • Реакции поликонденсации и модификации: ПЭТ активно используется как базовый полимер для модификации. Добавление функциональных групп или других мономеров позволяет получать материалы с улучшенными химическими свойствами, например, повышенной устойчивостью к гидролизу.

Переработка ПЭТ-упаковки

Особенность изделий из ПЭТ — возможность полной переработки и вторичного использования. Получаемый материал также применяется для производства пластиковых бутылок и другой продукции.

С этой целью используется технология «бутылка в бутылку». Она состоит из нескольких стадий: сбор вторсырья, сортировка его по цвету (прозрачный, зеленый, коричневый и др.), очистка от загрязнений, дробление, расплав до однородной массы. В результате получают гранулы для производства новой тары и другой продукции.

Из вторсырья изготавливается флекс для упаковочной пленки, тротуарной плитки, черепицы, щетины автомоек, уборочной техники. Также из переработанного ПЭТ получают пеллеты, а из них — геосетки для строительства дорог, наполнитель для спальных мешков.

Вторичная переработка полиэфира позволяет экономить 50–60% энергии по сравнению с использованием нового материала.