Un'Analisi Completa dei Materiali PET

Quando prendi una bottiglia di acqua minerale dallo scaffale di un supermercato, potresti non renderti conto che dietro questa bottiglia leggera e trasparente si nasconde una rivoluzione nella scienza dei materiali. Il polietilene tereftalato, uno dei materiali polimerici più importanti nell'industria moderna, ha permeato silenziosamente ogni aspetto della vita umana.

Dalle pellicole trasparenti che avvolgono gli alimenti agli strati isolanti che proteggono i componenti elettronici, dalle fibre tessili alle parti automobilistiche, questo materiale versatile sta rimodellando il nostro mondo materiale a un ritmo sorprendente. Con una capacità produttiva globale annua superiore a 110 milioni di tonnellate, il PET non è solo una forza importante nel settore degli imballaggi, ma anche un materiale fondamentale indispensabile nei settori high-tech.

Informazioni di base sui materiali PET

Il PET, il nome chimico del polietilene tereftalato, è costituito da acido tereftalico e glicole etilenico, formati attraverso una reazione di esterificazione e policondensazione per formare catene polimeriche lineari regolari. Questa struttura molecolare altamente simmetrica conferisce un'eccellente cristallizzazione, consentendogli di formare regioni cristalline dense in condizioni di lavorazione adeguate, con conseguenti proprietà fisiche eccezionali. La produzione industriale di PET avviene principalmente attraverso due percorsi di processo: transesterificazione del dimetiltereftalato con glicole etilenico ed esterificazione diretta dell'acido tereftalico purificato con glicole etilenico. Entrambi richiedono più passaggi di policondensazione per produrre un polimero con un peso molecolare compreso tra 20.000 e 30.000 g/mol.

Il PET è un polimero bianco latte o giallo chiaro, altamente cristallino, con una superficie liscia e una lucentezza simile al vetro. In base ai metodi e alle applicazioni di modifica, i materiali PET possono essere suddivisi in tre tipologie principali:

• APET: materiale amorfo e trasparente utilizzato principalmente per contenitori per imballaggi alimentari
• RPET: PET riciclato, lavorato attraverso un sistema di riciclaggio e che offre un'eccezionale compatibilità ambientale
• PETG: il PET incorpora un comonomero di cicloesandimetanolo per migliorare la trasparenza e la tenacità della lavorazione

La resina PET è diventata una delle materie plastiche tecniche più utilizzate al mondo. Le sue applicazioni si sono ampliate rispetto alle applicazioni iniziali in fibra sintetica per includere imballaggi, elettronica, trasporti e altri settori chiave. Si prevede che la capacità produttiva globale supererà i 110 milioni di tonnellate entro il 2025.

Proprietà fondamentali dei materiali PET

La popolarità del PET nel settore deriva dalla sua combinazione eccezionalmente equilibrata di proprietà. In termini di proprietà fisiche e meccaniche, il PET presenta elevata rigidità, elevata durezza ed eccellente stabilità dimensionale. La sua resistenza alla flessione può raggiungere 148-310 MPa e la sua durezza Rockwell raggiunge M90-95, dimostrando la più alta tenacità tra i materiali termoplastici.

Proprietà fisiche

Tabella 1: Proprietà fisiche principali del PET

Proprietà termiche
Il PET può resistere all'uso a lungo termine a temperature fino a 120°C. Le versioni rinforzate possono resistere anche all'immersione in un bagno di saldatura a 250°C per 10 secondi senza deformarsi. Questa resistenza al calore gli conferisce un vantaggio insostituibile nel campo della saldatura elettronica. Anche le sue proprietà di isolamento elettrico sono eccellenti, rimanendo stabili anche in ambienti ad alta temperatura e alta frequenza. Tuttavia, la sua resistenza alla corona è relativamente limitata.

Stabilità chimica
Il PET presenta un'eccellente resistenza agli agenti atmosferici e agli agenti chimici, con una buona resistenza agli acidi deboli e ai solventi organici. Tuttavia, è suscettibile alla corrosione da parte di basi forti e anche l'immersione prolungata in acqua calda può portare a un degrado delle prestazioni.

Film in PET – Film in poliestere biorientato

Tra le tante forme di PET, la pellicola di poliestere a orientamento biassiale occupa un posto speciale. Prodotto attraverso un processo di stiramento di precisione, questo film, tipicamente di circa 0,012 mm di spessore, possiede una notevole resistenza fisica.

Classificazione del processo produttivo

• Film orientati biassialmente: film ad alte prestazioni realizzati con materiali “lucidi” di elevata purezza stirati sia in direzione longitudinale che trasversale, dominano il mercato.
• Pellicola orientata uniassialmente: i materiali semiopachi con aggiunta di biossido di titanio vengono allungati solo nella direzione longitudinale. Sono di qualità inferiore ed economici, utilizzati principalmente per l'imballaggio farmaceutico.

Le prestazioni eccezionali della pellicola BOPET derivano dal suo processo di produzione unico. Il film viene prima estruso in un foglio spesso e amorfo a 280°C. Dopo il raffreddamento, entra nella fase di filatura: filatura per circa 3 volte in senso longitudinale a 86-87°C e 2,5-4 volte in senso trasversale a 100-120°C. Infine viene fissato a 230-240°C. Questo processo si traduce in un elevato grado di orientamento della catena molecolare, conferendo al film una tenacità eccezionale: resistenza alla trazione paragonabile al metallo, insieme a un'eccellente resistenza all'abrasione, alla piegatura e alla lacerazione. Presenta un restringimento termico minimo, una trasmissione della luce >90% e una superficie a specchio.

Tabella 2: Classificazione e applicazione dei film in PET per applicazione

Applicazioni del materiale PET

L’ampiezza delle applicazioni del PET è sorprendente e copre quasi ogni area chiave dell’industria moderna.

• Industria dell’imballaggio: il 70% della produzione globale di PET viene utilizzata per l’imballaggio. Le bottiglie per bevande gassate e acqua minerale sono le sue maggiori applicazioni, con applicazioni che si espandono alle bottiglie di olio commestibile, bottiglie di condimenti e bottiglie farmaceutiche. Una bottiglia in PET da 500 ml pesa solo circa 18 grammi, l'80% più leggera di una bottiglia di vetro, ma può resistere a pressioni interne fino a 150 psi. Le pellicole per l'imballaggio alimentare sfruttano l'elevata barriera all'ossigeno e le proprietà di visualizzazione trasparente.
• Nei settori elettronico ed elettrico: l'eccellente isolamento e resistenza al calore del PET vengono utilizzati per produrre varie pellicole isolanti, dielettrici di condensatori e circuiti stampati flessibili. Le pellicole di grado elettrico possono essere controllate con precisione fino a uno spessore compreso tra 3,5 e 125 μm, con tensioni di rottura superiori a 5 kV. Il PET rinforzato viene utilizzato per produrre componenti elettronici resistenti alle alte temperature come connettori e bobine di trasformatori.
• Nell'industria tessile: la fibra PET rappresenta oltre il 50% della produzione globale di fibre sintetiche e la sua elevata robustezza e resistenza alle pieghe hanno trasformato l'industria tessile.
• Nell'industria automobilistica: il PET rinforzato viene utilizzato per produrre componenti come portalampade, coperture di quadri elettrici e valvole, sostituendo il metallo per alleggerire.
• In applicazioni speciali: la pellicola protettiva in PET ad alta viscosità viene utilizzata per proteggere le superfici dei pannelli LCD e dei touch screen, offrendo un'eccellente resistenza ai graffi con uno spessore di soli 0,05-0,1 mm. La sua stabilità dimensionale e trasparenza sono utilizzate anche nei substrati di pellicola fotosensibile. Le pellicole di alluminio rivestite sotto vuoto vengono utilizzate per scopi decorativi e nella produzione di condensatori.

I tecnopolimeri PET dimostrano un'ampia penetrazione in diversi settori: elettronico ed elettrico 26%, automobilistico 22%, macchinari 19% e beni di prima necessità 10%. Sebbene i tecnopolimeri rappresentino solo l’1,6% del mercato totale del PET, possiedono il contenuto tecnologico e il valore aggiunto più elevati.

Processo di produzione del PET

La produzione di prodotti in PET è un processo termomeccanico preciso che richiede un controllo estremamente rigoroso della temperatura.

Stampaggio ad iniezione
Utilizzato per prodotti come preforme di bottiglie e componenti elettronici. La temperatura della canna è controllata in più fasi: sezione posteriore (250-270°C), sezione centrale (265-275°C), sezione anteriore (270-275°C) e ugello (280-295°C). La temperatura dello stampo viene mantenuta tra 30-85°C, con una contropressione di 5-15 kg/cm². La materia prima deve essere pre-essiccata a 120-140°C per 2-5 ore per prevenire la rottura della catena molecolare causata dall'idrolisi.

Processo di pellicola biassialmente orientata

• Pre-essiccazione ed estrusione da fusione: Dopo la deumidificazione, il film tranciato viene estruso in fogli spessi a 280°C.
• Raffreddamento rapido: il raffreddamento rapido tramite un tamburo di raffreddamento o un liquido refrigerante mantiene lo stato amorfo.
• Stiramento biassiale: stiramento longitudinale (86-87°C, rapporto di stiramento ≈ 3x) → stiramento trasversale (100-120°C, rapporto di stiramento 2,5-4,0x).
• Fissaggio termico: alleviare le tensioni interne a 230-240°C per migliorare la stabilità dimensionale.

Stampaggio per soffiaggio
Utilizzato principalmente per la produzione di bottiglie cave. La preforma viene nuovamente riscaldata al di sopra della temperatura di transizione vetrosa e quindi soffiata nella forma utilizzando gas ad alta pressione. Questo processo richiede un controllo preciso della distribuzione della temperatura e della pressione di soffiaggio per garantire uno spessore uniforme delle pareti della bottiglia.

Estrusione
Produce profili continui come lamiere e tubi. I fogli spessi vengono estrusi attraverso una matrice a T per la successiva termoformatura o direttamente estrusi in fogli per l'imballaggio. L'intervallo di controllo della temperatura è simile a quello dello stampaggio a iniezione, ma i metodi di raffreddamento sono più diversi.

Tecnologie di lavorazione secondaria
compresi rivestimento, metallizzazione sotto vuoto, stampa e saldatura, ampliano ulteriormente i confini applicativi del PET.

Sfide di sostenibilità e futuro

L’impronta ambientale dei materiali PET è una preoccupazione crescente. Il PET tradizionale si basa su materie prime a base di petrolio e impiega oltre 400 anni per degradarsi naturalmente. Anche se il tasso globale di riciclo delle bottiglie in PET è pari a circa il 58%, una quantità significativa di rifiuti finisce comunque nell’ambiente.

L’innovazione tecnologica sta guidando una trasformazione verde

• Il riciclaggio meccanico prevede la triturazione e la pulizia delle bottiglie in PET usate, quindi la loro fusione e pellettizzazione per l'utilizzo in imballaggi in fibra o non a contatto con gli alimenti.
• La depolimerizzazione chimica riduce il PET ai suoi monomeri, che vengono poi ripolimerizzati per produrre rPET per uso alimentare.
• Il PET a base biologica utilizza materie prime di biomassa per sostituire il petrolio. Ad esempio, la PlantBottle della Coca-Cola utilizza l’etanolo della canna da zucchero per produrre glicole etilenico, riducendo le emissioni di carbonio del 30%.

All'avanguardia nelle prestazioni dei materiali
Il PET nanomodificato, aggiungendo particelle inorganiche da 1 a 100 nm, conferisce nuove funzionalità come proprietà antimicrobiche e ad alta barriera pur mantenendo un'elevata trasparenza. I copoliesteri degradabili vengono migliorati attraverso la progettazione molecolare per migliorare la compatibilità ambientale. Le leghe ad alte prestazioni vengono combinate con materiali come PC e PA per spingere i limiti prestazionali dei singoli materiali.

Con l’aumento della domanda di rPET per uso alimentare, la commercializzazione di tecnologie avanzate di riciclo “bottle-to-bottle” sta accelerando. Si prevede che il mercato globale del PET raggiungerà i 62 miliardi di dollari entro il 2030, con l’rPET per uso alimentare che ha già un prezzo superiore di oltre il 50% rispetto a quello vergine.

Dalle bottiglie per bevande leggere ma resistenti alle pellicole per condensatori di dimensioni micron, dagli indumenti di tutti i giorni ai componenti resistenti al calore nei vani motore delle automobili, il PET, un materiale versatile, è diventato profondamente integrato nella vita moderna. Raggiunge un equilibrio complesso tra prestazioni e costi, trasparenza e resistenza, rigidità e tenacità, rendendolo un pilastro nella rivoluzione del packaging.

Grazie ai progressi nella tecnologia del riciclaggio e alle innovazioni nei materiali di origine biologica, questo polimero nato in laboratorio sta esplorando nuove possibilità per lo sviluppo sostenibile. La sua storia è lungi dall’essere finita: nel prossimo decennio, la tecnologia PET continuerà a ridefinire i confini dell’industria e della vita, concentrandosi sia sul rispetto dell’ambiente che sulle prestazioni elevate.