Phân tích Toàn diện về Vật liệu PET

Khi nhặt một chai nước khoáng từ kệ siêu thị, bạn có thể không nhận ra rằng đằng sau chiếc chai trong suốt, nhẹ nhàng này là một cuộc cách mạng trong khoa học vật liệu. Polyethylene terephthalate, một trong những vật liệu polymer quan trọng nhất trong ngành công nghiệp hiện đại, đã âm thầm thâm nhập vào mọi khía cạnh của đời sống con người.

Từ màng trong suốt bọc thực phẩm đến lớp cách điện bảo vệ linh kiện điện tử, từ sợi dệt đến linh kiện ô tô, vật liệu đa năng này đang định hình lại thế giới vật chất của chúng ta với tốc độ đáng kinh ngạc. Với năng lực sản xuất toàn cầu hàng năm vượt quá 110 triệu tấn, PET không chỉ là thế lực lớn trong ngành bao bì mà còn là vật liệu nền tảng không thể thiếu trong các lĩnh vực công nghệ cao.

Thông tin cơ bản về vật liệu PET

PET, tên hóa học của polyethylene terephthalate, bao gồm axit terephthalic và ethylene glycol, được hình thành thông qua phản ứng este hóa và polycondensation để tạo thành chuỗi polymer tuyến tính thông thường. Cấu trúc phân tử có tính đối xứng cao này tạo ra sự kết tinh tuyệt vời, cho phép nó hình thành các vùng tinh thể dày đặc trong điều kiện xử lý thích hợp, tạo ra các tính chất vật lý đặc biệt. Sản xuất PET công nghiệp chủ yếu diễn ra thông qua hai quá trình: quá trình este hóa chéo dimethyl terephthalate với ethylene glycol và quá trình ester hóa trực tiếp axit terephthalic tinh khiết với ethylene glycol. Cả hai đều yêu cầu nhiều bước đa ngưng tụ để tạo ra polyme có trọng lượng phân tử từ 20.000 đến 30.000 g/mol.

PET là một loại polyme có màu trắng đục hoặc vàng nhạt, có độ tinh thể cao, bề mặt nhẵn và độ bóng giống như thủy tinh. Dựa trên các phương pháp sửa đổi và ứng dụng, vật liệu PET có thể được chia thành ba loại chính:

• APET: Vật liệu trong suốt, vô định hình chủ yếu được sử dụng làm hộp đựng bao bì thực phẩm
• RPET: PET tái chế, được xử lý thông qua hệ thống tái chế và mang lại sự thân thiện đặc biệt với môi trường
• PETG: PET kết hợp comonomer cyclohexanedimanol để cải thiện độ trong suốt và độ bền của quá trình xử lý

Nhựa PET đã trở thành một trong những loại nhựa kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Các ứng dụng của nó đã mở rộng từ các ứng dụng sợi tổng hợp ban đầu sang bao gồm bao bì, điện tử, vận tải và các lĩnh vực quan trọng khác. Năng lực sản xuất toàn cầu dự kiến ​​sẽ vượt 110 triệu tấn vào năm 2025.

Đặc tính cốt lõi của vật liệu PET

Sự phổ biến của PET trong ngành bắt nguồn từ sự kết hợp đặc biệt cân bằng các đặc tính của nó. Về tính chất cơ lý, PET thể hiện độ cứng cao, độ cứng cao và độ ổn định kích thước tuyệt vời. Độ bền uốn của nó có thể đạt 148-310 MPa và độ cứng Rockwell của nó đạt M90-95, thể hiện độ dẻo dai cao nhất trong số các loại nhựa nhiệt dẻo.

(1) Tính chất vật lý

Bảng 1: Các tính chất vật lý chính của PET

(2) Tính chất nhiệt

PET có thể chịu được việc sử dụng lâu dài ở nhiệt độ lên tới 120°C. Các phiên bản được gia cố thậm chí có thể chịu được ngâm trong bể hàn 250°C trong 10 giây mà không bị biến dạng. Khả năng chịu nhiệt này mang lại cho nó một lợi thế không thể thay thế trong lĩnh vực hàn điện tử. Đặc tính cách điện của nó cũng rất tuyệt vời, vẫn ổn định ngay cả trong môi trường nhiệt độ cao và tần số cao. Tuy nhiên, khả năng chống hào quang của nó tương đối hạn chế.

Tính ổn định hóa học

PET thể hiện khả năng chống chịu thời tiết và hóa chất tuyệt vời, có khả năng chống chịu tốt với axit yếu và dung môi hữu cơ. Tuy nhiên, nó dễ bị ăn mòn bởi các bazơ mạnh và việc ngâm lâu trong nước nóng cũng có thể dẫn đến suy giảm hiệu suất.

Phim PET – Phim Polyester định hướng hai chiều

Trong số nhiều dạng PET, màng polyester định hướng hai trục giữ một vị trí đặc biệt. Được sản xuất thông qua quy trình kéo dãn chính xác, loại màng này thường dày khoảng 0,012mm, sở hữu sức bền vật lý vượt trội.

Phân loại quy trình sản xuất

• Phim định hướng hai chiều: Phim hiệu suất cao được làm từ vật liệu “bóng” có độ tinh khiết cao, kéo dài theo cả chiều dọc và chiều ngang, chiếm lĩnh thị trường.
• Màng định hướng một trục: Vật liệu bán mờ có thêm titan dioxide chỉ được kéo dài theo hướng dọc. Chúng có chất lượng thấp hơn và tiết kiệm chi phí hơn, chủ yếu được sử dụng để đóng gói dược phẩm.

Hiệu suất vượt trội của màng BOPET bắt nguồn từ quy trình sản xuất độc đáo của nó. Đầu tiên màng được ép đùn thành tấm dày, vô định hình ở 280°C. Sau khi làm mát, nó bước vào giai đoạn kéo giãn: kéo dài khoảng 3 lần theo hướng dọc ở 86-87°C và 2,5-4 lần theo hướng ngang ở 100-120°C. Cuối cùng, nó được đặt ở 230-240°C. Quá trình này mang lại sự định hướng chuỗi phân tử ở mức độ cao, mang lại cho màng độ bền đặc biệt: độ bền kéo tương đương với kim loại, cùng với khả năng chống mài mòn, chống gấp và chống rách tuyệt vời. Nó có độ co nhiệt tối thiểu, độ truyền ánh sáng >90% và bề mặt giống như gương.

Bảng 2: Phân loại và ứng dụng màng PET theo ứng dụng

Ứng dụng vật liệu PET

Phạm vi ứng dụng của PET thật đáng kinh ngạc, bao trùm gần như mọi lĩnh vực then chốt của ngành công nghiệp hiện đại.

• Công nghiệp đóng gói: 70% sản lượng PET toàn cầu được sử dụng để đóng gói. Chai nước giải khát có ga và nước khoáng là những ứng dụng lớn nhất của nó, với các ứng dụng mở rộng sang chai dầu ăn, chai gia vị và chai dược phẩm. Chai PET 500ml chỉ nặng khoảng 18 gram, nhẹ hơn 80% so với chai thủy tinh nhưng có thể chịu được áp suất bên trong lên tới 150 psi. Màng bao bì thực phẩm tận dụng khả năng rào cản oxy cao và đặc tính hiển thị trong suốt.
• Trong lĩnh vực điện và điện tử: Khả năng cách nhiệt và chịu nhiệt tuyệt vời của PET được sử dụng để sản xuất các loại màng cách điện, tụ điện và bảng mạch linh hoạt. Màng cấp điện có thể được điều khiển chính xác đến độ dày từ 3,5 đến 125 μm, với điện áp đánh thủng vượt quá 5 kV. PET gia cố được sử dụng để sản xuất các linh kiện điện tử chịu nhiệt độ cao như đầu nối và cuộn dây máy biến áp.
• Trong ngành dệt may: Sợi PET chiếm hơn 50% sản lượng sợi tổng hợp toàn cầu, độ bền và khả năng chống nhăn cao đã làm thay đổi ngành dệt may.
• Trong ngành công nghiệp ô tô: PET gia cố được sử dụng để sản xuất các linh kiện như đui đèn, vỏ tổng đài, van, thay thế kim loại để giảm nhẹ.
• Trong các ứng dụng đặc biệt: Phim bảo vệ PET có độ nhớt cao được sử dụng để bảo vệ bề mặt của tấm nền LCD và màn hình cảm ứng, mang lại khả năng chống trầy xước tuyệt vời ở độ dày chỉ 0,05-0,1 mm. Độ ổn định kích thước và độ trong suốt của nó cũng được sử dụng trong chất nền màng cảm quang. Màng nhôm phủ chân không được sử dụng cho mục đích trang trí và sản xuất tụ điện.

Nhựa kỹ thuật PET thể hiện sự thâm nhập rộng rãi trên nhiều ngành công nghiệp: điện và điện tử 26%, ô tô 22%, máy móc 19% và nhu yếu phẩm hàng ngày 10%. Mặc dù nhựa kỹ thuật chỉ chiếm 1,6% tổng thị trường PET nhưng chúng lại sở hữu hàm lượng công nghệ và giá trị gia tăng cao nhất.

Quy trình sản xuất PET

Việc sản xuất các sản phẩm PET là một quy trình cơ nhiệt chính xác đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ cực kỳ nghiêm ngặt.

(1) Ép phun

Được sử dụng cho các sản phẩm như phôi chai và linh kiện điện tử. Nhiệt độ thùng được kiểm soát theo các giai đoạn: phần sau (250-270°C), phần giữa (265-275°C), phần trước (270-275°C) và vòi phun (280-295°C). Nhiệt độ khuôn được duy trì trong khoảng 30-85°C, với áp suất ngược 5-15 kg/cm2. Nguyên liệu thô phải được sấy khô trước ở nhiệt độ 120-140°C trong 2-5 giờ để tránh đứt gãy chuỗi phân tử do thủy phân.

Quá trình phim định hướng hai chiều

• Làm khô trước và ép đùn: Sau khi hút ẩm, màng cắt lát được ép thành tấm dày ở nhiệt độ 280°C.
• Làm mát nhanh: Làm mát nhanh thông qua trống làm mát hoặc chất làm mát duy trì trạng thái vô định hình.
• Kéo dài hai trục: Kéo dài theo chiều dọc (86-87°C, tỷ lệ kéo dài ≈ 3x) → Kéo dài ngang (100-120°C, tỷ lệ kéo dài 2,5-4,0x).
• Cài đặt nhiệt: Giảm ứng suất bên trong ở 230-240°C để cải thiện độ ổn định kích thước.

(2) Đúc thổi

Chủ yếu được sử dụng để sản xuất chai rỗng. Mẫu phôi được làm nóng lại đến trên nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh và sau đó được thổi thành hình bằng khí áp suất cao. Quá trình này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác sự phân bố nhiệt độ và áp suất thổi để đảm bảo độ dày thành chai đồng đều.

(3) Đùn

Sản xuất các cấu hình liên tục như tấm và ống. Các tấm dày được ép đùn thông qua khuôn chữ T để tạo hình nhiệt tiếp theo hoặc được ép trực tiếp thành tấm để đóng gói. Phạm vi kiểm soát nhiệt độ tương tự như ép phun, nhưng phương pháp làm mát đa dạng hơn.

(4) Công nghệ xử lý thứ cấp
bao gồm lớp phủ, kim loại hóa chân không, in và hàn, tiếp tục mở rộng ranh giới ứng dụng của PET.

Những thách thức bền vững và tương lai

Dấu chân môi trường của vật liệu PET là mối quan tâm ngày càng tăng. PET truyền thống dựa vào nguyên liệu thô từ dầu mỏ và mất hơn 400 năm để phân hủy một cách tự nhiên. Trong khi tỷ lệ tái chế chai PET toàn cầu là khoảng 58%, một lượng chất thải đáng kể vẫn đi vào môi trường.

(1)Đổi mới công nghệ đang thúc đẩy chuyển đổi xanh

• Tái chế cơ học bao gồm việc băm nhỏ và làm sạch các chai PET đã qua sử dụng, sau đó nấu chảy và tạo thành dạng viên để sử dụng trong bao bì tiếp xúc với chất xơ hoặc phi thực phẩm.
• Quá trình khử polyme hóa học làm giảm PET thành các monome của nó, sau đó được tái polyme hóa để tạo ra rPET cấp thực phẩm.
• PET dựa trên sinh học sử dụng nguyên liệu sinh khối để thay thế dầu mỏ. Ví dụ, PlantBottle của Coca-Cola sử dụng ethanol từ mía để sản xuất ethylene glycol, giúp giảm 30% lượng khí thải carbon.

(2) Đi đầu về hiệu suất vật chất

PET biến đổi nano, bằng cách thêm các hạt vô cơ 1-100nm, mang lại các chức năng mới như đặc tính kháng khuẩn và rào cản cao trong khi vẫn duy trì độ trong suốt cao. Copolyester có thể phân hủy được tăng cường thông qua thiết kế phân tử để cải thiện tính thân thiện với môi trường. Hợp kim hiệu suất cao đang được kết hợp với các vật liệu như PC và PA để nâng giới hạn hiệu suất của các vật liệu đơn lẻ.

Với sự gia tăng nhu cầu về rPET cấp thực phẩm, việc thương mại hóa các công nghệ tái chế “từ chai sang chai” tiên tiến đang tăng tốc. Thị trường PET toàn cầu được dự đoán sẽ đạt 62 tỷ USD vào năm 2030, trong đó rPET cấp thực phẩm đã có giá cao hơn 50% so với nhựa nguyên chất.

Từ chai nước giải khát nhẹ nhưng bền đến màng tụ điện cỡ micron, từ quần áo hàng ngày đến linh kiện chịu nhiệt trong khoang động cơ ô tô, PET, một vật liệu đa năng, đã trở nên hòa nhập sâu sắc vào cuộc sống hiện đại. Nó tạo ra sự cân bằng phức tạp giữa hiệu suất và chi phí, tính minh bạch và độ bền, độ cứng và độ dẻo dai, khiến nó trở thành trụ cột trong cuộc cách mạng bao bì.

Với những đột phá trong công nghệ tái chế và đổi mới về vật liệu dựa trên sinh học, loại polymer sinh ra trong phòng thí nghiệm này đang khám phá những khả năng mới để phát triển bền vững. Câu chuyện của nó còn lâu mới kết thúc—trong thập kỷ tới, công nghệ PET sẽ tiếp tục xác định lại ranh giới của ngành công nghiệp và cuộc sống, tập trung vào cả sự thân thiện với môi trường và hiệu suất cao.