Полиетилентерефталат

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Полиетилентерефталат
PET.svg
Имена
По IUPAC Поли(етил бензен-1,4-дикарбоксилат)
Други PET, PETE
Идентификатори
Номер на CAS 5038-59-9
ChEBI 61452
SMILES
StdInChI
Качества
Формула C10H8O4)n
Моларна маса променлива
Плътност 1,38 g/cm3
аморфен: 1,37 g/cm3
монокристал: 1,455 g/cm3
Точка на топене > 250 °C
Точка на кипене > 350 °C
Разтворимост вода неразтворим
Топлопроводимост 0,15 – 0,24 W m−1 K
Индекс на пречупване 1,575
Термохимия
Специфичен топлинен капацитет 1 kJ/(kg·K)
Данните са при стандартно състояние
на материалите (25°C, 100 kPa)
,
освен където е указано другояче.

Полиетилентерефталат (съкр. PET, PETE) е най-широко разпространеният термопластичен полимер от полиестерното семейство и се използва в изкуствените влакна за дрехи, опаковки за храни и напитки, термоформоване в производството и в комбинация със стъклени влакна за инженерни смоли.

По-голямата част от световното производство на PET е за синтетични влакна (над 60%), като производството на бутилки консумира около 30% от световното производство.[1] В контекста на текстилното производство, PET се нарича просто полиестер, докато акронимът PET най-често се използва във връзка с опаковки. Полиестерът заема около 18% от световната продукция на полимери и е четвъртият най-произвеждан полимер след полиетилена, полипропилена и поливинилхлорида.

Полиетилентерефталатът е съставен от полимеризирани единици на мономера етилен терефталат с повтарящи се (C10H8O4) единици. Той често се рециклира и има номера „1“ за идентификационен код на смолата (RIC).

В зависимост от преработката и термалната история, PET може да съществува както в аморфно състояние, така и като кристален полимер. Кристалното вещество може да изглежда прозрачно (при частици с размер по-малък от 500 nm) или непрозрачно (частици с размер до няколко микрометра), в зависимост от кристалната структура и размера на частиците.

Употреба[редактиране | редактиране на кода]

Пластмасовите бутилки, направени от PET, се използват широко за безалкохолни напитки. За някои специални бутилки, например тези за съхранение на бира, PET обвива допълнителен слой от поливинилов алкохол (PVOH) за намаляване на пропускливостта на кислород.

Биаксиално ориентираният PET (BoPET, познат и под наименованието Майлар) може да бъде алуминизиран чрез изпарението на тънък слой метал върху него, за да се намали пропускливостта и да се направи отразяващ и непрозрачен. Тези свойства са полезни в много приложения, включително гъвкави опаковки за храни и топлоизолация. Поради високата си механична здравина, слой PET често се използва при направата на ленти, например магнитни такива.

Неориентираните пластове PET могат да се термоформират за направата на опаковъчни тави и блистерни опаковки.[2] Ако се използва кристализиращ ПЕТ, тавичките могат да се използват за съхранение на готова храна, тъй като издържат както на ниски, така и на високи температури. Когато PET се запълни със стъклени частици или влакна, той става значително по-твърд и по-издръжлив.

PET се използва и като субстрат в тънкослойни слънчеви клетки. От края на 2014 г. се използва като линеен материал в композитни газови бутилки под високо налягане тип IV. PET играе ролята на много по-добра бариера за кислорода, отколкото по-рано използвания (LD)PE.[3] PET се използва и за влакна в 3D принтирането.

История[редактиране | редактиране на кода]

Готова PET бутилка до полуфабрикат, от който е била направена. Общо 480 милиарда пластмасови бутилки са произведени по света през 2016 г., като от тях са рециклирани по-малко от половината.[4]

Полиетилентерефталатът е патентован през 1941 г. от Джон Уинфийлд и Джеймс Диксън и работодателя им в Манчестър, Великобритания. Дюпон в Делауеър, САЩ, пък първи използват марката Майлар през юни 1951 г. и я регистрират през 1952 г.[5] Това все още е най-разпространеното наименование на полиестерния слой.

В Съветския съюз PET за пръв път е произведен в лаборатория на института по високомолекулни съединения към Академията на науките на СССР през 1949 г., като там се използва акронима Лавсан.[6]

PET бутилката е патентована през 1973 г. от Натаниъл Уайет.[7]

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

PET в естественото си състояние е безцветна, полу-кристална смола с много малко тегло. В зависимост от това как се преработи, PET може да е от полу-твърд то твърд. От него става добър газ и добра бариера за влага, както и бариера за алкохол и разтворители. Издръжлив е и е устойчив на удари. PET става бял, когато се изложи на хлороформ и други химикали като толуен.[8]

Около 60% кристализация е горната граница за комерсиални продукти, като изключение правят полиестерните влакна. Чистите продукти могат да се произвеждат като бързо се охлажда разтопен полимер под Tg температура на стъклен преход, за да се образува аморфна структура. Също като стъклото, аморфният PET се образува, когато на молекулите им не се дава достатъчно време да се подредят на кристали, докато стопилката се охлажда. При стайна температура молекулите са застинали на място, но ако се приложи достатъчно топлинна енергия към тях чрез нагряване над Tg, те започват отново да се движат, което позволява на кристалите да се сраснат и да нараснат. Тази процедура е позната като кристализация в твърдо състояние.

Когато се остави да се охлади бавно, разтопеният полимер образува по-кристален материал. Този материал има сферолити, съдържащи малки кристални зрънца, когато се кристализира от аморфно тяло. Светлината се разсейва, когато преминава през границите между кристалните зърна и аморфните области между тях. Това разсейване означава, че кристалният PET е непрозрачен и бял в повечето случаи. Изтеглянето на вълна е сред малкото промишлени процеси, които създават почти мономерен продукт.

Характерен вискозитет[редактиране | редактиране на кода]

Една от най-важните характеристики на PET е неговият характерен вискозитет (IV).[9] Характерният вискозитет на материала се намира чрез екстраполация към нулева концентрация на относителния вискозитет на концентрацията, измервана в децилитри на грам (dℓ/g). Характерният вискозитет зависи от дължината на полимерните вериги, но няма единица, тъй като е екстраполиран до нулева концентрация. Колкото по-дълги са полимерните вериги, толкова повече има преплитане между веригите и следователно е по-висок вискозитета. Средната дължина на веригата на дадена партида смола може да се контролира чрез поликондензация.

Границите на характерния вискозитет на PET са:[10]

Влакна:

0,40–0,70 текстили
0,72–0,98 технически, гуми

Слоеве:

0,60–0,70 BoPET
0,70–1,00 пластове за термоформоване

Бутилки:

0,70–0,78 бутилки за вода
0,78–0,85 бутилки за газирани напитки

Месина и инженерна пластмаса:

1,00–2,00

Производство[редактиране | редактиране на кода]

Полиетилентерефталатът се произвежда от етиленгликол и диметилтерефталат (C6H4(CO2CH3)2) или терефталова киселина.[11] При първата реакция се постига трансестерификация, докато втората води до естерификация.

Чрез диметилтерефталат (DMT)[редактиране | редактиране на кода]

Реакция на полиестерификация при производството на PET.

При процеса с диметилтерефталат (DMT), това съединение и етиленгликола реагират при 150 – 200 °C с основен катализатор. Метанолът (CH3OH) се премахва чрез дестилация, за да продължи реакцията. Остатъчният етиленгликол се дестилира при по-висока температура с помощта на вакуум. Втората стъпка на трансестерификацията продължава при 270 – 280 °C с продължителна дестилация на етиленгликола.[11]

Реакциите са идеализирани както следва:

Първа стъпка
C6H4(CO2CH3)2 + 2 HOCH2CH2OH → C6H4(CO2CH2CH2OH)2 + 2 CH3OH
Втора стъпка
n C6H4(CO2CH2CH2OH)2 → [(CO)C6H4(CO2CH2CH2O)]n + n HOCH2CH2OH

Чрез терефталова киселина[редактиране | редактиране на кода]

Реакция на поликондензация при производството на PET.

При процеса чрез терефталова киселина, естерификацията на етиленгликола и киселината се провежда пряко под умерено налягане (2.7 – 5.5 bar) и висока температура (220 – 260 °C). Водата се елиминира при реакцията, а също продължително се премахва чрез дестилация.[11]

n C6H4(CO2H)2 + n HOCH2CH2OH → [(CO)C6H4(CO2CH2CH2O)]n + 2n H2O

Безопасност[редактиране | редактиране на кода]

Бали от смачкани PET бутилки.

Някои изследвания сочат, че PET може да нарушава работата на ендокринната система при условия на обичайно използване.[12] Подозрените механизми включват просмукване на фталати и антимон. Според изследвания от 2012 г., концентрацията на антимон в дейонизирана вода, съхранявана в PET бутилки, попада в приемливите от ЕС граници, дори при кратко съхранение на температура до 60 °C, макар съдържанието на бутилката (вода или газирана напитка) може понякога да надхвърля границите за безопасност на ЕС след съхранение за по-малко от година на стайна температура.[13]

Рециклиране[редактиране | редактиране на кода]

Опаковките от PET могат да се използват повторно за направата на продукти от по-ниско ниво. За да могат да се използват повторно за опаковане на храна, те трябва да се хидролизират до мономери, да се пречистят и тогава повторно да се полимеризират до PET.

В световен мащаб, приблизително 7,5 милиона тона PET са събрани през 2011 г. Към 2009 г. 3,4 милиона тона са използвани за направата на влакна, 500 000 тона за бутилки, 500 000 тона за термоформоване, 200 000 тона за ленти и 100 000 тона за други приложения.[14]

Нива на рециклиране на PET бутилки по света

Япония САЩ Европа Индия
72% 29% 48% 90%

За световен лидер в рециклирането на PET бутилки се счита Швейцария, където към 2012 г. се рециклират 81% от опаковките.[15] Въпреки че Индия докладва поразително високи нива на рециклиране на PET, там причината не се корени в силна култура на рециклиране или развита инфраструктура, а по-скоро в хората, които събират и продават PET бутилки като обикновен боклук на преработватели.[16]

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Ji, Li Na. Study on Preparation Process and Properties of Polyethylene Terephthalate (PET). // Applied Mechanics and Materials 312. юни 2013. DOI:10.4028/www.scientific.net/AMM.312.406. с. 406 – 410.
  2. Pasbrig, Erwin (29 март 2007), „Cover film for blister packs“, http://www.google.com/patents/US20070068842, посетен 20 ноември 2016 
  3. SIPA: Lightweight compressed gas cylinders have plastic liners / PET provides high oxygen barrier https://www.plasteurope.com, 18 ноември 2014.
  4. Sandra Laville and Matthew Taylor, "A million bottles a minute: world's plastic binge 'as dangerous as climate change'", TheGuardian.com, 28 юни 2017.
  5. Whinfield, John Rex and Dickson, James Tennant (1941) „Improvements Relating to the Manufacture of Highly Polymeric Substances“, UK Patent 578,079; „Polymeric Linear Terephthalic Esters“, Publication date: 22 March 1949; Filing date: 24 September 1945; Priority date: 29 July 1941
  6. The Russian Language Today. Taylor & Francis, 31 януари 2002. ISBN 978-0-203-06587-7. с. 49–.
  7. Wyeth, Nathaniel C. „Biaxially Oriented Poly(ethylene terephthalate) Bottle“ US patent 3733309, Issued May 1973
  8. NPCS Board of Consultants & Engineers (2014) Chapter 6, p. 56 in Disposable Products Manufacturing Handbook, NIIR Project Consultancy Services, Delhi, ISBN 978-9-381-03932-8
  9. Thiele, Ulrich K. (2007) Polyester Bottle Resins, Production, Processing, Properties and Recycling, Heidelberg, Germany, с. 85 ff, ISBN 978-3-9807497-4-9
  10. Gupta, V.B. and Bashir, Z. (2002) Chapter 7, p. 320 in Fakirov, Stoyko (ed.) Handbook of Thermoplastic Polyesters, Wiley-VCH, Weinheim, ISBN 3-527-30113-5.
  11. а б в Polyesters. // Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Т. A21. Weinheim: Wiley-VCH. DOI:10.1002/14356007.a21_227. с. 233 – 238.
  12. Sax, Leonard. Polyethylene Terephthalate May Yield Endocrine Disruptors. // Environmental Health Perspectives 118 (4). 2010. DOI:10.1289/ehp.0901253. с. 445 – 8.
  13. Tukur, Aminu. PET bottle use patterns and antimony migration into bottled water and soft drinks: the case of British and Nigerian bottles. // Journal of Environmental Monitoring 14 (4). 2012. DOI:10.1039/C2EM10917D. с. 1236 – 1246.
  14. PCI Wood Mackenzie. //
  15. http://www.swissinfo.ch/fre/le-recyclage-de-pet--une-spécialité-suisse/3293840 Le recyclage de PET, une spécialité suisse
  16. http://www.hindustantimes.com/mumbai-news/india-recycles-90-of-its-pet-waste-outperforms-japan-europe-and-us-study/story-yqphS1w2GdlwMYPgPtyb2L.html NCL and PET Packaging Association for Clean Environment (PACE)