materie prime PET

Materie prime PET: materiali in poliestere ad alte prestazioni e le loro diverse applicazioni

Il polietilene tereftalato (PET) è un poliestere aromatico lineare prodotto dalla reazione di condensazione di acido tereftalico e glicole etilenico. Essendo una delle cinque materie plastiche ingegneristiche generali, il PET è diventato un materiale polimerico indispensabile nell'industria moderna fin dalla sua produzione industriale negli anni '40, grazie alle sue eccellenti prestazioni complete, all'ampia gamma di materie prime disponibili e ai processi di produzione consolidati. Dalle bottiglie d'acqua minerale per uso quotidiano agli indumenti in poliestere, dai film per imballaggio alimentare ai componenti per autoveicoli, il PET si è diffuso in diversi settori produttivi e della vita quotidiana grazie ai suoi vantaggi unici, promuovendo lo sviluppo sostenibile dell'industria dei materiali.

1. Struttura molecolare e caratteristiche principali del PET

La struttura molecolare del PET è il fattore fondamentale che ne determina le prestazioni. La sua unità ripetitiva è OC-C₆H₄-COO-CH₂CH₂-, e la catena molecolare contiene anelli benzenici rigidi e segmenti metilenici flessibili. Questa struttura conferisce al PET rigidità e un certo grado di tenacità.

In termini di proprietà meccaniche, il PET presenta un'elevata resistenza alla trazione e un modulo elastico elevato, un allungamento a rottura moderato e una migliore resistenza agli urti rispetto a plastiche fragili come il polistirene. Il PET non trattato presenta una buona rigidità e, dopo il trattamento di stiramento biassiale, la sua resistenza può essere notevolmente migliorata. Ad esempio, la resistenza alla trazione del film di PET stirato biassialmente può raggiungere i 150-200 MPa, pari a circa 1/10 di quella dell'acciaio. Questa elevata resistenza lo rende ideale per l'impiego in materiali strutturali e per l'imballaggio.

In termini di prestazioni termiche, la temperatura di transizione vetrosa del PET è di circa 70-80 °C, con un punto di fusione compreso tra 240 e 260 °C. La temperatura di utilizzo a breve termine può raggiungere i 120 °C, mentre quella di utilizzo a lungo termine è di 80-100 °C, il che soddisfa i requisiti di temperatura della maggior parte degli scenari quotidiani e industriali. Tuttavia, la temperatura di deformazione termica del PET è relativamente bassa e il materiale è soggetto a deformazioni ad alte temperature sotto stress. Pertanto, il PET puro viene utilizzato principalmente in scenari non portanti o a basso carico ad alta temperatura. Per migliorare la resistenza al calore, è necessario ottenerla attraverso modifiche avanzate.

Le prestazioni barriera sono uno dei principali vantaggi del PET, che possiede un buon effetto barriera su ossigeno, anidride carbonica, vapore acqueo, ecc. e può ritardare efficacemente il deterioramento dovuto all'ossidazione e la perdita di umidità del contenuto. Soprattutto per il PET per bottiglie, dopo il processo di stiramento biassiale, la disposizione delle catene molecolari risulta più regolare e le proprietà barriera risultano ulteriormente migliorate, rendendolo il materiale preferito per il confezionamento di bevande, alimenti, cosmetici, ecc. Ad esempio, le bottiglie per bevande gassate devono resistere a una certa pressione interna e le proprietà barriera del PET possono prevenire efficacemente la fuoriuscita di anidride carbonica.

In termini di resistenza chimica, il PET ha una buona tolleranza alla maggior parte dei solventi organici, acidi e basi, e non si corrode facilmente a temperatura ambiente. Tuttavia, in condizioni fortemente alcaline o ad alte temperature, possono verificarsi reazioni di idrolisi. Questa caratteristica lo rende adatto alla conservazione di bevande acide (come i succhi di frutta), acqua neutra, ecc., ma non alla conservazione a lungo termine di liquidi fortemente alcalini.

Inoltre, il PET ha un'ottima trasparenza e lucentezza, con una trasmissione della luce superiore al 90% dopo la lavorazione, che consente di visualizzare chiaramente il contenuto e migliorare l'aspetto visivo del prodotto; allo stesso tempo, il PET è facile da lavorare e può essere trasformato in vari tipi di prodotti, come bottiglie, pellicole, fogli, fibre, ecc., tramite stampaggio a iniezione, stampaggio a soffiaggio, estrusione e altri processi.

2、 Processo di produzione e fonti di materie prime del PET

La produzione industriale di PET utilizza principalmente acido tereftalico (PTA) e glicole etilenico (EG) come materie prime, generate tramite reazione di condensazione. Il processo produttivo ha sviluppato un sistema tecnico maturo e stabile, il cui obiettivo principale è il controllo preciso del processo di polimerizzazione per ottenere prodotti con proprietà specifiche.

Per quanto riguarda le fonti di materie prime, l'acido tereftalico (PTA) viene prodotto principalmente attraverso l'ossidazione dello xilene (PX), derivante dall'estrazione di idrocarburi aromatici nella raffinazione del petrolio; il glicole etilenico (EG) viene prodotto principalmente dall'ossidazione dell'etilene per produrre epossietano, che viene poi idratato. L'etilene proviene anche dal cracking del petrolio o del gas naturale. Con la crescente domanda di tutela ambientale e sviluppo sostenibile, sono stati compiuti progressi nella ricerca e nello sviluppo di materie prime di origine biologica. Il glicole etilenico di origine biologica può essere prodotto attraverso la fermentazione della biomassa e successivamente polimerizzato con PTA per produrre PET di origine biologica, riducendo la dipendenza dalle risorse fossili.

Il processo di produzione del PET comprende principalmente due fasi principali: esterificazione e condensazione. A seconda della scala di produzione e della domanda di prodotto, può essere suddiviso in due processi: polimerizzazione a lotti e polimerizzazione in continuo.

La fase di esterificazione prevede la reazione di esterificazione tra PTA ed EG ad alta temperatura e pressione, con conseguente formazione di diidrossietil tereftalato (BHET) e acqua. La temperatura di reazione è solitamente controllata a 220-260 °C e la pressione è di 0,2-0,5 MPa, e la reazione è accelerata da catalizzatori come quelli all'antimonio e al titanio. La reazione di esterificazione è reversibile e l'acqua generata deve essere rimossa tempestivamente per promuovere la reazione diretta e garantire che il tasso di esterificazione superi il 95%.

La fase di condensazione avviene quando il BHET subisce una reazione di condensazione a temperature più elevate e in condizioni di vuoto, rimuovendo il glicole etilenico e formando catene polimeriche di PET. La temperatura di reazione viene aumentata a 270-290 °C e la pressione viene ridotta a meno di 100 Pa. I prodotti a piccole molecole (glicole etilenico) vengono rimossi attraverso un ambiente sotto vuoto per promuovere la crescita delle catene molecolari. Il tempo e i parametri di processo della reazione di condensazione influenzano direttamente il peso molecolare e la distribuzione del peso molecolare del PET, determinando così le prestazioni del prodotto. Il processo di polimerizzazione continua consente una produzione continua attraverso reattori a più serie, il che offre i vantaggi di un'elevata efficienza produttiva e di una qualità del prodotto stabile, ed è adatto alla produzione industriale su larga scala; la polimerizzazione intermittente offre un'elevata flessibilità ed è adatta alla produzione su piccola scala e multi-varietà.

Una volta completata la reazione di polimerizzazione, il PET fuso viene colato e tagliato in fette di PET, che costituiscono la materia prima solida. Le fette devono essere essiccate per rimuovere l'umidità (il contenuto di umidità deve essere inferiore allo 0,005%), al fine di evitare una diminuzione del peso molecolare dovuta all'idrolisi durante la successiva lavorazione. A seconda dei requisiti applicativi, la viscosità intrinseca (valore IV) delle fette di PET può essere controllata regolando i parametri di processo. Il valore IV delle fette di PET per bottiglie è solitamente compreso tra 0,7 e 0,8 dL/g, quello per membrane tra 0,6 e 0,7 dL/g e quello per fibre tra 0,6 e 0,9 dL/g.

La modifica tramite copolimerizzazione è un importante mezzo per ampliare la gamma di prestazioni del PET. Introducendo monomeri terzi (come cicloesandimetanolo e acido isoftalico) durante il processo di polimerizzazione, la struttura della catena molecolare può essere modificata per ottenere prodotti in PET modificati. Ad esempio, il PET viene copolimerizzato con cicloesandimetanolo per produrre PETG, che ne migliora significativamente la flessibilità, la resistenza all'impatto e la lavorabilità, rendendolo adatto per imballaggi ad alta trasparenza e dispositivi medici; l'aggiunta di acido isoftalico può ridurre la cristallinità del PET, migliorandone le prestazioni di lavorazione e la resistenza chimica.

3、 Classificazione e differenze di prestazioni del PET

In base al campo di applicazione e ai requisiti prestazionali, il PET può essere suddiviso in quattro categorie: PET per bottiglie, PET per film, PET per fibre e PET per applicazioni ingegneristiche. I diversi tipi di PET presentano differenze significative in termini di peso molecolare, cristallinità, prestazioni di lavorazione, ecc., per soddisfare le esigenze di diversi scenari.

Il PET per bottiglie è la varietà di PET più prodotta e viene utilizzato principalmente per la produzione di diverse bottiglie di plastica. Presenta un'elevata viscosità intrinseca (0,7-0,8 dL/g), un'eccellente trasparenza, resistenza meccanica e proprietà barriera, oltre a un'eccezionale resistenza agli urti e alla pressione interna. Per soddisfare i requisiti dello stampaggio a soffiaggio, i trucioli di PET per bottiglie devono presentare una buona fluidità del fuso e stabilità di lavorazione. Dopo lo stampaggio a iniezione in preforme, vengono trasformati in bottiglie tramite la tecnologia di stampaggio a soffiaggio con stiramento biassiale. Il processo di stiramento orienta le catene molecolari, migliorando ulteriormente la resistenza e le proprietà barriera. Il PET per bottiglie può essere suddiviso in PET per bottiglie d'acqua, PET per bevande gassate, PET per riempimento a caldo, ecc. A seconda delle applicazioni, il PET per riempimento a caldo può migliorare la sua resistenza al calore attraverso la modifica della copolimerizzazione e può resistere a processi di riempimento a caldo a 85-95 °C.

Il PET di grado film viene utilizzato principalmente per la produzione di vari prodotti a film sottile, con una viscosità intrinseca leggermente inferiore rispetto al grado bottiglia (0,6-0,7 dL/g) e presenta buone proprietà meccaniche, resistenza al calore e isolamento. Il film di PET viene prodotto mediante estrusione o processo di stiramento biassiale. Dopo lo stiramento longitudinale e trasversale, la resistenza, la trasparenza e le proprietà barriera del film di PET biassiale (BOPET) risultano notevolmente migliorate. È ampiamente utilizzato in film per imballaggio alimentare (come i sacchetti per la cottura a vapore), film isolanti (come i film per condensatori), film di protezione per schede, film per backsheet fotovoltaici, ecc. Il PET di grado film può migliorare le prestazioni del film aggiungendo lubrificanti, agenti antiadesione, ecc., ad esempio riducendo il coefficiente di attrito per facilitare l'avvolgimento e la lavorazione.

Il PET di grado fibra è la materia prima principale nel settore tessile, in particolare il poliestere (fibra di poliestere), con un'ampia gamma di viscosità intrinseca (0,6-0,9 dL/g) e i cui parametri vengono regolati in base alla varietà di fibra (filamento, fiocco). Il PET di grado fibra viene trasformato in fibre di poliestere tramite un processo di filatura a fusione, che offre i vantaggi di elevata resistenza, resistenza all'usura, resistenza alle pieghe e facilità di lavaggio. È ampiamente utilizzato nell'abbigliamento, nei tessuti per la casa e nei tessuti industriali (come geotessili e tessuti filtranti). Regolando il processo di filatura, è possibile produrre fibre di poliestere con proprietà diverse, come fibre ad alta resistenza e basso allungamento per uso industriale e fibre ultrafini per tessuti di alta gamma.

Il PET di grado ingegneristico è un PET ad alte prestazioni ottenuto tramite rinforzo, tempra e altri trattamenti di modifica, utilizzato principalmente per sostituire metalli o altri materiali plastici ingegneristici nella produzione di componenti strutturali. L'aggiunta di materiali di rinforzo come fibra di vetro e fibra di carbonio consente di migliorare significativamente la resistenza, la rigidità e la resistenza al calore del PET. La resistenza alla trazione del PET rinforzato con fibra di vetro può superare i 150 MPa e la temperatura di deformazione termica può superare i 200 °C. È adatto per componenti automobilistici (come maniglie delle portiere, cruscotti), involucri elettronici ed elettrici, parti meccaniche, ecc. Il PET di grado ingegneristico può anche migliorare le sue prestazioni di resistenza all'impatto aggiungendo agenti di tempra (come elastomeri) o ritardanti di fiamma per soddisfare i requisiti di protezione antincendio.

4、 Le diverse aree di applicazione del PET

Il PET, grazie alle sue eccellenti prestazioni complessive e ai diversi metodi di lavorazione, è stato ampiamente utilizzato in vari settori, quali l'imballaggio, il tessile, l'elettronica, l'automobile e l'edilizia, diventando un materiale indispensabile nell'industria moderna e nella vita quotidiana.

Il settore del packaging è uno dei più utilizzati per il PET, con il PET per bottiglie a dominare. Nel packaging delle bevande, le bottiglie in PET sono diventate il contenitore preferito per acqua minerale, bevande gassate, succhi di frutta, tè, ecc. grazie alla loro trasparenza, leggerezza, resistenza agli urti e buone proprietà barriera. Ogni anno vengono prodotte oltre 500 miliardi di bottiglie in PET in tutto il mondo. Le bottiglie in PET riducono costantemente il consumo di materiali grazie al design leggero, pur mantenendo un'ottima riciclabilità, promuovendo lo sviluppo dell'economia circolare. Nel packaging alimentare, il film BOPET viene utilizzato per realizzare sacchetti per la cottura e film per il confezionamento sottovuoto, che possono resistere alla sterilizzazione ad alta temperatura a 121 °C e prolungare la durata di conservazione degli alimenti; i fogli di PET vengono termoformati in scatole sottovuoto per il confezionamento di carne, frutta, dolci, ecc., che offrono sia trasparenza che protezione.

Nell'industria tessile, le fibre di poliestere ricavate dal PET di grado fibra sono le fibre sintetiche più diffuse, rappresentando oltre il 60% della produzione globale di fibre. Il filamento di poliestere viene utilizzato per realizzare tessuti per abbigliamento come camicie, abiti e abbigliamento sportivo, e presenta le seguenti caratteristiche: rigidità e facilità di manutenzione. Miscelando fibre di poliestere in fiocco con fibre naturali come cotone e lana, si migliora la resistenza all'usura e il mantenimento della forma del tessuto. La fibra di poliestere industriale viene utilizzata per realizzare geotessili (per rinforzare il terreno), materiali filtranti (come i filtri dell'aria), cinture di sicurezza, tende, ecc. La sua elevata resistenza e resistenza agli agenti atmosferici soddisfano le esigenze industriali.

Nel campo degli apparecchi elettronici, il film di PET svolge un ruolo importante. Il film BOPET viene utilizzato per realizzare film per condensatori, film isolanti per motori, substrati flessibili per circuiti stampati, ecc., grazie alle sue eccellenti prestazioni isolanti e alla resistenza al calore; i fogli di PET vengono stampati e stampati per realizzare pannelli decorativi, targhette e altri dispositivi elettronici. Dopo la modifica, il PET di qualità ingegneristica viene utilizzato per realizzare componenti come connettori, alloggiamenti per interruttori, supporti per display, ecc., che offrono sia isolamento che resistenza meccanica.

Nell'industria automobilistica, il PET di grado ingegneristico viene rinforzato e modificato per la produzione di componenti interni (come cruscotti e pannelli porta), componenti esterni (come gli alloggiamenti degli specchietti retrovisori) e componenti funzionali (come le griglie del radiatore). La sua leggerezza può ridurre il consumo di carburante e la sua resistenza chimica e agli agenti atmosferici soddisfa le esigenze a lungo termine dell'uso automobilistico. Il PET viene utilizzato anche per l'isolamento di cablaggi elettrici, tessuti per sedili (tessuti in poliestere), ecc., ampliando ulteriormente il suo campo di applicazione nel settore automobilistico.

Nel campo dell'architettura, il materiale PET viene utilizzato per produrre materiali isolanti termici (come il cotone isolante in PET), membrane impermeabilizzanti, pellicole decorative, ecc. Il cotone isolante in PET ha le caratteristiche di leggerezza, ignifugo e buon effetto isolante ed è adatto per l'isolamento delle pareti esterne degli edifici; la membrana impermeabilizzante in PET è resistente all'invecchiamento e alla perforazione, utilizzata per progetti di impermeabilizzazione di tetti e seminterrati; la pellicola decorativa in PET viene applicata sulla superficie del pannello per migliorarne l'estetica e la resistenza all'usura.

Inoltre, il PET viene utilizzato in campo medico per realizzare flaconi per infusione, involucri per siringhe, ecc. La sua stabilità chimica e igienica soddisfano gli standard medici. Nel campo della stampa 3D, il filo di PET viene utilizzato per la tecnologia di stampa FDM per produrre modelli e parti ad alta resistenza.

5. Tendenze di sviluppo e tutela ambientale del PET

Con la crescente consapevolezza globale della tutela ambientale, la sostenibilità ambientale e lo sviluppo sostenibile del PET sono diventati obiettivi prioritari del settore. Le sue tecnologie di riciclo e di produzione ecosostenibile continuano a farsi strada, promuovendo la trasformazione dell'industria del PET verso un'economia circolare.

Il vantaggio ambientale del PET risiede nella sua buona riciclabilità e nell'elevato valore di riciclo. I prodotti in PET di scarto (come bottiglie, pellicole e fibre) possono essere riciclati attraverso due metodi: riciclaggio fisico e riciclaggio chimico. Il riciclaggio fisico è il processo di selezione, pulizia, frantumazione e fusione dei rifiuti di PET in fette di PET riciclato. Il PET riciclato può essere utilizzato per produrre bottiglie, pellicole, fibre e altri prodotti. Ad esempio, le bottiglie in PET riciclato vengono utilizzate per imballaggi non alimentari e le fibre riciclate vengono utilizzate per realizzare tappeti e tessuti per abbigliamento (come i tessuti in poliestere riciclato). Il riciclaggio chimico decompone il PET in monomeri di PTA ed EG attraverso idrolisi, alcolisi e altre tecnologie, e li utilizza come materie prime per produrre nuovo PET, realizzando un ciclo chiuso. Il riciclaggio chimico può trattare rifiuti di PET complessi e inquinati e le prestazioni delle materie prime riciclate sono simili a quelle delle materie prime che possono essere utilizzate nel campo del contatto alimentare.

Attualmente, la sfida principale per il riciclo del PET è l'imperfezione del sistema di riciclo. Il tasso globale di riciclo delle bottiglie in PET è di circa il 50% e alcune regioni presentano bassi tassi di riciclo a causa della scarsa consapevolezza del riciclo classificato e degli elevati costi di riciclo. Nel frattempo, la stabilità delle prestazioni e l'igiene del PET riciclato devono essere rigorosamente controllate per evitare che le impurità influiscano sulla qualità del prodotto.

In futuro, lo sviluppo del PET si muoverà verso direzioni ad alte prestazioni, ecosostenibili e funzionali. In termini di alte prestazioni, la progettazione molecolare e la tecnologia di modifica vengono utilizzate per migliorare la resistenza al calore, la resistenza all'impatto e le proprietà barriera del PET, come lo sviluppo di PET resistente alle alte temperature per il riempimento a caldo e per i settori ingegneristici, e di PET ad alta barriera per il confezionamento di prodotti ad alto valore aggiunto.

In termini di ecosostenibilità, la ricerca e lo sviluppo del PET di origine biologica stanno accelerando, con l'obiettivo di raggiungere una produzione di materie prime di origine biologica al 100% e di ridurre l'impronta di carbonio; allo stesso tempo, si sta ottimizzando la tecnologia di riciclaggio, migliorando la purezza e l'efficienza del riciclaggio fisico, espandendo la scala industriale del riciclaggio chimico e costruendo un sistema a ciclo completo di "produzione, consumo, riciclaggio e rigenerazione.

In termini di funzionalizzazione, sviluppare materiali PET con funzioni speciali, come il PET antibatterico per il packaging alimentare, il PET ignifugo per l'elettronica e l'edilizia, e il PET intelligente e reattivo (ad esempio, con variazione di colore sensibile alla temperatura e degradazione controllabile) per il packaging di fascia alta e i settori medicali. Inoltre, la tecnologia composita del PET con altri materiali (come i compositi PET/grafene) amplierà ulteriormente i suoi limiti prestazionali e soddisferà le esigenze dei settori emergenti.

Il PET, in quanto materiale polimerico ad alte prestazioni, riflette la stretta integrazione tra scienza dei materiali e domanda industriale nel suo processo di sviluppo. Dal packaging quotidiano alle applicazioni industriali di fascia alta, il PET supporta il funzionamento della società moderna grazie ai suoi vantaggi unici. Con il progresso delle tecnologie di protezione ambientale e la promozione dell'economia circolare, il PET raggiungerà uno sviluppo sostenibile mantenendo al contempo la praticità, contribuendo a una società verde e a basse emissioni di carbonio.