การวิเคราะห์วัสดุ PET อย่างสมบูรณ์

เมื่อคุณหยิบขวดน้ำแร่จากชั้นวางซุปเปอร์มาร์เก็ต คุณอาจไม่รู้ว่าเบื้องหลังขวดใสที่สว่างและโปร่งใสนี้มีการปฏิวัติในด้านวัสดุศาสตร์ โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลตซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุโพลีเมอร์ที่สำคัญที่สุดในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ ได้แทรกซึมเข้าไปอย่างเงียบ ๆ ในทุกแง่มุมของชีวิตมนุษย์

ตั้งแต่ฟิล์มใสที่ใช้ห่ออาหารไปจนถึงชั้นฉนวนที่ปกป้องชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ตั้งแต่เส้นใยสิ่งทอไปจนถึงชิ้นส่วนยานยนต์ วัสดุอเนกประสงค์นี้กำลังเปลี่ยนโฉมโลกวัสดุของเราไปอย่างรวดเร็วอย่างน่าประหลาดใจ ด้วยกำลังการผลิตทั่วโลกมากกว่า 110 ล้านตันต่อปี PET ไม่เพียงแต่เป็นกำลังสำคัญในอุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์เท่านั้น แต่ยังเป็นวัสดุพื้นฐานที่ขาดไม่ได้ในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงอีกด้วย

ข้อมูลพื้นฐานของวัสดุ PET

PET ซึ่งเป็นชื่อทางเคมีของโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต ประกอบด้วยกรดเทเรฟทาลิกและเอทิลีนไกลคอล ซึ่งเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเอสเทอริฟิเคชันและปฏิกิริยาโพลีคอนเดนเซชันเพื่อสร้างสายโซ่โพลีเมอร์เชิงเส้นปกติ โครงสร้างโมเลกุลที่มีความสมมาตรสูงนี้ทำให้เกิดการตกผลึกที่ดีเยี่ยม ช่วยให้สามารถสร้างบริเวณที่เป็นผลึกหนาแน่นภายใต้สภาวะการประมวลผลที่เหมาะสม ส่งผลให้มีคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยม การผลิต PET ทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่เกิดขึ้นผ่านสองเส้นทางกระบวนการ: ทรานส์เอสเตริฟิเคชันของไดเมทิลเทเรฟทาเลตด้วยเอทิลีนไกลคอล และเอสเทอริฟิเคชันโดยตรงของกรดเทเรฟทาลิกบริสุทธิ์ด้วยเอทิลีนไกลคอล ทั้งสองขั้นตอนต้องใช้ขั้นตอนการควบแน่นหลายขั้นตอนเพื่อผลิตโพลีเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลตั้งแต่ 20,000 ถึง 30,000 กรัม/โมล

PET เป็นโพลีเมอร์ที่มีผลึกสูงสีขาวนวลหรือสีเหลืองอ่อน มีพื้นผิวเรียบและมีความแวววาวคล้ายแก้ว ขึ้นอยู่กับวิธีการดัดแปลงและการใช้งาน วัสดุ PET สามารถแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก:

• APET: วัสดุโปร่งใสและอสัณฐานที่ใช้เป็นหลักสำหรับบรรจุภัณฑ์อาหาร
• RPET: PET รีไซเคิล ผ่านกระบวนการรีไซเคิลและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเป็นพิเศษ
• PETG: PET รวมโคโมโนเมอร์ไซโคลเฮกเซนดิเมทานอลเพื่อปรับปรุงความโปร่งใสและความเหนียวในการประมวลผล

เม็ดพลาสติก PET กลายเป็นหนึ่งในพลาสติกวิศวกรรมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในโลก การใช้งานของบริษัทได้ขยายจากการใช้งานเส้นใยสังเคราะห์ในช่วงแรกๆ ไปจนครอบคลุมถึงบรรจุภัณฑ์ อิเล็กทรอนิกส์ การขนส่ง และภาคส่วนสำคัญอื่นๆ กำลังการผลิตทั่วโลกคาดว่าจะเกิน 110 ล้านตันภายในปี 2568

คุณสมบัติหลักของวัสดุ PET

ความนิยมของ PET ในอุตสาหกรรมเกิดจากการผสมผสานคุณสมบัติที่มีความสมดุลเป็นพิเศษ ในแง่ของคุณสมบัติทางกายภาพและทางกล PET มีความแข็งแกร่งสูง ความแข็งสูง และความเสถียรของขนาดที่ดีเยี่ยม ความต้านทานแรงดัดงอสามารถเข้าถึง 148-310 MPa และความแข็ง Rockwell สูงถึง M90-95 ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเหนียวสูงสุดในบรรดาเทอร์โมพลาสติก

คุณสมบัติทางกายภาพ

ตารางที่ 1: คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญของ PET

คุณสมบัติทางความร้อน
PET สามารถทนต่อการใช้งานระยะยาวที่อุณหภูมิสูงถึง 120°C รุ่นเสริมแรงสามารถทนต่อการแช่ในอ่างบัดกรีที่อุณหภูมิ 250°C เป็นเวลา 10 วินาทีโดยไม่เสียรูป การต้านทานความร้อนนี้ทำให้มีข้อได้เปรียบที่ไม่อาจทดแทนได้ในสาขาการบัดกรีอิเล็กทรอนิกส์ คุณสมบัติของฉนวนไฟฟ้ายังดีเยี่ยม โดยยังคงความเสถียรแม้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและความถี่สูง อย่างไรก็ตาม ความต้านทานโคโรนามีค่อนข้างจำกัด

ความคงตัวทางเคมี
PET ทนต่อสภาพอากาศและสารเคมีได้ดีเยี่ยม โดยมีความทนทานต่อกรดอ่อนและตัวทำละลายอินทรีย์ได้ดี อย่างไรก็ตาม ฐานที่แข็งแกร่งนั้นไวต่อการกัดกร่อน และการแช่ในน้ำร้อนเป็นเวลานานก็อาจทำให้ประสิทธิภาพลดลงได้เช่นกัน

ฟิล์ม PET – ฟิล์มโพลีเอสเตอร์เชิงแกนสองแกน

ในบรรดา PET หลายรูปแบบ ฟิล์มโพลีเอสเตอร์ที่มีแกนสองแกนถือเป็นจุดพิเศษ ฟิล์มนี้ผลิตด้วยกระบวนการยืดที่แม่นยำ ซึ่งโดยทั่วไปมีความหนาประมาณ 0.012 มม. และมีความแข็งแกร่งทางกายภาพที่น่าทึ่ง

การจำแนกกระบวนการผลิต

• ฟิล์มเน้นสองแกน: ฟิล์มประสิทธิภาพสูงที่ผลิตจากวัสดุ "มันเงา" ที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งยืดออกทั้งทิศทางตามยาวและตามขวาง ครองตลาด
• ฟิล์มที่มีทิศทางแกนเดียว: วัสดุกึ่งด้านที่มีการเติมไททาเนียมไดออกไซด์จะถูกยืดออกในทิศทางตามยาวเท่านั้น มีคุณภาพต่ำกว่าและคุ้มต้นทุน ส่วนใหญ่ใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์ยา

ประสิทธิภาพที่โดดเด่นของฟิล์ม BOPET เกิดจากกระบวนการผลิตที่เป็นเอกลักษณ์ ขั้นแรกฟิล์มจะถูกอัดขึ้นรูปเป็นแผ่นหนาและอสัณฐานที่อุณหภูมิ 280°C หลังจากเย็นตัวลงจะเข้าสู่ขั้นตอนการยืด: ยืดประมาณ 3 ครั้งในทิศทางตามยาวที่อุณหภูมิ 86-87°C และ 2.5-4 ครั้งในทิศทางตามขวางที่อุณหภูมิ 100-120°C สุดท้ายตั้งไว้ที่ 230-240°C กระบวนการนี้ส่งผลให้มีการวางแนวสายโซ่โมเลกุลในระดับสูง ทำให้ฟิล์มมีความเหนียวเป็นพิเศษ: ความต้านทานแรงดึงเทียบเท่ากับโลหะ พร้อมด้วยความต้านทานการเสียดสีที่ยอดเยี่ยม ความต้านทานการพับ และความต้านทานการฉีกขาด มีการหดตัวของความร้อนน้อยที่สุด มีการส่งผ่านแสง >90% และมีพื้นผิวคล้ายกระจก

ตารางที่ 2: การจำแนกประเภทและการประยุกต์ฟิล์ม PET ตามการใช้งาน

การใช้งานวัสดุ PET

การใช้งาน PET ที่หลากหลายนั้นน่าประหลาดใจ ครอบคลุมเกือบทุกด้านสำคัญของอุตสาหกรรมสมัยใหม่

• อุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์: 70% ของการผลิต PET ทั่วโลกใช้สำหรับบรรจุภัณฑ์ ขวดน้ำอัดลมและขวดน้ำแร่เป็นการใช้งานที่ใหญ่ที่สุด โดยการใช้งานขยายไปสู่ขวดน้ำมันบริโภค ขวดเครื่องปรุงรส และขวดยา ขวด PET ขนาด 500 มล. มีน้ำหนักเพียงประมาณ 18 กรัม ซึ่งเบากว่าขวดแก้วถึง 80% แต่ยังทนแรงดันภายในได้สูงถึง 150 psi ฟิล์มบรรจุภัณฑ์อาหารใช้คุณสมบัติกั้นออกซิเจนสูงและมีคุณสมบัติในการแสดงผลที่โปร่งใส
• ในภาคอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า: ฉนวนและทนความร้อนที่ดีเยี่ยมของ PET ถูกนำมาใช้ในการผลิตฟิล์มฉนวนต่างๆ ไดอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุ และแผงวงจรแบบยืดหยุ่น ฟิล์มเกรดไฟฟ้าสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำให้มีความหนาระหว่าง 3.5 ถึง 125 μm โดยมีแรงดันพังทลายเกิน 5 kV PET เสริมแรงใช้ในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง เช่น ขั้วต่อและกระสวยหม้อแปลง
• ในอุตสาหกรรมสิ่งทอ: เส้นใย PET คิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50% ของการผลิตเส้นใยสังเคราะห์ทั่วโลก และความแข็งแรงสูงและความต้านทานต่อรอยยับได้เปลี่ยนอุตสาหกรรมสิ่งทอ
• ในอุตสาหกรรมยานยนต์: PET เสริมแรงใช้ในการผลิตส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวยึดหลอดไฟ ฝาครอบแผงสวิตช์ และวาล์ว เพื่อใช้ทดแทนโลหะสำหรับการลดน้ำหนัก
• ในการใช้งานพิเศษ: ฟิล์มป้องกัน PET ที่มีความหนืดสูงถูกนำมาใช้เพื่อปกป้องพื้นผิวของแผง LCD และหน้าจอสัมผัส ซึ่งให้ความต้านทานต่อการขีดข่วนได้ดีเยี่ยมที่ความหนาเพียง 0.05-0.1 มม. ความคงตัวและความโปร่งใสของมิติยังใช้ในซับสเตรตฟิล์มไวแสงอีกด้วย ฟิล์มอะลูมิเนียมเคลือบสุญญากาศใช้เพื่อการตกแต่งและในการผลิตตัวเก็บประจุ

พลาสติกวิศวกรรม PET แสดงให้เห็นการแพร่กระจายอย่างกว้างขวางในหลายอุตสาหกรรม: อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า 26% ยานยนต์ 22% เครื่องจักร 19% และสิ่งจำเป็นในชีวิตประจำวัน 10% แม้ว่าพลาสติกวิศวกรรมจะมีสัดส่วนเพียง 1.6% ของตลาด PET ทั้งหมด แต่ก็มีเนื้อหาทางเทคโนโลยีและมูลค่าเพิ่มสูงสุด

กระบวนการผลิตพีอีที

การผลิตผลิตภัณฑ์ PET เป็นกระบวนการทางความร้อนเชิงกลที่แม่นยำ ซึ่งต้องอาศัยการควบคุมอุณหภูมิที่เข้มงวดอย่างยิ่ง

การฉีดขึ้นรูป
ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ เช่น พรีฟอร์มขวด และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ อุณหภูมิของลำกล้องจะถูกควบคุมเป็นระยะ: ส่วนด้านหลัง (250-270°C), ส่วนตรงกลาง (265-275°C), ส่วนด้านหน้า (270-275°C) และหัวฉีด (280-295°C) อุณหภูมิของแม่พิมพ์จะคงอยู่ระหว่าง 30-85°C โดยมีแรงดันต้านอยู่ที่ 5-15 กก./ซม.² วัตถุดิบต้องแห้งล่วงหน้าที่อุณหภูมิ 120-140°C เป็นเวลา 2-5 ชั่วโมง เพื่อป้องกันการแตกหักของสายโซ่โมเลกุลที่เกิดจากการไฮโดรไลซิส

กระบวนการฟิล์มเชิงแกนสองแกน

• การอัดรีดก่อนการอบแห้งและการหลอมละลาย: หลังจากลดความชื้น ฟิล์มที่หั่นแล้วจะถูกอัดเป็นแผ่นหนาที่อุณหภูมิ 280°C
• การระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว: การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วผ่านถังทำความเย็นหรือสารหล่อเย็นจะรักษาสถานะอสัณฐาน
• การยืดแบบสองแกน: การยืดตามยาว (86-87°C อัตราส่วนการยืด eta 3x) → การยืดตามขวาง (100-120°C อัตราส่วนการยืด 2.5-4.0x)
• การตั้งค่าความร้อน: บรรเทาความเครียดภายในที่อุณหภูมิ 230-240°C เพื่อปรับปรุงความเสถียรของมิติ

การเป่าขึ้นรูป
ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตขวดกลวง ผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปขั้นต้นจะถูกทำให้ร้อนอีกครั้งจนสูงกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว จากนั้นเป่าให้เป็นรูปร่างโดยใช้แก๊สแรงดันสูง กระบวนการนี้ต้องมีการควบคุมการกระจายอุณหภูมิและแรงดันลมที่แม่นยำ เพื่อให้แน่ใจว่าผนังขวดมีความหนาสม่ำเสมอ

การอัดขึ้นรูป
สร้างโปรไฟล์ต่อเนื่อง เช่น แผ่นและท่อ แผ่นหนาจะถูกอัดผ่าน T-die เพื่อการเทอร์โมฟอร์มในภายหลัง หรืออัดโดยตรงเป็นแผ่นเพื่อบรรจุภัณฑ์ ช่วงการควบคุมอุณหภูมิจะใกล้เคียงกับช่วงของการฉีดขึ้นรูป แต่วิธีการทำความเย็นจะมีความหลากหลายมากกว่า

เทคโนโลยีการประมวลผลรอง
รวมถึงการเคลือบผิว การเคลือบโลหะแบบสุญญากาศ การพิมพ์ และการเชื่อม ซึ่งจะช่วยขยายขอบเขตการใช้งานของ PET ไปอีกขั้น

ความท้าทายด้านความยั่งยืนและอนาคต

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของวัสดุ PET เป็นปัญหาที่เพิ่มมากขึ้น PET แบบดั้งเดิมอาศัยวัตถุดิบตั้งต้นจากปิโตรเลียม และใช้เวลากว่า 400 ปีในการย่อยสลายตามธรรมชาติ แม้ว่าอัตราการรีไซเคิลขวด PET ทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 58% แต่ขยะจำนวนมากยังคงเข้าสู่สิ่งแวดล้อม

นวัตกรรมทางเทคโนโลยีกำลังขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงสีเขียว

• การรีไซเคิลด้วยเครื่องจักรเกี่ยวข้องกับการทำลายและทำความสะอาดขวด PET ที่ใช้แล้ว จากนั้นจึงหลอมและอัดเป็นก้อนเพื่อใช้ในบรรจุภัณฑ์ที่เป็นเส้นใยหรือแบบไม่สัมผัสอาหาร
• การแยกโพลีเมอร์ทางเคมีจะลด PET ให้เป็นโมโนเมอร์ จากนั้นจึงนำไปรีพอลิเมอร์ใหม่เพื่อผลิต rPET เกรดอาหาร
• PET ชีวภาพใช้วัตถุดิบชีวมวลเพื่อทดแทนปิโตรเลียม ตัวอย่างเช่น PlantBottle ของ Coca-Cola ใช้เอทานอลจากอ้อยเพื่อผลิตเอทิลีนไกลคอล ซึ่งช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนได้ 30%

อยู่ในระดับแนวหน้าของประสิทธิภาพของวัสดุ
PET ดัดแปลงนาโนโดยการเพิ่มอนุภาคอนินทรีย์ 1-100 นาโนเมตร มอบฟังก์ชันใหม่ๆ เช่น คุณสมบัติต้านจุลชีพและอุปสรรคสูง ในขณะที่ยังคงความโปร่งใสสูง โคโพลีเอสเทอร์ที่ย่อยสลายได้ได้รับการปรับปรุงผ่านการออกแบบโมเลกุลเพื่อปรับปรุงเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม โลหะผสมประสิทธิภาพสูงกำลังถูกนำไปผสมกับวัสดุ เช่น PC และ PA เพื่อผลักดันขีดจำกัดประสิทธิภาพของวัสดุเดี่ยว

ด้วยความต้องการ rPET เกรดอาหารที่เพิ่มขึ้น การนำเทคโนโลยีรีไซเคิลขั้นสูงแบบ "ขวดต่อขวด" ไปสู่เชิงพาณิชย์จึงกำลังเร่งตัวขึ้น ตลาด PET ทั่วโลกคาดว่าจะมีมูลค่าถึง 62 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2573 โดย rPET เกรดอาหารมีราคาสูงกว่าบริสุทธิ์แล้วกว่า 50%

ตั้งแต่ขวดเครื่องดื่มน้ำหนักเบาแต่ทนทาน ไปจนถึงฟิล์มคาปาซิเตอร์ขนาดไมครอน ตั้งแต่เสื้อผ้าในชีวิตประจำวันไปจนถึงส่วนประกอบทนความร้อนในห้องเครื่องของรถยนต์ PET ซึ่งเป็นวัสดุอเนกประสงค์ได้กลายมาเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตยุคใหม่อย่างลึกซึ้ง มีความสมดุลที่ซับซ้อนระหว่างประสิทธิภาพและราคา ความโปร่งใสและความแข็งแกร่ง และความแข็งแกร่งและความทนทาน ทำให้เป็นแกนนำในการปฏิวัติบรรจุภัณฑ์

ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีการรีไซเคิลและนวัตกรรมด้านวัสดุชีวภาพ โพลีเมอร์ที่เกิดในห้องปฏิบัติการนี้กำลังสำรวจความเป็นไปได้ใหม่ๆ สำหรับการพัฒนาที่ยั่งยืน เรื่องราวของมันยังอีกยาวไกล ในทศวรรษหน้า เทคโนโลยี PET จะยังคงกำหนดขอบเขตใหม่ของอุตสาหกรรมและชีวิต โดยมุ่งเน้นไปที่ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและประสิทธิภาพสูง