تحليل كامل لمواد البولي إيثيلين تيرفثالات

عندما تأخذ زجاجة ماء معدني من رف السوبر ماركت، قد لا تدرك أن وراء هذه الزجاجة الخفيفة الشفافة تكمن ثورة في علم المواد.البولي إيثيلين تيريفثالات، واحدة من أهم المواد البوليمرية في الصناعة الحديثة،

من الأفلام الشفافة للفرائط الغذائية إلى الطبقات العازلة لحماية المكونات الإلكترونية، من الألياف النسيجية إلى قطع السيارات،هذه المادة متعددة الاستخدامات هي إعادة تشكيل عالمنا المادي بسرعة مذهلةمع القدرة الإنتاجية العالمية السنوية التي تتجاوز 110 مليون طن، بي تي ليس فقط قوة رئيسية في صناعة التعبئة والتغليف ولكن أيضا مادة أساسية لا غنى عنها في مجالات التكنولوجيا العالية.

مواد بي تي المعلومات الأساسية

الـ PET، الاسم الكيميائي لـ polyethylene terephthalate، يتكون من حمض terephthalic و ethylene glycol،تتشكل من خلال تفاعل الإستيرة والتكثيف لتشكيل سلاسل البوليمر الخطية العاديةهذا الهيكل الجزيئي المتناظر للغاية يمنح التبلور الممتاز ، مما يسمح له بتشكيل مناطق بلورية كثيفة في ظل ظروف المعالجة المناسبة ،مما يؤدي إلى خصائص مادية استثنائيةيتم إنتاج PET الصناعي بشكل أساسي من خلال طريقتين للعملية: ترانسيستراتية ديميثيل تيريفثلات مع إيثيلين غليكول ،والإستيرة المباشرة لحمض التريفثاليك النقي باستخدام إيثيلين غليكولكلاهما يتطلب خطوات متعددة من التكثيف لإنتاج بوليمر يبلغ وزنه الجزيئي من 20،000 إلى 30،000 غرام / مول.

الـ PET هو بوليمر أبيض اللبن أو أصفر فاتح ، بلورية عالية مع سطح ناعم وملمع شبيه بالزجاج.يمكن تقسيم مواد بي تي إلى ثلاثة أنواع رئيسية:

• APET: مادة غير شفافة شفافة تستخدم في المقام الأول في حاويات تعبئة الأغذية
• RPET: PET المعاد تدويره ، معالجة من خلال نظام إعادة التدوير وتقدم صداقة بيئية استثنائية
• PETG: يحتوي PET على كومونومر cyclohexanedimethanol لتحسين شفافية المعالجة وصلابة

أصبحت الراتنج PET واحدة من أكثر البلاستيكات الهندسية استخدامًا في العالم. وقد توسعت تطبيقاتها من تطبيقات الألياف الاصطناعية الأولية لتشمل التعبئة والتغليف والإلكترونياتالنقل، وغيرها من القطاعات الرئيسية. من المتوقع أن تتجاوز القدرة الإنتاجية العالمية 110 مليون طن بحلول عام 2025.

الخصائص الأساسية لمواد PET

شعبية بي تي إيه في الصناعة تنبع من مزيج متوازن استثنائي من الخصائص. من حيث الخصائص الفيزيائية والميكانيكية، يظهر بي تي إيه صلابة عالية، صلابة عالية،واستقرار الأبعاد الممتازةيمكن أن تصل قوة الضغط إلى 148-310 MPa ، وتصل صلابة روكويل إلى M90-95 ، مما يدل على أعلى صلابة بين البلاستيك الحراري.

(1)الخصائص الفيزيائية

الجدول 1: الخصائص الفيزيائية الرئيسية للبيت

(2)الخصائص الحرارية

يمكن أن يتحمل PET الاستخدام لفترة طويلة في درجات حرارة تصل إلى 120 درجة مئوية. يمكن أن تتحمل الإصدارات المقوية حتى الغمر في حمام لحام 250 درجة مئوية لمدة 10 ثوانٍ دون تشوه.هذه المقاومة الحرارية تعطي لها ميزة لا يمكن استبدالها في مجال لحام الإلكترونياتخصائص العزل الكهربائي ممتازة أيضًا ، حيث تظل مستقرة حتى في بيئات ذات درجات حرارة عالية ووترددات عالية. ومع ذلك ، فإن مقاومة الكورونا محدودة نسبيًا.

الاستقرار الكيميائي

يظهر بي تي إيه مقاومة ممتازة للظروف الجوية والكيميائية ، مع مقاومة جيدة للأحماض الضعيفة والمذيبات العضوية. ومع ذلك ، فإنه عرضة للتآكل من قبل القواعد القوية ،والغمور لفترة طويلة في الماء الساخن يمكن أن يؤدي أيضا إلى تدهور الأداء.

فيلم بي تي إيه (PET Film) فيلم بوليستر مُوجّه إلى المحور الثنائي

من بين أشكال PET العديدة ، تحتل فيلم البوليستر الموجه ثنائي المحور مكانًا خاصًا. تم إنتاجه من خلال عملية تمدد دقيقة ، هذا الفيلم ، الذي عادة ما يكون سميكًا حوالي 0.يمتلك قوة بدنية ملحوظة.

تصنيف عملية الإنتاج

• الفيلم الموجه نحو المحورين الثنائيين: تهيمن الأفلام عالية الأداء المصنوعة من مواد عالية الطهارة الملموسة الممتدة في الاتجاهين الطويل والعرضي على السوق.
• فيلم موجه أحادي المحور: يتم تمديد المواد شبه متطرفة مع إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم فقط في الاتجاه الطولي. فهي ذات جودة أقل وفعالة من حيث التكلفة ،تستخدم بشكل رئيسي في تعبئة الأدوية.

الأداء الاستثنائي لفيلم بوبيت ينبع من عملية التصنيع الفريدة منه. يتم في البداية طحن الفيلم إلى ورقة سميكة غير متبلورة في درجة حرارة 280 درجة مئوية. بعد التبريد ، يدخل مرحلة التمدد:يمتد حوالي 3 مرات في الاتجاه الطولي عند 86-87 درجة مئوية و 2.5-4 مرات في الاتجاه العرضي عند 100-120 درجة مئوية. وأخيرا، يتم تعيينها عند 230-240 درجة مئوية.هذه العملية تؤدي إلى درجة عالية من توجيه السلسلة الجزيئية، مما يمنح الفيلم صلابة استثنائية: قوة سحب مقارنة بالمعدن ، جنبا إلى جنب مع مقاومة ممتازة للكش ، مقاومة للطي ، ومقاومة للدموع.,تمرير ضوئي > 90% و سطح شبيه بالمرآة.

الجدول 2: تصنيف فيلم البيت والتطبيق حسب التطبيق

تطبيقات مواد بي تي

اتساع نطاق تطبيقات الـ (بي تي) مدهش، تغطي كل مجال رئيسي تقريباً في الصناعة الحديثة.

• صناعة التعبئة والتغليف: يتم استخدام 70٪ من إنتاج بي تي في العالم للتعبئة والتغليف. تعتبر زجاجات المشروبات الغازية والمياه المعدنية أكبر تطبيقاتها ، مع توسيع تطبيقاتها إلى زجاجات الزيت الصالح للأكل ،زجاجات التوابلزجاجة بي تي 500 مل تزن فقط حوالي 18 غراماً، 80% أخف من الزجاجة الزجاجية، ومع ذلك يمكنها تحمل الضغوط الداخلية تصل إلى 150 psi.أفلام تغليف الأغذية تستخدم حاجز الأكسجين العالي وخصائص العرض الشفافة.
• في القطاعات الإلكترونية والكهربائية: تستخدم PET ٪ العزل الممتاز ومقاومة الحرارة لتصنيع مختلف الأفلام العازلة والكهرباء المكثفة وألواح الدوائر المرنة.يمكن التحكم بدقة في الأفلام الكهربائية إلى سمك ما بين 3.5 و 125 ميكرو متراً، مع فولتاج انقطاع تتجاوز 5 كيلو فولت. يستخدم البتروبيتر المقوى لتصنيع المكونات الإلكترونية المقاومة لدرجات الحرارة العالية مثل الموصلات وملفات المحولات.
• في صناعة النسيج: تنتج ألياف بي.إيه.تي أكثر من 50٪ من الإنتاج العالمي للألياف الاصطناعية، وقد غيرت قوتها العالية ومقاومتها للتجاعيد صناعة النسيج.
• في صناعة السيارات: يستخدم PET المعزز لإنتاج مكونات مثل حاملات المصابيح ، وغطاء لوحة التحويل ، والصمامات ، ليحل محل المعدن للخفيفة.
• في التطبيقات الخاصة: يتم استخدام فيلم PET واقي عالي اللزوجة لحماية أسطح لوحات LCD وشاشات اللمس ، مما يوفر مقاومة ممتازة للخدش عند سمك 0.05-0.1 مم فقط.تستخدم استقرارها الأبعاد وشفافيتها أيضًا في الرواسب الفلمية الحساسة للضوء. تستخدم أفلام الألومنيوم المطلية بالفراغ لأغراض زخرفية وفي تصنيع المكثفات.

تظهر البلاستيكات الهندسية للبيت انتشارًا واسعًا في العديد من الصناعات: الإلكترونيات والكهرباء 26٪ ، السيارات 22٪ ، الآلات 19٪ ، والاحتياجات اليومية 10٪.على الرغم من أن البلاستيك الهندسي يمثل فقط 1.6٪ من إجمالي سوق بي تي، فهي تمتلك أعلى محتوى تكنولوجي وقيمة مضافة.

عملية إنتاج بي تي إي

تصنيع منتجات بي تي هي عملية حرارية دقيقة تتطلب تحكمًا صارمًا للغاية في درجة الحرارة.

(1) صب الحقن

تستخدم للمنتجات مثل أشكال الزجاجة المسبقة والمكونات الإلكترونية. يتم التحكم في درجة حرارة البرميل في 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 العفن بين 30-85 درجة مئوية، مع ضغط عكس من 5-15 كجم / سم 2.يجب تجفيف المواد الخام مسبقًا عند 120-140 درجة مئوية لمدة 2-5 ساعات لمنع كسر السلسلة الجزيئية الناجمة عن التحلل.

عملية الفيلم ذات التوجه الثنائي

• التجفيف المسبق والطحن: بعد إزالة الرطوبة ، يتم طحن الفيلم المقطوع إلى أوراق سميكة عند 280 درجة مئوية.
• التبريد السريع: التبريد السريع عن طريق طبل التبريد أو سائل التبريد يحافظ على الحالة غير الملموسة.
• التمدد الثنائي المحوري: 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.

(2) صب النفخ

تستخدم بشكل رئيسي لإنتاج الزجاجات المجوفة. يتم إعادة تسخين الشكل المسبق إلى ما هو أعلى من درجة حرارة انتقال الزجاج ثم تنفخ إلى شكل باستخدام غاز عالي الضغط.تتطلب هذه العملية التحكم الدقيق في توزيع درجة الحرارة وضغط الضغط لضمان سمك جدار الزجاجة المتساوي.

(3) الإخراج

تنتج ملفات تعريف مستمرة مثل الأوراق والأنابيب. يتم طحن الأوراق السميكة من خلال T-die للتشكيل الحراري اللاحق ، أو يتم طحنها مباشرة في ورقة للتعبئة.نطاق التحكم في درجة الحرارة مماثلة لتلك من صب الحقن، ولكن طرق التبريد أكثر تنوعا.

(4) تقنيات المعالجة الثانوية
بما في ذلك الطلاء، وتعديل الفراغ، والطباعة، واللحام، وتوسيع حدود تطبيق بي تي.

تحديات الاستدامة والمستقبل

إن البصمة البيئية لمواد بي تي هي مصدر قلق متزايد. تعتمد بي تي التقليدية على المواد الخام القائمة على البترول وتستغرق أكثر من 400 عام لتتدهور بشكل طبيعي.في حين أن معدل إعادة تدوير زجاجات البيت في العالم حوالي 58%، ما زالت كمية كبيرة من النفايات تدخل البيئة.

(1)الابتكار التكنولوجي يدفع إلى التحول الأخضر

• تتضمن إعادة التدوير الميكانيكية تقطيع وتنظيف زجاجات بي تي المستخدمة، ثم إذابتها وتحويلها إلى حبوب للاستخدام في الألياف أو التعبئة غير الغذائية.
• تخفيض البوليمرة الكيميائية يقلل من PET إلى مونومراته ، والتي يتم إعادة البوليمرات بعد ذلك لإنتاج rPET من الدرجة الغذائية.
• يستخدم PET على أساس بيولوجي مواد خام من الكتلة الحيوية لتحل محل البترول. على سبيل المثال ، تستخدم كوكا كولا PlantBottle إيثانول قصب السكر لإنتاج إيثيلين غليكول ، مما يقلل من انبعاثات الكربون بنسبة 30٪.

(2)في طليعة أداء المواد

يمنح PET المعدل النانوي، من خلال إضافة جزيئات غير عضوية من 1-100 نانومتر، وظائف جديدة مثل خصائص مضادة للميكروبات والحاجز العالي مع الحفاظ على الشفافية العالية.يتم تعزيز الكوبوليسترات القابلة للتحلل من خلال التصميم الجزيئي لتحسين الصداقة للبيئةيتم تركيب سبائك عالية الأداء مع مواد مثل PC و PA لدفع حدود الأداء للمواد الفردية.

مع زيادة الطلب على الـ rPET ذات الجودة الغذائية ، يتسارع التسويق لتقنيات إعادة التدوير المتقدمة من الزجاجة إلى الزجاجة.من المتوقع أن يصل سوق بي تي إيه العالمي إلى 62 مليار دولار بحلول عام 2030، مع rPET الصف الغذائي بالفعل أسعار أعلى أكثر من 50٪ من العذراء.

من زجاجات المشروبات خفيفة الوزن ومستدامة إلى أفلام مكثفات بحجم ميكرون، من الملابس اليومية إلى المكونات المقاومة للحرارة في مقصورات محرك السيارات،أصبحت متكاملة بشكل عميق في الحياة الحديثةيصل إلى توازن معقد بين الأداء والتكلفة، والشفافية والقوة، والصلابة والصلابة، مما يجعله ركيزة رئيسية في ثورة التعبئة والتغليف.

مع الاختراقات في تكنولوجيا إعادة التدوير والابتكارات في المواد البيولوجية، هذا البوليمر الذي ولد في المختبر يستكشف إمكانيات جديدة للتنمية المستدامة.قصتها بعيدة عن الانتهاء خلال العقد القادم، سوف تستمر تكنولوجيا بي تي في إعادة تعريف حدود الصناعة والحياة، مع التركيز على الصداقة للبيئة والأداء العالي.