Термопластичные полиэфиры, полиэтилентерефталат (ПЭТ)

Термопластичные полиэфиры, полиэтилентерефталат (ПЭТ)

ПЭТ

Класс

История

Полимеризация

Применение

Преимущества/Недостатки

Формы полимеров

Требования к работе

Конечные свойства, чувствительные к процессу обработки

Усадки


 

ПЭТ

Широко используемым полимерным материалом является полиэтилентерефталат (ПЭТ). ПЭТ является термопластичным полиэфиром. Использование ПЭТ очень быстро растет в области производства упаковки, текстильной промышленности, аудио и видеопленках, технических применениях полимеров, в электротехнике (изоляция кабеля, производство пленочных конденсаторов и т.д.). Хотя ПЭТ является гомополимером, семейство термопластичных полиэфиров также включает в себя сополимеры.

Класс

  ПЭТ является конденсационным полимером, это означает, что процесс полимеризации включает в себя удаление воды. Фенольные смолы, полиамиды и полиэфиры – все это примеры продуктов, образующихся в результате данного типа реакции.

История

 Гомополимер ПЭТ образуется при реакции одной кислоты, такой как терефталевая кислота, с этиленгликолем. Однако, когда часть кислоты заменяется другой кислотой, или часть диола заменяется другим диолом, образуется сополимер. 

Открытие ПЭТ было запатентовано в 1941 году Джоном Рексом Винфильдом и Джеймсом Теннантом Диксоном. Полимер стали производить на продажу в 1953 году в виде текстильного волокна, а вскоре после этого в форме пленки. Двуосно-ориентированная пленка был введена на рынок «Империал Кемикалз Индастриз Лтд» в начале 1950 годов.

Первоначально ПЭТ считался неподходящим полимером для термопластичного формования из-за хрупкости толстых сечений, которые кристаллизовались после расплавления. Однако в 1966 году были введены марки ПЭТ, которые оказались подходящими для литьевого формования и экструзии. Используемые сейчас материалы из ПЭТ славятся своими механическими, химическими, электрическими свойствами и своей необычной способностью существовать как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии. Способность кристаллизоваться находится в пределах от 0 до 60 %.

Степень кристаллообразования полимера влияет на некоторые из его свойств, в том числе на химическую резистентность, способность образования волокон, термостабильность и гидрофильность. 

Одним из самых важных открытий современной технологии пластиков, случившееся в конце 1960 годов стало использование ПЭТ для бутылок с газированными напитками. Растягивающее выдувноее формование (stretch blowing) обеспечивает необходимые прочность и прозрачность, необходимые для такого применения. Во время растягивающего формования с выдувом вначале методом литьевого формования получают преформу. Затем она помещается на оправку в кварцевую нагретую печь. Преформа нагревается чуть выше точки стеклования (Ts) и растягивается в несколько раз отностиельно своей первоначальной длины после того, как начинает поступать воздух, чтобы раздуть преформу во контурам выдувной формы. 

К более поздним разработкам относятся использование усиленных и ослабленных составов ПЭТ для продуктов, получаемых с помощью литьевого формования или экструзии. Эти составы содержат такие добавки, как стекло и другие минералы, добавки, придающие огнестойкость, ударопрочность, красители и стабилизаторы. 

В последние годы все более важными становятся сополимеры ПЭТ. Один из видов сополимеров получают с помощью замены части терефталевой кислоты в ПЭТ на изофталевую кислоту. При другом типе часть диола, этиленгликоля, заменяют на 1,4-циклогександиметанол. 

Для сополимеров ПЭТ характерны более низкие точки плавления. Некоторые из таких сополимеров являются полностью аморфными (как сополимер PETG®) или полностью кристаллическими. Это свойство позволяет обрабатывать ПЭТ при более низких температурах, что сводит к минимуму вероятность разрыва молекул полимера и получающиеся в результате этого потери свойств готового изделия.

Полимеризация

ПЭТ гомополимер производят с помощью реакции этиленгликоля с терефталевой кислотой или диметилтерефталатом. Примерно 0,16 кг этиленгликоля и 0,4 кг терефталевой кислоты (или 0.6кг DMT) используется для производства 0,45 кг ПЭТ. 

Полимеризация проходит в две стадии. На первой стадии образуется форполимер благодаря нагреванию реакционной смеси и удалению летучих побочных продуктов и избытка гликоля. На второй стадии применяют нагревание и вакуум, чтобы повысить молекулярный вес вместе с сопутствующим удалением таких летучих продуктов, как вода и гликоль. Полимер очень высокого молекулярного веса, как например тот, который используется в бутылках или автопокрышках, получают с помощью второй стадии –- стадии полимеризации твердого состояния –- там, где полимер нагревают в вакууме или потоке инертного газа до температуры примерно на 30 ° С ниже, чем точка плавления кристаллов. 

В процессе производства молекулярный вес и состав полимера может варьироватся. Молекулярный вес обычно указывают в виде внутренней вязкости (Intrinsic Viscosity, IV). IV для ПЭТ является показателем вязкости плавления и появившихся в результате этого физических свойств конечного продукта. При добавлении одного или более со-мономера могут быть получены значительные изменения таких свойств, как точка размягчения, скорость кристаллизации, температура стеклования, пластичность и твердость. 

Гомополимер ПЭТ и некоторые из его модификаций сополимеров более низкой степени известны как кристаллизующиеся полимеры. Когда их держат в течение определенного периода времени в диапазоне заданной температуры выше их Ts, равных 80 ° С, они будут быстро кристаллизоваться. Максимальная скорость кристаллизации происходит в температурном ряду от 140 до 190 ° С; точка плавления равна примерно 254 ° С. Скорость кристаллизации может быть снижена с помощью химической модификации. Достаточная степень модификации (сополимеризации) ПЭТ с дополнительным количеством гликоля (или кислоты) может привести к полимеру, который не будет кристаллизоваться. Обычно считается, что такие полимеры обладают «аморфной» молекулярной структурой. 

ПЭТ славится своей прозрачностью и твердостью, когда он используется для производства ориентированной пленки или бутылок, растянутых методом раздува. Он также имеет хорошие барьерные свойства для таких газов, как кислород и углекислый газ. Для производства продукта с помощью литьевого формования с высокой терморезистенстностью и высокой жесткостью, ПЭТ может быть усилен с помощью стеклянных волокон Резистентность ПЭТ к химическим веществам и растворителям сильно повышается, когда возрастает кристалличность полимера.

Применение

ПЭТ находит применения в таких разнообразных конечных продуктах, как бутылки, волокна для производства тканей, сосуды для пищевых продуктов и технические пластики, детали повышенной точности при изготовлении методом литья под давлением (за счет более низких усадок чем у ряда других полимеров). Широкий ряд применений возможен благодаря исключительному балансу возможностей ПЭТ и тому, что в готовом изделии степень кристалличности и уровень ориентации можно контролировать.

Преимущества/Недостатки

Как уже указывалось выше, ПЭТ является универсальным пластиком благодаря его исключительным физическим свойствам и тому, что его можно обратить и в аморфные и в полукристаллические продукты. При обработке соответствующим образом можно изготовить из ПЭТ ориентированные и кристаллизованные изделия, которые все еще будут обладать исключительной прозрачностью. Замечательная стабильность в размерах может быть получена в пленках ПЭТ при контролировании ориентации и с помощью отверждения при нагреве. Немногие иные материалы предлагают такой диапазон разнообразия свойств и возможностей обработки. ПЭТ используется в упаковке, потому что сочетает оптимальные технологические, механические и барьерные свойства. 

Было обнаружено, что барьерные свойства ПЭТ подходят для задержания углекислого газа при упаковке газированных напитков. Хорошие барьерные свойства ПЭТ для кислорода позволяют использовать его для многих типов пищевых контейнеров. Однако барьерные свойства ПЭТ недостаточны для упаковки пива и определенных пищевых продуктов, которые высоко чувствительны к кислороду.

Гомополимер ПЭТ вначале производится с помощью литьевого формования в виде кристаллизованного усиленного материала. К применениям ПЭТ со стекло –усилением относятся электрические коннекторы, детали корпуса автомобилей и другие использования, при которых изделие не подвергается высоким температурам. 

Гомополимер ПЭТ обычно не применим для аморфных деталей (прозрачных), получаемых с помощью литейного формования, из-за его способности кристаллизоваться, если использование включает в себя толстые сечения, и при этом детали подвергаются температурам выше их Ts. Для прозрачных формовок более подходят сополимеры ПЭТ. К обычному литьевому формованию, используемому для сополимеров, относится производство медицинских приборов, игрушек и косметических баночек. 

Формы полимеров

 Термопластичные полиэфирные полимеры производятся и поставляются обычно в виде цилиндрических или кубических гранул диаметром от 1,6 до 3.2мм.

Требования к работе

 Как гомополимеры, так и сополимеры должны быть подвергнуты сушке перед использованием. Абсорбентные осушители, разработанные для термопластичных полиэфиров, могут быть использованы для снижения содержания влажности до желаемой (0,005%) или ниже. Обработка при более высоких уровнях влажности приведет к потере молекулярного веса полимера и других физических свойств. 

Ацетальдегид (АА), продукт термической деструкции, особенно нежелателен при использовании ПЭТ в емкостях для газированных напитков.  Следовательно, при производстве ПЭТ бутылок особенно важно свести к минимуму количество образующегося АА с помощью тщательного контролирования условий литья преформ и выдува бутылок. 

Отходы ПЭТ, получающиеся в процессе обработки, могут быть повторно размолоты, высушены вместе с неиспользованным материалом и отправлены переработаны вторично. Количество вторчного материала обычно не должно превышать 10%. 

Аморфный сополиэфир PETG должен быть высушен при температуре ниже точки стеклования, равной 80° С. Он может быть обработан с помощью литьевого формования при температурах от 216 до 224° С.

Конечные свойства, чувствительные к процессу обработки

  На свойства полиэфирных деталей в очень значительной степени может повлиять используемый для их получения метод обработки. Существуют три способа изменить свойства ПЭТ: контролировать кристалличность, двухосевую ориентацию и отверждение при нагреве. Все эти переменные зависят друг от друга. Например, двухосевая ориентация приводит к некоторому повышению степени кристалличности в производимом изделии. 

Пленки ПЭТ, которые закаливают после прессования, остаются аморфными и прозрачными, потому что кристалличность контролируется и доводится до низкого уровня с помощью быстрого охлаждения. Если аморфная пленка или лист сформованы вакуумом и быстро охлаждены, то изделие останется по большей части аморфным. При помещении же листа в разогретую форму на несколько секунд при 177° С, изделия будут кристаллизоваться и приобретут белый цвет, иногда с желтым оттенком. Это является преимуществом, так как аморфное изделие будет деформироваться выше его Ts , равной приблизительно 80° С; однако, кристаллизованное изделие может быть использовано в печи без деформации при температурах, приближающихся к точке плавления его кристаллов в 253° С.  Такие изделия, например лотки, используются для упаковки пищевых продуктов, могут быть помещены прямо в традиционную духовку или микроволновую печь для разогревания.

Физические свойства ПЭТ пленки и бутылок можно значительно изменить с помощью процесса двухосевой ориентации. Так как способные к кристаллизации материалы подобно ПЭТ гомополимерам растягивают, то их прочность на разрыв и модули пропорционально возрастают до тех пор, пока не начинается вызванная напряжением кристаллизация. Благодаря этому процессу получается двухосевая ориентированная пленка и бутылки для безалкогольных напитков с исключительными физическими и газобарьерными свойствами. Эти свойства, для которых характерны высокая прочность на разрыв и на изгибание, позволяют упаковывать газированные напитки при давлениях приблизительно равных 0,4 МПа. 

ПЭТ пленка или бутылки, сделанные таким образом, обладают памятью. Если изделие повторно нагревается ниже ее температуры стеклования, то встроенное напряжение, или память, приведет к тому, что она начнет сжиматься. Для того, чтобы изготовить продукт, который годится для высокотемпературного использования, необходимо провести отверждение нагреванием, повысив температуру приблизительно до 204° С, одновременно вновь подвергая изделие напряжению, чтобы предотвратить сжимание. Тепловое отверждение ПЭТ пленок практикуется более широко, чем тепловое отверждение бутылок. Однако в последнее время достаточно широко практикуется отверждение (кристаллизация) резьбовых частей преформы чтобы избежать их деформацию при высокотемпературном наполнении с быстрой укупоркой пробкой.

Существует много потенциальных возможностей применения ПЭТ для упаковки пищевых продуктов, когда упаковка происходит в контейнер или пока он еще горячий, или контейнер пастеризуется после добавления пищи. Соответствующее тепловое отверждение позволяет использовать ПЭТ для таких применений.

Усадки 

  Толщина
Материал  ПЭТ

 

 

 

В направлении усилия
1,5 мм 3 мм 6 мм
0,003-0,004 0,003-0,005 0,003-0,006
Перпендикулярно направлению усилия
0,003-0,004 0,003-0,005 0,003-0,006
 

Поиск

Поиск

хостинг:      Профессиональный хостинг - Active Technologies