تحليل كامل لمواد البولي إيثيلين تيرفثالات

عندما تلتقط زجاجة مياه معدنية من أحد أرفف السوبر ماركت، قد لا تدرك أن خلف هذه الزجاجة الشفافة الخفيفة تكمن ثورة في علم المواد. البولي إيثيلين تيريفثاليت، أحد أهم مواد البوليمر في الصناعة الحديثة، تغلغل بهدوء في كل جانب من جوانب الحياة البشرية.

من الأفلام الشفافة التي تغلف المواد الغذائية إلى الطبقات العازلة التي تحمي المكونات الإلكترونية، ومن ألياف النسيج إلى قطع غيار السيارات، تعيد هذه المادة متعددة الاستخدامات تشكيل عالمنا المادي بوتيرة مذهلة. مع قدرة إنتاج عالمية سنوية تتجاوز 110 مليون طن، فإن PET ليس فقط قوة رئيسية في صناعة التعبئة والتغليف ولكن أيضًا مادة أساسية لا غنى عنها في مجالات التكنولوجيا المتقدمة.

معلومات أساسية عن مواد PET

يتكون PET، وهو الاسم الكيميائي للبولي إيثيلين تيريفثاليت، من حمض تيريفثاليك وجلايكول الإيثيلين، الذي يتم تشكيله من خلال تفاعل الأسترة والتكثيف المتعدد لتشكيل سلاسل بوليمر خطية منتظمة. يضفي هذا الهيكل الجزيئي المتماثل للغاية تبلورًا ممتازًا، مما يسمح له بتكوين مناطق بلورية كثيفة في ظل ظروف معالجة مناسبة، مما يؤدي إلى خصائص فيزيائية استثنائية. يتم إنتاج PET الصناعي في المقام الأول من خلال طريقتين للعمليتين: أسترة ثنائي ميثيل تيريفثاليت مع جلايكول الإثيلين، والأسترة المباشرة لحمض تيريفثاليك المنقى مع جلايكول الإيثيلين. يتطلب كلاهما خطوات تكثيف متعددة لإنتاج بوليمر بوزن جزيئي يتراوح من 20.000 إلى 30.000 جم/مول.

PET عبارة عن بوليمر أبيض حليبي أو أصفر فاتح، بلوري للغاية مع سطح أملس وبريق يشبه الزجاج. بناءً على طرق التعديل والتطبيقات، يمكن تقسيم مواد PET إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

• APET: مادة غير متبلورة وشفافة تستخدم في المقام الأول لحاويات تغليف المواد الغذائية
• RPET: PET المعاد تدويره، ويتم معالجته من خلال نظام إعادة التدوير ويوفر صداقة بيئية استثنائية
• PETG: يشتمل PET على مونومر سيكلوهكسان ديميثانول لتحسين شفافية المعالجة ومتانتها

أصبحت راتنجات PET واحدة من أكثر المواد البلاستيكية الهندسية استخدامًا في العالم. توسعت تطبيقاتها من تطبيقات الألياف الاصطناعية الأولية لتشمل التعبئة والتغليف والإلكترونيات والنقل والقطاعات الرئيسية الأخرى. ومن المتوقع أن تتجاوز الطاقة الإنتاجية العالمية 110 ملايين طن بحلول عام 2025.

الخصائص الأساسية لمواد PET

تنبع شعبية PET في الصناعة من مزيجها المتوازن بشكل استثنائي من الخصائص. من حيث الخصائص الفيزيائية والميكانيكية، يتميز PET بصلابة عالية وصلابة عالية واستقرار ممتاز للأبعاد. يمكن أن تصل قوة الانثناء إلى 148-310 ميجاباسكال، وتصل صلابة روكويل إلى M90-95، مما يدل على أعلى صلابة بين اللدائن الحرارية.

الخصائص الفيزيائية

الجدول 1: الخصائص الفيزيائية الرئيسية للحيوانات الأليفة

الخصائص الحرارية
يمكن أن يتحمل PET الاستخدام طويل الأمد عند درجات حرارة تصل إلى 120 درجة مئوية. يمكن للإصدارات المقواة أن تتحمل الغمر في حمام لحام بدرجة حرارة 250 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ دون تشوه. تمنحها مقاومة الحرارة هذه ميزة لا يمكن الاستغناء عنها في مجال لحام الإلكترونيات. كما أن خصائص العزل الكهربائي ممتازة أيضًا، وتبقى مستقرة حتى في البيئات ذات درجات الحرارة العالية والترددات العالية. ومع ذلك، فإن مقاومته للكورونا محدودة نسبيًا.

الاستقرار الكيميائي
يتميز PET بمقاومة ممتازة للعوامل الجوية والكيميائية، مع مقاومة جيدة للأحماض الضعيفة والمذيبات العضوية. ومع ذلك، فهو عرضة للتآكل بسبب القواعد القوية، كما أن الغمر لفترة طويلة في الماء الساخن يمكن أن يؤدي أيضًا إلى تدهور الأداء.

فيلم PET - فيلم بوليستر ذو محورين

من بين العديد من أشكال PET، يحتل فيلم البوليستر ثنائي المحور مكانًا خاصًا. يتم إنتاج هذا الفيلم من خلال عملية تمديد دقيقة، ويبلغ سمكه عادةً حوالي 0.012 مم، ويمتلك قوة بدنية ملحوظة.

تصنيف عملية الإنتاج

• الأفلام الموجهة ثنائية المحور: الأفلام عالية الأداء المصنوعة من مواد "لامعة" عالية النقاء وممتدة في الاتجاهين الطولي والعرضي، تهيمن على السوق.
• فيلم ذو اتجاه أحادي المحور: يتم تمديد المواد شبه اللامعة المضاف إليها ثاني أكسيد التيتانيوم في الاتجاه الطولي فقط. فهي ذات جودة أقل وفعالة من حيث التكلفة، وتستخدم في المقام الأول لتغليف الأدوية.

ينبع الأداء الاستثنائي لفيلم BOPET من عملية التصنيع الفريدة الخاصة به. يتم بثق الفيلم أولاً إلى لوح سميك غير متبلور عند درجة حرارة 280 درجة مئوية. بعد التبريد، يدخل في مرحلة التمدد: التمدد حوالي 3 مرات في الاتجاه الطولي عند 86-87 درجة مئوية و2.5-4 مرات في الاتجاه العرضي عند 100-120 درجة مئوية. أخيرًا، يتم ضبطه على درجة حرارة 230-240 درجة مئوية. تؤدي هذه العملية إلى درجة عالية من توجيه السلسلة الجزيئية، مما يضفي على الفيلم صلابة استثنائية: قوة شد مماثلة للمعادن، إلى جانب مقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة الطي، ومقاومة التمزق. يتميز بالحد الأدنى من الانكماش الحراري، ونفاذية الضوء> 90%، وسطح يشبه المرآة.

الجدول 2: تصنيف أفلام PET وتطبيقها حسب التطبيق

تطبيقات المواد PET

إن اتساع نطاق تطبيقات PET مثير للدهشة، حيث يغطي تقريبًا كل المجالات الرئيسية للصناعة الحديثة.

• صناعة التعبئة والتغليف: يتم استخدام 70% من إنتاج PET العالمي للتغليف. تعتبر زجاجات المشروبات الغازية والمياه المعدنية من أكبر تطبيقاتها، مع توسيع التطبيقات لتشمل زجاجات زيت الطعام، وزجاجات البهارات، وزجاجات الأدوية. تزن الزجاجة سعة 500 مل حوالي 18 جرامًا فقط، وهي أخف بنسبة 80% من الزجاجة، ومع ذلك يمكنها تحمل الضغوط الداخلية التي تصل إلى 150 رطل لكل بوصة مربعة. تستخدم أفلام تغليف المواد الغذائية حاجز الأكسجين العالي وخصائص العرض الشفافة.
• في قطاعي الإلكترونيات والكهرباء: يتم استخدام عزل PET الممتاز ومقاومته للحرارة لتصنيع العديد من الأفلام العازلة وعوازل المكثفات ولوحات الدوائر المرنة. يمكن التحكم بدقة في الأفلام الكهربائية بسماكة تتراوح بين 3.5 و125 ميكرومتر، مع جهد انهيار يتجاوز 5 كيلو فولت. يتم استخدام PET المقوى لتصنيع المكونات الإلكترونية المقاومة لدرجات الحرارة العالية مثل الموصلات وبكرات المحولات.
• في صناعة النسيج: تمثل ألياف PET أكثر من 50% من إنتاج الألياف الاصطناعية العالمي، وقد أحدثت قوتها العالية ومقاومتها للتجاعيد تحولاً في صناعة النسيج.
• في صناعة السيارات: يتم استخدام مادة PET المقواة لإنتاج مكونات مثل حاملات المصابيح، وأغطية لوحات المفاتيح، والصمامات، لتحل محل المعدن لتخفيف الوزن.
• في التطبيقات المتخصصة: يتم استخدام طبقة الحماية PET عالية اللزوجة لحماية أسطح لوحات LCD وشاشات اللمس، مما يوفر مقاومة ممتازة للخدش بسمك يتراوح بين 0.05-0.1 مم فقط. كما يتم استخدام ثبات الأبعاد والشفافية في ركائز الأفلام الحساسة للضوء. تُستخدم أفلام الألمنيوم المطلية بالفراغ لأغراض الديكور وفي تصنيع المكثفات.

تُظهر المواد البلاستيكية الهندسية الخاصة بالـ PET انتشارًا واسع النطاق في العديد من الصناعات: الإلكترونيات والكهرباء 26%، والسيارات 22%، والآلات 19%، والضروريات اليومية 10%. على الرغم من أن اللدائن الهندسية لا تمثل سوى 1.6% من إجمالي سوق PET، إلا أنها تمتلك أعلى محتوى تكنولوجي وقيمة مضافة.

عملية إنتاج PET

إن تصنيع منتجات PET عبارة عن عملية ميكانيكية حرارية دقيقة تتطلب تحكمًا صارمًا للغاية في درجة الحرارة.

صب الحقن
تستخدم لمنتجات مثل قوالب الزجاجة والمكونات الإلكترونية. يتم التحكم في درجة حرارة البرميل على مراحل: القسم الخلفي (250-270 درجة مئوية)، القسم الأوسط (265-275 درجة مئوية)، القسم الأمامي (270-275 درجة مئوية)، والفوهة (280-295 درجة مئوية). يتم الحفاظ على درجة حرارة القالب بين 30-85 درجة مئوية، مع ضغط خلفي يبلغ 5-15 كجم/سم². يجب تجفيف المادة الخام مسبقًا عند درجة حرارة 120-140 درجة مئوية لمدة 2-5 ساعات لمنع تكسر السلسلة الجزيئية الناتج عن التحلل المائي.

عملية الفيلم ذات المحورين

• التجفيف المسبق وقذف الذوبان: بعد إزالة الرطوبة، يتم بثق الفيلم المقطع إلى صفائح سميكة عند 280 درجة مئوية.
• التبريد السريع: يحافظ التبريد السريع عبر أسطوانة التبريد أو سائل التبريد على الحالة غير المتبلورة.
• التمدد ذو المحورين: التمدد الطولي (86-87 درجة مئوية، نسبة التمدد ≈ 3x) → التمدد العرضي (100-120 درجة مئوية، نسبة التمدد 2.5-4.0x).
• إعداد الحرارة: تخفيف الضغوط الداخلية عند 230-240 درجة مئوية لتحسين استقرار الأبعاد.

صب النفخ
تستخدم أساسا لإنتاج الزجاجات المجوفة. تتم إعادة تسخين القالب إلى درجة أعلى من درجة حرارة التزجج، ثم يتم نفخه لتشكيله باستخدام غاز عالي الضغط. تتطلب هذه العملية التحكم الدقيق في توزيع درجة الحرارة وضغط النفخ لضمان سماكة جدار الزجاجة بشكل موحد.

البثق
تنتج ملفات تعريف مستمرة مثل الألواح والأنابيب. يتم بثق الصفائح السميكة من خلال قالب على شكل حرف T للتشكيل الحراري اللاحق، أو يتم بثقها مباشرة في الصفائح للتغليف. نطاق التحكم في درجة الحرارة يشبه نطاق القولبة بالحقن، لكن طرق التبريد أكثر تنوعًا.

تقنيات المعالجة الثانوية
بما في ذلك الطلاء، والتعدين الفراغي، والطباعة، واللحام، مما يزيد من توسيع حدود تطبيق PET.

تحديات الاستدامة والمستقبل

تعتبر البصمة البيئية لمواد PET مصدر قلق متزايد. يعتمد PET التقليدي على المواد الأولية المشتقة من النفط ويستغرق أكثر من 400 عام ليتحلل بشكل طبيعي. في حين أن معدل إعادة تدوير زجاجات PET على مستوى العالم يبلغ حوالي 58%، إلا أن كمية كبيرة من النفايات لا تزال تدخل إلى البيئة.

الابتكار التكنولوجي يقود التحول الأخضر

• تتضمن إعادة التدوير الميكانيكية تمزيق وتنظيف زجاجات PET المستخدمة، ثم صهرها وتكويرها لاستخدامها في التعبئة والتغليف المصنوعة من الألياف أو المواد غير الغذائية.
• تعمل عملية إزالة البلمرة الكيميائية على تقليل PET إلى مونومراته، والتي يتم بعد ذلك إعادة بلمرتها لإنتاج rPET الصالح للطعام.
• يستخدم PET ذو الأساس الحيوي مواد خام الكتلة الحيوية لتحل محل البترول. على سبيل المثال، تستخدم زجاجة PlantBottle الخاصة بشركة Coca-Cola إيثانول قصب السكر لإنتاج جلايكول الإيثيلين، مما يقلل من انبعاثات الكربون بنسبة 30%.

في طليعة الأداء المادي
يضفي PET المعدل بالنانو، عن طريق إضافة جزيئات غير عضوية تتراوح من 1 إلى 100 نانومتر، وظائف جديدة مثل خصائص مضادة للميكروبات وعالية الحاجز مع الحفاظ على شفافية عالية. يتم تعزيز البوليسترات المشتركة القابلة للتحلل من خلال التصميم الجزيئي لتحسين الصداقة البيئية. يتم مضاعفة السبائك عالية الأداء بمواد مثل PC وPA لدفع حدود أداء المواد المفردة.

ومع ارتفاع الطلب على مادة rPET الصالحة للطعام، يتسارع تسويق تقنيات إعادة التدوير المتقدمة "من الزجاجة إلى الزجاجة". ومن المتوقع أن يصل حجم سوق الحيوانات الأليفة العالمية إلى 62 مليار دولار بحلول عام 2030، حيث أن أسعار الحيوانات الأليفة الصالحة للطعام أعلى بنسبة 50% من أسعارها البكر.

من زجاجات المشروبات خفيفة الوزن والمتينة إلى أغشية المكثفات ذات الحجم الميكروني، ومن الملابس اليومية إلى المكونات المقاومة للحرارة في حجرات محرك السيارة، أصبحت مادة PET، وهي مادة متعددة الاستخدامات، مدمجة بعمق في الحياة العصرية. إنها تحقق توازنًا معقدًا بين الأداء والتكلفة، والشفافية والقوة، والصلابة والمتانة، مما يجعلها الدعامة الأساسية في ثورة التعبئة والتغليف.

ومع التقدم الكبير في تكنولوجيا إعادة التدوير والابتكارات في المواد الحيوية، يستكشف هذا البوليمر المولد في المختبر إمكانيات جديدة للتنمية المستدامة. قصتها لم تنته بعد - على مدى العقد المقبل، سوف تستمر تكنولوجيا PET في إعادة تعريف حدود الصناعة والحياة، مع التركيز على كل من الصداقة البيئية والأداء العالي.