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.

Виды пластмасс

Пластик окружает нас везде. Из него сделаны игрушки, посуда, инструменты, детали интерьера, предметы быта. Как понять, какой именно вид пластмассы перед вами? Взгляните на маркировку,

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.