یک تحلیل کامل از مواد PET

وقتی یک بطری آب معدنی را از قفسه سوپرمارکت برمی‌دارید، ممکن است متوجه نشوید که پشت این بطری سبک و شفاف، انقلابی در علم مواد نهفته است. پلی اتیلن ترفتالات، یکی از مهم‌ترین مواد پلیمری در صنعت مدرن، به آرامی در تمام جنبه‌های زندگی بشر نفوذ کرده است.

از فیلم‌های شفاف بسته‌بندی مواد غذایی گرفته تا لایه‌های عایق محافظت‌کننده از قطعات الکترونیکی، از الیاف نساجی تا قطعات خودرو، این ماده همه‌کاره با سرعتی خیره‌کننده در حال تغییر شکل دنیای مواد ما است. با ظرفیت تولید سالانه جهانی بیش از 110 میلیون تن، PET نه تنها یک نیروی اصلی در صنعت بسته‌بندی است، بلکه یک ماده اساسی ضروری در زمینه‌های فناوری پیشرفته نیز به شمار می‌رود.

اطلاعات پایه مواد PET

PET، نام شیمیایی پلی اتیلن ترفتالات، از اسید ترفتالیک و اتیلن گلیکول تشکیل شده است که از طریق یک واکنش استری‌سازی و پلیمریزاسیون تراکمی برای تشکیل زنجیره‌های پلیمری خطی منظم ایجاد می‌شود. این ساختار مولکولی بسیار متقارن، تبلور عالی را به آن می‌بخشد و به آن اجازه می‌دهد تا در شرایط فرآوری مناسب، مناطق کریستالی متراکم را تشکیل دهد و در نتیجه خواص فیزیکی استثنایی را به دست آورد. تولید صنعتی PET در درجه اول از طریق دو مسیر فرآیند انجام می‌شود: ترانس استریفیکاسیون دی متیل ترفتالات با اتیلن گلیکول و استریفیکاسیون مستقیم اسید ترفتالیک خالص شده با اتیلن گلیکول. هر دو به مراحل پلیمریزاسیون تراکمی متعددی نیاز دارند تا پلیمری با وزن مولکولی بین 20000 تا 30000 گرم بر مول تولید شود.

PET یک پلیمر بسیار کریستالی سفید شیری یا زرد روشن با سطح صاف و درخشش شیشه‌ای است. بر اساس روش‌های اصلاح و کاربردها، مواد PET را می‌توان به سه نوع اصلی تقسیم کرد:

• APET: ماده بی‌شکل و شفاف که عمدتاً برای ظروف بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود
• RPET: PET بازیافتی، که از طریق یک سیستم بازیافت فرآوری شده و سازگاری زیست‌محیطی استثنایی را ارائه می‌دهد
• PETG: PET یک کوپلیمر سیکلوهگزان دی متانول را برای بهبود شفافیت و چقرمگی فرآوری ترکیب می‌کند

رزین PET به یکی از پرکاربردترین پلاستیک‌های مهندسی در جهان تبدیل شده است. کاربردهای آن از کاربردهای اولیه الیاف مصنوعی به بسته‌بندی، الکترونیک، حمل و نقل و سایر بخش‌های کلیدی گسترش یافته است. پیش‌بینی می‌شود ظرفیت تولید جهانی تا سال 2025 از 110 میلیون تن فراتر رود.

خواص اصلی مواد PET

محبوبیت PET در صنعت ناشی از ترکیب استثنایی و متعادل خواص آن است. از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی، PET دارای استحکام بالا، سختی بالا و پایداری ابعادی عالی است. استحکام خمشی آن می‌تواند به 148-310 مگاپاسکال برسد و سختی راکول آن به M90-95 می‌رسد که نشان‌دهنده بالاترین چقرمگی در بین ترموپلاستیک‌ها است.

(1) خواص فیزیکی

جدول 1: خواص فیزیکی کلیدی PET

(2) خواص حرارتی

PET می‌تواند در دمای 120 درجه سانتیگراد برای مدت طولانی استفاده شود. نسخه‌های تقویت‌شده حتی می‌توانند در یک حمام لحیم‌کاری 250 درجه سانتیگراد به مدت 10 ثانیه بدون تغییر شکل غوطه‌ور شوند. این مقاومت در برابر حرارت به آن یک مزیت غیرقابل جایگزینی در زمینه لحیم‌کاری الکترونیک می‌دهد. خواص عایق الکتریکی آن نیز عالی است و حتی در محیط‌های با دمای بالا و فرکانس بالا نیز پایدار می‌ماند. با این حال، مقاومت آن در برابر کرونا نسبتاً محدود است.

پایداری شیمیایی

PET مقاومت عالی در برابر آب و هوا و مواد شیمیایی را نشان می‌دهد و مقاومت خوبی در برابر اسیدهای ضعیف و حلال‌های آلی دارد. با این حال، در برابر خوردگی توسط بازهای قوی مستعد است و غوطه‌وری طولانی‌مدت در آب گرم نیز می‌تواند منجر به تخریب عملکرد شود.

فیلم PET – فیلم پلی استر جهت‌دار دو محوری

در میان اشکال مختلف PET، فیلم پلی استر جهت‌دار دو محوری جایگاه ویژه‌ای دارد. این فیلم که از طریق یک فرآیند کشش دقیق تولید می‌شود، معمولاً حدود 0.012 میلی‌متر ضخامت دارد و از استحکام فیزیکی قابل توجهی برخوردار است.

طبقه‌بندی فرآیند تولید

• فیلم جهت‌دار دو محوری: فیلم‌های با کارایی بالا که از مواد «براق» با خلوص بالا ساخته شده‌اند و در هر دو جهت طولی و عرضی کشیده شده‌اند، بر بازار تسلط دارند.
• فیلم جهت‌دار تک محوری: مواد نیمه مات با دی اکسید تیتانیوم اضافه شده فقط در جهت طولی کشیده می‌شوند. آنها کیفیت پایین‌تری دارند و مقرون به صرفه هستند و عمدتاً برای بسته‌بندی دارویی استفاده می‌شوند.

عملکرد استثنایی فیلم BOPET ناشی از فرآیند تولید منحصر به فرد آن است. این فیلم ابتدا در دمای 280 درجه سانتیگراد به یک ورق ضخیم و بی‌شکل اکسترود می‌شود. پس از خنک شدن، وارد مرحله کشش می‌شود: کشش تقریباً 3 برابر در جهت طولی در دمای 86-87 درجه سانتیگراد و 2.5-4 برابر در جهت عرضی در دمای 100-120 درجه سانتیگراد. در نهایت، در دمای 230-240 درجه سانتیگراد تنظیم می‌شود. این فرآیند منجر به جهت‌گیری بالای زنجیره مولکولی می‌شود و به فیلم چقرمگی استثنایی می‌بخشد: استحکام کششی قابل مقایسه با فلز، همراه با مقاومت عالی در برابر سایش، مقاومت در برابر تا شدن و مقاومت در برابر پارگی. حداقل انقباض حرارتی، عبور نور >90٪ و سطح آینه‌ای دارد.

جدول 2: طبقه‌بندی و کاربرد فیلم PET بر اساس کاربرد

کاربردهای مواد PET

گستردگی کاربردهای PET شگفت‌انگیز است و تقریباً تمام زمینه‌های کلیدی صنعت مدرن را پوشش می‌دهد.

• صنعت بسته‌بندی: 70٪ از تولید جهانی PET برای بسته‌بندی استفاده می‌شود. بطری‌های نوشیدنی‌های گازدار و آب معدنی بزرگترین کاربردهای آن هستند و کاربردها به بطری‌های روغن خوراکی، بطری‌های چاشنی و بطری‌های دارویی گسترش می‌یابد. یک بطری PET 500 میلی‌لیتری تنها حدود 18 گرم وزن دارد که 80٪ سبک‌تر از یک بطری شیشه‌ای است، اما می‌تواند فشارهای داخلی تا 150 psi را تحمل کند. فیلم‌های بسته‌بندی مواد غذایی از خواص مانع اکسیژن بالا و نمایش شفاف آن استفاده می‌کنند.
• در بخش‌های الکترونیک و برق: از عایق‌بندی و مقاومت حرارتی عالی PET برای تولید فیلم‌های عایق مختلف، دی‌الکتریک‌های خازن و بردهای مدار انعطاف‌پذیر استفاده می‌شود. فیلم‌های درجه الکتریکی را می‌توان با دقت به ضخامت بین 3.5 تا 125 میکرومتر کنترل کرد و ولتاژ شکست بیش از 5 کیلو ولت دارد. از PET تقویت‌شده برای تولید قطعات الکترونیکی مقاوم در برابر حرارت بالا مانند کانکتورها و بوبین‌های ترانسفورماتور استفاده می‌شود.
• در صنعت نساجی: الیاف PET بیش از 50٪ از تولید الیاف مصنوعی جهانی را تشکیل می‌دهد و استحکام بالا و مقاومت در برابر چروک آن، صنعت نساجی را متحول کرده است.
• در صنعت خودرو: از PET تقویت‌شده برای تولید قطعاتی مانند نگهدارنده‌های لامپ، روکش‌های تابلوی سوئیچ و شیرها استفاده می‌شود و جایگزین فلز برای کاهش وزن می‌شود.
• در کاربردهای تخصصی: از فیلم محافظ PET با ویسکوزیته بالا برای محافظت از سطوح پنل‌های LCD و صفحه‌های لمسی استفاده می‌شود و مقاومت عالی در برابر خراش با ضخامت تنها 0.05-0.1 میلی‌متر ارائه می‌دهد. پایداری ابعادی و شفافیت آن نیز در بسترهای فیلم حساس به نور استفاده می‌شود. فیلم‌های آلومینیومی با پوشش خلاء برای اهداف تزئینی و در تولید خازن استفاده می‌شوند.

پلاستیک‌های مهندسی PET نفوذ گسترده‌ای را در صنایع مختلف نشان می‌دهند: الکترونیک و برق 26٪، خودرو 22٪، ماشین‌آلات 19٪ و مایحتاج روزانه 10٪. اگرچه پلاستیک‌های مهندسی تنها 1.6٪ از کل بازار PET را تشکیل می‌دهند، اما بالاترین محتوای فناوری و ارزش افزوده را دارند.

فرآیند تولید PET

تولید محصولات PET یک فرآیند ترمومکانیکی دقیق است که به کنترل دمای بسیار دقیق نیاز دارد.

(1) قالب‌گیری تزریقی

برای محصولاتی مانند پیش‌فرم بطری و قطعات الکترونیکی استفاده می‌شود. دمای بشکه در مراحل مختلف کنترل می‌شود: بخش عقب (250-270 درجه سانتیگراد)، بخش میانی (265-275 درجه سانتیگراد)، بخش جلو (270-275 درجه سانتیگراد) و نازل (280-295 درجه سانتیگراد). دمای قالب بین 30-85 درجه سانتیگراد حفظ می‌شود و فشار برگشتی 5-15 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است. مواد اولیه باید به مدت 2-5 ساعت در دمای 120-140 درجه سانتیگراد از قبل خشک شوند تا از شکستگی زنجیره مولکولی ناشی از هیدرولیز جلوگیری شود.

فرآیند فیلم جهت‌دار دو محوری

• پیش خشک کردن و اکستروژن مذاب: پس از رطوبت‌زدایی، فیلم برش‌خورده در دمای 280 درجه سانتیگراد به ورق‌های ضخیم اکسترود می‌شود.
• خنک‌سازی سریع: خنک‌سازی سریع از طریق یک درام خنک‌کننده یا خنک‌کننده، حالت بی‌شکل را حفظ می‌کند.
• کشش دو محوری: کشش طولی (86-87 درجه سانتیگراد، نسبت کشش ≈ 3 برابر) → کشش عرضی (100-120 درجه سانتیگراد، نسبت کشش 2.5-4.0 برابر).
• تنظیم حرارت: برای بهبود پایداری ابعادی، تنش‌های داخلی را در دمای 230-240 درجه سانتیگراد از بین ببرید.

(2) قالب‌گیری بادی

عمدتاً برای تولید بطری‌های توخالی استفاده می‌شود. پیش‌فرم دوباره تا بالای دمای انتقال شیشه گرم می‌شود و سپس با استفاده از گاز پرفشار به شکل در می‌آید. این فرآیند به کنترل دقیق توزیع دما و فشار دمیدن برای اطمینان از ضخامت یکنواخت دیواره بطری نیاز دارد.

(3) اکستروژن

پروفیل‌های پیوسته‌ای مانند ورق و لوله تولید می‌کند. ورق‌های ضخیم از طریق یک قالب T برای ترموفرمینگ بعدی اکسترود می‌شوند یا مستقیماً به ورق برای بسته‌بندی اکسترود می‌شوند. محدوده کنترل دما مشابه قالب‌گیری تزریقی است، اما روش‌های خنک‌کننده متنوع‌تر هستند.

(4) فناوری‌های پردازش ثانویه
از جمله پوشش، متالیزاسیون خلاء، چاپ و جوشکاری، مرزهای کاربرد PET را بیشتر گسترش می‌دهند.

چالش‌های پایداری و آینده

ردپای زیست‌محیطی مواد PET یک نگرانی فزاینده است. PET سنتی به مواد اولیه مبتنی بر نفت متکی است و بیش از 400 سال طول می‌کشد تا به طور طبیعی تجزیه شود. در حالی که میزان بازیافت بطری‌های PET در جهان تقریباً 58٪ است، مقدار قابل توجهی از زباله‌ها همچنان وارد محیط زیست می‌شود.

(1) نوآوری‌های تکنولوژیکی در حال هدایت یک تحول سبز است

• بازیافت مکانیکی شامل خرد کردن و تمیز کردن بطری‌های PET استفاده شده، سپس ذوب و گلوله‌سازی آنها برای استفاده در الیاف یا بسته‌بندی غیر تماسی با مواد غذایی است.
• تجزیه پلیمری شیمیایی PET را به مونومرهای آن کاهش می‌دهد که سپس دوباره پلیمریزه می‌شوند تا rPET درجه مواد غذایی تولید شود.
• PET زیستی از مواد اولیه زیست‌توده برای جایگزینی نفت استفاده می‌کند. به عنوان مثال، PlantBottle کوکاکولا از اتانول نیشکر برای تولید اتیلن گلیکول استفاده می‌کند و انتشار کربن را 30٪ کاهش می‌دهد.

(2) در خط مقدم عملکرد مواد

PET اصلاح‌شده با نانو، با افزودن ذرات معدنی 1-100 نانومتری، عملکردهای جدیدی مانند خواص ضد میکروبی و مانع بالا را در عین حفظ شفافیت بالا به ارمغان می‌آورد. کوپلیمرهای قابل تجزیه از طریق طراحی مولکولی برای بهبود سازگاری با محیط زیست تقویت می‌شوند. آلیاژهای با کارایی بالا با موادی مانند PC و PA ترکیب می‌شوند تا محدودیت‌های عملکرد مواد منفرد را افزایش دهند.

با افزایش تقاضا برای rPET درجه مواد غذایی، تجاری‌سازی فناوری‌های بازیافت پیشرفته «بطری به بطری» در حال شتاب گرفتن است. پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی PET تا سال 2030 به 62 میلیارد دلار برسد و rPET درجه مواد غذایی در حال حاضر بیش از 50٪ گران‌تر از مواد بکر است.

از بطری‌های نوشیدنی سبک و در عین حال بادوام گرفته تا فیلم‌های خازنی میکرونی، از لباس‌های روزمره گرفته تا قطعات مقاوم در برابر حرارت در محفظه‌های موتور خودرو، PET، یک ماده همه‌کاره، عمیقاً در زندگی مدرن ادغام شده است. این ماده تعادل پیچیده‌ای بین عملکرد و هزینه، شفافیت و استحکام و سفتی و چقرمگی ایجاد می‌کند و آن را به یک رکن اصلی در انقلاب بسته‌بندی تبدیل می‌کند.

با پیشرفت‌های فناوری بازیافت و نوآوری در مواد زیستی، این پلیمر متولد شده در آزمایشگاه در حال بررسی امکانات جدید برای توسعه پایدار است. داستان آن هنوز تمام نشده است - در دهه آینده، فناوری PET همچنان به بازتعریف مرزهای صنعت و زندگی، با تمرکز بر سازگاری با محیط زیست و عملکرد بالا ادامه خواهد داد.