ПЭТ

Содержание:

1. Особенности и характеристики ПЭТ.
2. История изобретения.
3. Производство полиэтилентерефталата.
4. Виды ПЭТ.
5. Маркировка.
6. Международные обозначения.
7. Преимущества и недостатки.
8. Технология изготовления ПЭТ бутылок.
9. Вторичная переработка пластиковой тары.
10. Сферы применения ПЭТ.
11. Экология и безопасность.
12. Другие виды полимеров.
13. Печать на 3D принтерах.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) представляет собой термопластичный полимер, являющийся самым распространенным среди полиэфиров. Прозрачный материал обладает высокой прочностью, пластичностью, химической стойкостью. Хорошо пилится, сверлится, фрезеруется, сваривается. Сохраняет свои качества в диапазоне температур от -40°С до +85°С. Этот вид полимера считается одним из самых безопасных для человека и наименее вредным для окружающей среды.

Особенности и характеристики ПЭТ

Полиэтилентерефталат отличается износостойкостью, стабильностью форм под механическими нагрузками, хорошими показаниями прочности на растяжение, ударной вязкостью. Материал устойчив к воздействию спиртов, масел, жиров, разбавленных кислот и щелочей. Не горит и не поддерживает горение.

К основным свойствам полиэтилентерефталата относятся:

• легкий удельный вес, составляющий 1,33 г/см³, что вдвое легче стекла;
• температурная стойкость. Материал сохраняет свои качества в диапазоне температур от -50°С до +85°С;
• светопропускная способность свыше 90%;
• высокая ударная прочность, что выше стекла в 10 раз;
• пожаростойкость класса В1. Материал не поддерживает горение, плавится под действием открытого огня.

Высокий уровень герметичности позволяет использовать материал для изготовления бутылок и других емкостей. В отличие от алюминиевой и стеклянной тары, элементами пластиковой упаковки невозможно порезаться даже при нарушении ее целостности.

История изобретения

Полиэтилентерефталат  был синтезирован и запатентован в 1935-1941 годах английскими учеными Джеймсом Диксоном и Джоном Уинфилдом в лаборатории компании Calico Printers Association Ltd в Великобритании. В России полиэтилен был получен в Лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук в 1949 году и был назван лавсаном.

Первоначально ПЭТ считался неподходящим полимером для термопластичного формования из-за хрупкости и кристаллизации после расплавления и использовался преимущественно для изготовления жидких лаков. Делать пластиковые бутылки для хранения газированных напитков начали в 70-х годах прошлого столетия благодаря разработке технологии экструзии и растягивающего выдувного формования.

Изначально ПЭТ-полимер называли  лавсаном, по первым буквам разработчика — Лаборатории Института высокомолекулярных соединений Академии наук.

Производство полиэтилентерефталата

Сырьем для создания ПЭТ служат бесцветные кристаллы терефталевой кислоты или ее диметиловый эфир с этиленгликолем. 

Производство осуществляется по непрерывной или периодической схеме в две стадии:

1. Сначала выполняется этерификация кислоты этиленгликолем в молярном соотношении компонентов от 1:1,2 до 1:1,5 при температуре 240 – 250°С, под давлением до 0,2 МПа.
2. Затем полученная смесь подвергается поликонденсации. Процесс происходит в последовательно расположенных агрегатах, снабженных мешалками, при повышении температуры до 300°С и снижении давления до 66 Па.

В результате получается вязкий расплав полиэтилентерефталата, который при охлаждении гранулируется или направляется на формирование волокон.

При быстром охлаждении ПЭТ становится аморфным и прозрачным, при медленном — кристалличным.

Рисунок 2. Условная схема синтеза полиэтилентерефталата.

Виды ПЭТ

Для улучшения свойств полимера ПЭТ сополимеризуют с другими химическими соединениями: диоксидами, этиленгликолями и пр. В процессе синтеза в полученный расплав могут добавляться различные наполнители: тальк, каолин, красители, термо- и светостабилизаторы, антипирены. Использование модифицирующих добавок позволяет создавать виды полимеров с улучшенными техническими характеристиками.

ПЭТ-А

Полиэтилентерефталат аморфный — полимер с повышенной прозрачностью, ударной вязкостью, холодной и горячей гибкостью. Аморфный ПЭТ отлично сверлится, фрезеруется, полируется. Подходит  для  ультрафиолетовой и сольвентной печати. Применяется в приборостроении, строительстве, торговле, рекламной индустрии. Из ПЭТ-А  изготавливают экраны дисплеев, световые панели, демонстрационные стенды, торговые витрины, офисные перегородки. При нагревании свыше 75°С происходит кристаллизация аморфного полимера. Он становится белым и хрупким.

ПЭТ-Г

Полиэтилентерефталат-гликоль, обладает повышенной ударной вязкостью. Материал не кристаллизуется при нагревании. Остается прозрачным и сохраняет форму при термическом формовании изделий. Модифицированный гликолем ПЭТ применяется при изготовлении пресс-форм, вывесок, витрин, офисных перегородок, медицинского оборудования. Он хорошо поддается металлизации, окрашиванию, печати.

ПЭТ-ГАГ

Трехслойный полимер, состоящий из двух крайних слоев ПЭТ-Г и среднего — ПЭТ-А. Обладает свойствами аморфного и гликоль-модифицированного пластика. Хорошо режется, обрабатывается и склеивается. Подходит для печати, создания различного рода упаковок, рекламы, торгового оборудования.

Маркировка

Общие требования к ПЭТ, его марки и рекомендуемые методы переработки определены техническими условиями ГОСТ Р 51695-2000.

Существуют следующие марки полиэтилентерефталатов:

• ПЭТФ-Г-75;
• ПЭТФ-С-75;
• ПЭТФ-Г-80;
• ПЭТФ-С-80.

Маркировка содержит следующие обозначения:

• ПЭТФ — название полимера по ГОСТ 24888;
• «Г» — гомополимер полиэтилентерефталата;
• «С» — сополимер полиэтилентерефталата;
• 75 или 80 — предельное число вязкости (мл/г).

ПЭТФ-Г применяется для производства изделий методом литья под давлением. ПЭТФ может использоваться для литья под давлением и экструзии.

Маркировка пластиковых бутылок.

Международные обозначения

Продукция, выпускаемая на основе полиэтилентерефталата, имеет международное обозначение PET.

В различных странах зарегистрированы сотни торговых марок ПЭТ, в том числе:

• в России — Лавсан, РуПлак, Novattro;
• в Германии — Ultradur, Тревира (Trevira), Текапэт (Tecapet); Текадур (Tecadur);
• в Великобритании —Терилен;
• во Франции — Тергал;
• в Испании — NUDEC SA;
• в США —Мелинекс, Дакрон, Майлар.

Аббревиатура ПЭТ используется, когда речь идет об изделиях из полиэтилентерефталата, а аббревиатура ПЭТФ – название полимера.

Преимущества и недостатки

При производстве ПЭТ используются этиленгликоль и терефталевая кислота, безопасные для человека и окружающей среды. Материал является экологичным вариантом упаковки для напитков и пищевых продуктов.

Плюсы полимера:

• высокая механическая и ударная прочность;
• устойчивость к химическим реагентам;
• минимальное влагопоглощение;
• хорошая светопроницаемость, малый вес;
• отличное сопротивление ползучести;
• износостойкость и размерная стабильность;
• биологическая инертность к пищевым продуктам и напиткам;
• возможность вторичной переработки.

По износостойкости ПЭТ превосходит нейлон и другие полимеры. Материал не поражается микроорганизмами.

Удельный вес ПЭТ бутылки емкостью 1 литр составляет 20-30 г, более чем в 10 раз легче веса стеклянной бутыли такого же объема.

С точки зрения экологии, производство ПЭТ-тары показывает наименьший результат по потреблению электроэнергии, выбросам парниковых газов в атмосферу, получаемым отходам. Ниже - сравнительная таблица образования СО2, выбросов ПГ, потребления электроэнергии при производстве тары для различных напитков в расчете на 100 тыс. жидких унций (2957 л).

Упаковка для напитков	Выбросы СО2, кг	Потребление энергии, кВт/ч	Отходы
			Масса, кг
ПЭТ- бутылка	510	3224	137
Алюминиевая банка	1255	4689	348
Стеклянная бутылка	2199	7796	2022

Основным недостатком полимера является большая продолжительность распада в естественной среде, составляющая более 100 лет.

Изделия из ПЭТ обладают низкими барьерными свойствами. Через прозрачные стенки емкостей легко проникает ультрафиолет, что ускоряет окисление и сокращает сроки хранения продуктов.

Полиэтилентерефталат не устойчив к кетонам, концентрированным кислотам и щелочам.

Технология изготовления ПЭТ бутылок

Технологический процесс массового производства полых изделий включает два этапа. Сначала в термопластавтоматах или литьевых машинах создается заготовка (преформа), затем изделия выдуваются в выдувных агрегатах.

Изготовление преформ:

• сырьё разогревается в зоне пластификации до жидкого состояния;
• движущий шнек перемещает полимерный расплав в зону впрыска;
• жидкий пластик накапливается в зоне смыкания и под высоким давлением впрыскивается в закрытую пресс-форму;
• заготовки остывают в пресс-форме с постепенным понижением давления;
• после остывания преформы извлекаются наружу с помощью автоматического выталкивателя.

Преформы.

Выдув бутылок:

• заготовки помещаются в раздвижные пресс-формы выдувных машин;
• внутрь подается сжатый воздух под большим давлением;
• преформы раздуваются до необходимых размеров, точно повторяя конфигурацию пресс-формы;
• после остывания готовые бутылки извлекаются наружу.

Благодаря высокому давлению воздуха при выдуве заготовок, обеспечивается нужная форма и равномерность толщины стенок полых емкостей. Производственный цикл составляет от трех секунд до нескольких минут, в зависимости от габаритов отливок. Производство преформ и выдув бутылок может выполняться на одном станке или двух разных машинах.

Преимущества раздельного литья в том, что заготовки можно изготавливать в месте производства сырья, а выдув осуществлять в месте разлива напитков.

Технология производства бутылок ПЭТ.

Вторичная переработка пластиковой тары

На разложение пластиковых отходов на мусорных полигонах уходит более 100 лет. Уменьшить количество полимерного мусора и избежать попадания его в окружающую среду позволяет переработка изделий в новый материал.

Заготовка сырья

В основном пластик собирается в специальные контейнеры, установленные на мусорных площадках рядом с многоэтажными домами.

В некоторых странах в цену напитка включена стоимость упаковки (система залоговой тары). При сдаче бутылок в специальные автоматы средства за тару возвращается покупателю.

Сортировка

На перерабатывающих предприятиях осуществляется ручная, механическая или смешанная сортировка пластика.

Бутылки разделяют по степени загрязненности, форме, цвету:

• темные (коричневые, черные);
• зеленые, голубые;
• бесцветные.

Выделить из массы полимерного мусора изделия из ПВХ помогают УФ лампы. Под действием ультрафиолета поливинилхлорид  излучает желтый или зеленый цвет. Менее пригодны для вторичной переработки емкости красного цвета, тара из-под масла, упаковка от молока или бытовой химии. На этапе сортировки убираются крышки, кольца, изделия из ПВХ, не пригодные для вторичной переработки.

Измельчение

Полимерные отходы измельчаются с помощью роторных дробилок или шредеров. Использование измельчителей «мокрого дробления» обеспечивает и мойку материала. Пластик измельчается до тех пор, пока синтетические хлопья не смогут пройти через калибровочное сито, установленное под ротором. Размер фракции зависит от размера ячеек сита.

В специальных сепараторах осуществляется очистка сырья от этикеток, остатков клея и прочих загрязнений. Основное требование при измельчении - не допустить нагрева материала выше температуры стеклования (70°С). После очистки ПЭТФ-хлопья (флекс) фасуются в биг-бэги или полимерные мешки по 30 кг.

Насыпная плотность готового флекса размером 5-10 мм составляет около 300 кг/м3. Его уже можно реализовывать производителям или переработать в более дорогой продукт — гранулы.

Рисунок 7. ПЭТ-флекс.

Агломерация

Полимерный флекс загружается в агломератор - круглую металлическую емкость с ножами по периметру. Ножи приводятся в движение, измельчая сырье до однородной массы. Под действием силы трения масса начинает сплавляться. Далее в агломератор подается порция холодной воды, вызывающая резкое охлаждение массы и ее распад на мелкие сыпучие частицы (окатышы).

Грануляция

Измельченный материал дополнительно очищается путем вакуумной дегазации и перерабатывается в гранулы одинакового размера. В экструдере полимер плавится, перемешивается, выдавливается через фильеры, формируясь в стренги. После охлаждения в специальных ваннах полимерные нити нарезаются на гранулы нужной длины. Далее происходит сепарация и сушка материала. При вторичной переработке снижается вязкость сырья, меняется цвет.

Компенсировать негативные внешние факторы и улучшить качество сырья позволяет использование различных модифицирующих добавок и присадок. При изготовлении бутылок для газированных напитков используется смесь ПЭТ с полиэтиленнафталатом. Это более дорогой и долговечный материал. Он медленнее кристаллизуется, имеет менее выраженные эффекты старения. Переработанный ПЭТ идет на производство тары и упаковки, бытовых предметов, полимерной черепицы, тротуарной плитки, деталей электроприборов и автомобилей.

Вторичная переработка полимерных отходов не только прибыльный бизнес, но и борьба с загрязнением окружающей природы, сохранение здоровой атмосферы на планете.

Технология переработки пластика.

Сферы применения ПЭТ

Полиэтилентерефталат применяется в различных сферах:

• машиностроение — изготовление патрубков, баков омывателей, бамперов, топливных баков, кузовов автомобилей;
• нефтехимическая промышленность — бочки, канистры, трубы;
• пищевые производства — емкости и бутыли для молочных продуктов, напитков, кулеров, скребки, направляющие;
• строительство — емкости для лаков, красок, грунтовок, прозрачные листовые материалы, конструктивные изделия;
• медицина и фармацевтическая промышленность — флаконы для капель и микстур, баночки для витаминов и лекарств, медицинские приборы.

Большое распространение полиэтилентерефталат получил в фасовочно-упаковочной сфере. В производстве бутылок для безалкогольных и слабоалкогольных напитков и пива ПЭТ успешно заменил традиционное стекло и алюминий.

Полимер используется для производства элементов скольжения конвейерной оснастки: направляющих роликов, втулок подшипников, рельсов, транспортерных лент.

Полиэфирные волокна используются для армирования автомобильных шин, транспортерных лент, шлангов высокого давления.

Высокая структурная стойкость и диэлектрические свойства позволяют применять ПЭТ при производстве кабельной продукции, компонентов электротехнических приборов, изоляторов в электрических конденсаторах.

Композитные нити на основе полиэтилентерефталата сегодня используются для 3D печати.

Экология и безопасность

В 2014 году Институт технологий и упаковки Фраунхофер в Германии исследовал полиэтилентерефталат  на возможное содержание фталатов, бисфенола, метанола, формальдегида и других вредных токсинов. Ни одно из исследованных веществ не было обнаружено в образцах ПЭТ тары.

То, что изделия из ПЭТ не представляют угрозы для здоровья, подтверждают и научные исследования Международного Института Жизни (ILSI) в США.

Материал инертен по отношению к любым пищевым продуктам. В силу своей безопасности ПЭТ может использоваться для хранения жидких продуктов – детского питания, молока, воды, растительных масел, безалкогольных и алкогольных напитков, включая пиво.

ПЭТ-тара официально разрешена для хранения таблеток и другой фармацевтической продукции. Такая упаковка не взаимодействует с находящимся внутри содержимым, не способствует развитию бактерий, не выделяет токсичных химических веществ при охлаждении и нагреве.

Во всем мире полиэтилентерефталат признан экологически чистым, безопасным для здоровья и окружающей среды упаковочным материалом, обеспечивающим полную защиту качества продукции.

Другие виды полимеров

В современной промышленности насчитываются десятки разновидностей пластмасс, различающихся по виду, химическому составу, эксплуатационным качествам.

Помимо ПЭТ, к распространенным видам пластика относятся:

1. Поливинилхлорид (ПВХ). Получают путем полимеризации винилхлорида. Хрупок, низкоэкологичен. При тлении выделяет ядовитый диоксин.

ПВХ выпускается двух видов:

• жесткий, идущий на производство оконных профилей, литых изделий, труб;
• пластифицированный — для кабельной изоляции, напольных покрытий, различных емкостей.

Свойства полимера зависят от количества пластификатора и модифицирующих добавок.

Изготавливать емкости для продуктов и напитков из ПВХ запрещено. Также материал не подходит для вторичной переработки.

2. Полипропилен (ПП). Получают полимеризацией пропилена. Относится к термопластичным материалам. Отличается легкостью, гибкостью, водонепроницаемостью, прочностью, пластичностью.

Используется для изготовления труб для холодного и горячего водоснабжения, кабельной изоляции, приборных панелей, электроинструментов, всевозможных ящиков, контейнеров и пр.

Материал легко перерабатывается. Подходит для изготовления упаковки для пищевых продуктов.

Сравнительная таблица полимеров.

Свойства	ПЭТФ	ПП	ПВХ
Плотность, г/см3	1,40	0,92	1,42
Прочность на разрыв, МПа	60-80	25-36	47-55
Прочность на изгиб, МПа	50-83	н/д	70-90
Твердость  по Бринеллю, МПа	14-23	40-70	10-160
Температура размягчения, °С	81-83	110-153	74-80
Температура плавления, °С	240-270	165-170	150-200
Теплопроводность, Вт/м*К	0,2-0,32	н/д	0,08-0,16
Удлинение при разрыве, %	50-75	200-800	30-100
Диэлектрическая проницаемость (50Гц)	2,6	1,6-2,3	3,5-4,5

Рисунок 9. Изделия из ПВХ.

Печать на 3D-принтере

ПЭТ-пластик используется в трехмерной печати. Это обусловлено доступностью и широким распространением материала. Для объемной печати отлично подходит модифицированный гликолем полиэтилентерефталат (ПЭТ-Г), отличающийся низкой термической усадкой, прекрасной межслойной адгезией и пластичностью.

3D-принтер состоит  из экструдера с печатающей головкой, механизма перемещения печатающей головки, рабочей платформы, механизма подачи ПЭТ-нити (филамента). Полимерная нить подается в экструдер, где нагревается и плавится. Расплав через печатающее сопло выдавливается на разогретую платформу. Рабочий стол может находиться в термостойком закрытом корпусе или быть открытым. Положение печатающей головки определяет кинематическая схема принтера.

На 3D-принтере можно изготавливать корпуса для механических установок, детали механизмов, защитные кожухи, архитектурные макеты, пищевую тару, различные опорные структуры.

Расходные нити (филамент) могут изготавливаться из первичного или вторично переработанного ПЭТ.

Рисунок 10. Печать на 3D-принтере.