راهنمای پلی‌اتیلن ترفتالات (PET)

کاربردهای الیافی

در مراحل نخست توسعه، PET عمدتاً برای تولید الیاف مصنوعی به کار می‌رفت (حدود ۷۰٪ مصرف PET).

پلی‌استر که به استحکام بالای الیاف و عملکرد خوب در کاربردهای پوشاک شناخته می‌شود، در حال حاضر پرتولیدترین الیاف مصنوعی است. الیاف استیپل را می‌توان با پنبه، پشم یا کتان مخلوط کرد و از آن منسوجات پوشاک یا مبلمان و لوازم خانگی ساخت، و فیلامنت‌ها برای پوشاک یا مصارف صنعتی مانند پارچهٔ فیلتر، پارچهٔ کورد تایر، چتر نجات، نوار نقاله و کمربند ایمنی به کار می‌روند.

کاربردهای غیرالیافی

PET جدا از الیاف، عمدتاً در سه دسته به کار می‌رود: فیلم و ورق، بطری، و پلاستیک‌های مهندسی.

۲٫۲.۱ فیلم و ورق

عمدتاً برای مواد بسته‌بندی مانند بسته‌بندی مواد غذایی، دارو و بسته‌بندی بهداشتی غیرسمی و استریل؛ بسته‌بندی ممتاز منسوجات، ابزار دقیق و قطعات الکترونیکی؛ زیرلایهٔ نوار صوتی، نوار ویدئویی، فیلم عکاسی، فیلم سینمایی، دیسک، CD و کارت مغناطیسی؛ و فیلم خازن، برد مدار چاپی انعطاف‌پذیر و کلیدهای غشایی به کار می‌رود.

فیلم‌های PET شفاف‌اند، در برابر روغن مقاوم‌اند، بو و عطر را حفظ می‌کنند، از نظر بهداشتی قابل اطمینان‌اند و در بازهٔ دمایی گسترده‌ای قابل استفاده‌اند (هم برای استریل‌کردن در دمای بالا و هم برای بسته‌بندی منجمد مناسب‌اند). با این حال، خاصیت دوخت حرارتی آن‌ها ضعیف است و باید با فیلم‌های دیگر (لایه‌های دوخت حرارتی) ترکیب شوند، و قیمت نسبتاً بالاترشان در مقایسه با فیلم‌های پلاستیکی عمومی کاربرد آن‌ها را در بسته‌بندی محدود می‌کند.

۲٫۲.۲ بطری

از آنجا که PET با سرد کردن سریع به‌آسانی به حالتی تقریباً آمورف، بسیار شفاف و با کشش‌پذیری آسان می‌رسد، می‌توان از آن فیلم‌های بسته‌بندی جهت‌یافتهٔ دومحوری (دوجهته) یا بطری‌های پراستحکام و بسیار شفاف به روش قالب‌گیری کششی-دمشی از پریفرم‌های آمورف تولید کرد. PET را همچنین می‌توان مستقیماً با اکستروژن یا قالب‌گیری دمشی به ظروف توخالی بدون کشش تبدیل کرد. بطری‌های PET شفافیت بالا و خاصیت سدکنندگی خوبی دارند و برای بسته‌بندی‌هایی که تازگی محصول را حفظ می‌کنند، مانند آبجو، مشروبات، نوشابه‌های گازدار، روغن خوراکی، مواد غذایی، چاشنی‌ها، دارو، لوازم آرایشی و محصولات سلامت، مناسب‌اند.

۲٫۲.۳ پلاستیک‌های مهندسی

گریدهای PET تقویت‌شده عمدتاً در حوزه‌های زیر به کار می‌روند:

• الکترونیک و برقکانکتورها، بوبین‌ها، محفظهٔ مدارهای مجتمع، محفظهٔ خازن، محفظهٔ ترانسفورماتور، قطعات تلویزیون، تیونرها، کلیدها، محفظهٔ تایمر و رله‌ها.
• قطعات خودرودرپوش تابلوی توزیع، شیرها، قطعات اگزوز، درپوش دلکو، محفظهٔ موتورهای الکتریکی کوچک، قطعات سازه‌ای مانند محفظهٔ آینه و قطعات برقی مانند رفلکتور چراغ جلو.
• قطعات مکانیکیچرخ‌دنده‌ها، بادامک‌ها، محفظهٔ پمپ، پولی‌ها، قاب موتور، قطعات ساعت، محفظهٔ موتور، کانکتورهای برقی، رله‌ها، کلیدها، قطعات داخلی اجاق مایکروویو و غیره.
• کاربردهای صنعتیمحفظهٔ پمپ، ابزار دستی و مواد زیپ. PET پس از PA و POM نسل سوم مواد زیپ است و در هر دو مشخصهٔ پهن و باریک به کار می‌رود.

روش ترانس‌استریفیکاسیون (روش DMT)

در این فرایند، دی‌متیل ترفتالات (DMT) با اتیلن گلیکول (EG) وارد واکنش ترانس‌استریفیکاسیون می‌شود و سپس با پلی‌کندانسیون، PET به دست می‌آید. در مراحل نخست، خلوص مونومر PTA زیاد نبود و خالص‌سازی آن دشوار بود، به همین دلیل تولید PET باکیفیت با پلی‌کندانسیون مستقیم ممکن نبود. از این رو، TPA ناخالص ابتدا با متانول واکنش داده می‌شد تا دی‌متیل ترفتالات (DMT) به دست آید که خالص‌سازی آن آسان‌تر است. سپس DMT با خلوص بالا (≥۹۹٫۹٪) در واکنش ترانس‌استریفیکاسیون با EG، BHET تولید می‌کند که پس از آن به PET پلیمریزه می‌شود.

روش استری‌شدن مستقیم (روش PTA)

در این روش، ترفتالیک اسید با خلوص بالا (PTA) یا ترفتالیک اسید با خلوص متوسط (MTA) مستقیماً با اتیلن گلیکول (EG) واکنش می‌دهد و از راه استری‌شدن و پلی‌کندانسیون، پلی‌استر تشکیل می‌شود. این روش پس از آنکه شرکت Amoco در سال ۱۹۶۵ ترفتالیک اسید خام را با موفقیت خالص‌سازی کرد، به‌سرعت توسعه یافت و تولید PET نیز به همان نسبت گسترش پیدا کرد.

با استفاده از PTA به‌عنوان مادهٔ اولیه، تولید پلیمر PET شامل دو واکنش اصلی است: نخست، PTA در واکنش استری‌شدن با EG، بیس(۲-هیدروکسی‌اتیل) ترفتالات (BHET) تولید می‌کند؛ دوم، BHET در حضور کاتالیزور پلی‌کندانسیون می‌شود و PET را تشکیل می‌دهد.

به دلیل چند مزیت نسبت به روش DMT، از جمله مصرف کمتر مواد اولیه، سیستم بازیابی EG کوچک‌تر، نبود متانول به‌عنوان محصول جانبی، تولید ایمن‌تر، مسیر فرایند کوتاه‌تر، سرمایه‌گذاری کمتر، هزینهٔ کمتر یوتیلیتی و تولید، سرعت واکنش یکنواخت‌تر و کنترل پایدارتر تولید، اکنون بیشتر ظرفیت تولید PET در جهان از روش PTA استفاده می‌کند.

روش افزایش اکسید اتیلن (روش EO)

از آنجا که اتیلن گلیکول از اکسید اتیلن (EO) ساخته می‌شود، PET را می‌توان با واکنش مستقیم EO با PTA و به دست آوردن BHET و سپس پلی‌کندانسیون آن نیز تولید کرد. این روش، روش افزایش اکسید اتیلن نام دارد.

این فرایند مرحلهٔ تولید اتیلن گلیکول از EO را حذف می‌کند و در نتیجه هزینه‌ها را کاهش می‌دهد و واکنش را سریع‌تر می‌کند؛ از این نظر بر روش استری‌شدن مستقیم برتری دارد. با این حال، چون EO به‌آسانی دچار حلقه‌گشایی می‌شود و پلی‌اتر تشکیل می‌دهد، گرمای واکنش قابل‌توجهی (حدود ۱۰۰ kJ/mol) تولید می‌کند، و در دمای اتاق گازی است که به‌آسانی تجزیهٔ حرارتی می‌شود و حمل و نگهداری آن دشوار است، این روش هنوز به‌طور گسترده به کار گرفته نشده است.

اصلاح PET با پرکننده

اصلاح با پرکننده یکی از مستقیم‌ترین و مؤثرترین روش‌ها برای بهبود همه‌جانبهٔ خواص ماده است و در آن از اجزای معدنی استفاده می‌شود که با ماتریس پلیمری کاملاً متفاوت‌اند.

PET اصلاح‌شده با نانوذرات

در حال حاضر، پژوهش دربارهٔ کامپوزیت‌های PET اصلاح‌شده با نانوذرات کاملاً پخته و پیشرفته است. Ke و همکاران PET را با خاک رس لایه‌ای اصلاح کردند و از راه پلیمریزاسیون درون‌لایه‌ای، نانوکامپوزیت‌های PET/خاک رس به دست آوردند. نتایج نشان داد که با ۵ wt% خاک رس، دمای واپیچش حرارتی کامپوزیت نسبت به PET خالص حدود ۲۰°C تا ۵۰°C افزایش یافت و مدول کامپوزیت نسبت به PET دو برابر شد.

PET اصلاح‌شده با الیاف شیشه

الیاف شیشه (GF) در ابعاد میکرونی در مقایسه با نانوذرات، مزیت‌های برجسته‌ای از نظر هزینه و کنترل‌پذیری دارد و به همین دلیل به‌طور گسترده در اصلاح مواد پلیمری با پرکننده به کار می‌رود.

اصلاح PET با آلیاژسازی

دو یا چند پلیمر، از جمله PET، با نسبت‌های مناسب و در شرایط دمایی و تنش برشی معین با هم مخلوط می‌شوند تا آلیاژ یا آمیزهٔ پلیمری با خواص جدید به دست آید. سازگاری میان پلیمرها کلید تهیهٔ چنین پلیمرهایی است.

PET اصلاح‌شده با پلی‌اولفین

PET و PE از نظر ساختار شیمیایی تفاوت زیادی دارند و با هم ناسازگارند. آمیزه‌سازی سادهٔ دوتایی این دو نشان می‌دهد که برای بهبود مقاومت ضربه‌ای PET از راه آمیزه‌سازی پلیمری، سازگارسازی برای افزایش سازگاری ضروری است. در آمیزه‌های HDPE/PET، افزودن EVA و EAA استحکام ضربه‌ای را بهبود می‌دهد.
وقتی PET با PP آمیخته شود، آلیاژ حاصل مزایای هر دو را با هم دارد و خواص بهبود می‌یابد؛ برای نمونه، PET مقاومت حرارتی PP را افزایش می‌دهد و PP حساسیت PET به رطوبت را کم می‌کند. آمیزه‌های PET/PP بدون سازگارکننده پیوند سطح مشترک ضعیف و خواص مکانیکی ضعیفی دارند.

PET/PS نیز سامانه‌ای ناسازگار است و برای سازگاری آمیزه به سازگارکننده نیاز دارد. پژوهش‌ها نشان داده است که افزودن کوپلیمر استایرن و گلیسیدیل متاکریلات P(S-GMA) به‌عنوان سازگارکنندهٔ واکنشی به سامانهٔ آمیزهٔ PET/PS، پیوند سطح مشترک خوب و خواص مکانیکی بهتری در سامانهٔ آمیزهٔ PET/PS/P(S-GMA) ایجاد می‌کند.

PET اصلاح‌شده با پلی‌استر

PBT نوع جدیدی از پلاستیک مهندسی است که در دههٔ ۱۹۷۰ به‌سرعت توسعه یافت. سرعت تبلور آن از PET بیشتر است و چقرمگی و قالب‌پذیری خوبی دارد، اما مقاومت حرارتی آن از PET کمتر و قیمتش بالاتر است. به گزارش شرکت Teijin، افزودن ۰٫۵٪ تالک به‌عنوان عامل هسته‌زا به آمیزهٔ PET و PBT، آمیزه‌ای با مقاومت ضربه‌ای خوب و جمع‌شدگی قالب‌گیری کم به دست می‌دهد.

PC خواص مکانیکی بسیار خوب، چقرمگی خوب و دمای انتقال شیشه‌ای بالایی دارد، اما جریان‌پذیری و مقاومت آن در برابر پیرشدگی ضعیف است. آمیزه‌سازی PET با PC می‌تواند استحکام ضربه‌ای را بهبود دهد. آمیزهٔ PET و PC در خارج از چین به مرحلهٔ صنعتی رسیده و به‌طور گسترده در قطعات خودرو به کار می‌رود.

PET چقرمه‌شده با الاستومر

ABS یکی از پرکاربردترین پلیمرهاست که نه‌تنها چقرمگی خوبی دارد، بلکه عملکرد کلی آن از HIPS نیز بهتر است. آمیزه‌سازی PET با ABS می‌تواند استحکام ضربه‌ای PET را بهبود دهد.

پژوهش‌ها نشان داد که وزن مولکولی PET در آمیزه به دمای فرآوری بسیار حساس است. هیدرولیز زنجیرهٔ PET با ناخالصی‌های کاتالیزوری باقی‌مانده در ABS مرتبط است. کاهش وزن مولکولی PET به افت چشمگیر عملکرد ضربه‌ای و ازدیاد طول تا پارگی می‌انجامد، اما بر مدول و استحکام خمشی اثری ندارد.

مزایای اکسترودر دوماردون USEON در اصلاح PET

• اختلاط و پخش کارآمداکسترودر دوماردون همسوگرد USEON گشتاور بالا و توانایی بسیار خوبی در اختلاط و پخش دارد و پخش یکنواخت افزودنی‌ها، پرکننده‌ها و مواد تقویت‌کنندهٔ گوناگون را در ماتریس PET تضمین می‌کند و در نتیجه یکنواختی و عملکرد ماده را بهبود می‌دهد.
• کنترل دقیق دمااکسترودر دوماردون همسوگرد USEON به سیستم کنترل دمای تأمین‌کنندگان اروپایی مجهز است و امکان کنترل دقیق دمای فرآوری را فراهم می‌کند؛ به این ترتیب ماده در دمای بهینه فرآوری می‌شود و از تخریب آن جلوگیری می‌شود.
• انعطاف‌پذیری بالاطراحی ماژولار اکسترودر دوماردون همسوگرد USEON امکان ترکیب و تنظیم انعطاف‌پذیر المان‌های ماردون را برای پاسخ به نیازهای فرآوری مواد گوناگون فراهم می‌کند و سازگاری زیادی با فرایندهای مختلف دارد.
• قابلیت خودتمیزشوندگیاکسترودر دوماردون همسوگرد USEON قابلیت خودتمیزشوندگی خوبی دارد، زمان توقف برای تمیزکاری را کاهش می‌دهد و بهره‌وری تولید را افزایش می‌دهد.

بازیافت شیمیایی PET

سنتز PET در آغاز شامل واکنش تراکمی ترفتالیک اسید خالص‌شده (PTA) با اتیلن گلیکول (EG) یا واکنش ترانس‌استریفیکاسیون دی‌متیل ترفتالات (DMT) با EG است که محصول آن بیس(۲-هیدروکسی‌اتیل) ترفتالات (BHET) است؛ این محصول سپس میان دی‌استرها پلی‌کندانسیون می‌شود.

جوهرهٔ بازیافت شیمیایی بطری‌های PET، واکنش دی‌پلیمریزاسیون PET است که در شرایط معین، PET را به‌طور کامل به مونومرهایی مانند PTA، DMT، BHET و EG، یا به‌طور جزئی به الیگومرها تجزیه می‌کند. مواد شیمیایی رایج برای دی‌پلیمریزاسیون PET عبارت‌اند از آب (هیدرولیز)، متانول (الکلیز) و EG (گلیکولیز).

مزایا

• ضایعات PET را می‌توان به مونومرها و/یا الیگومرها و مواد شیمیایی دیگر تجزیه کرد.
• در مقایسه با روش‌های دیگر بازیافت، این روش به‌طور کامل به اصل «پایداری» پایبند است.
• PET بازپلیمرشده از مونومرهای بازیابی‌شده به وزن مولکولی (ویسکوزیته ذاتی) لازم می‌رسد.
• جریان‌های ضایعاتی آلوده و بسیار پیچیده را می‌توان به محصولاتی با مشخصات لازم بازیافت کرد.
• در فرایند بازیافت شیمیایی PET، فرآوری‌پذیری محصولات نهایی، مانند چاپ‌پذیری و رنگ‌پذیری، می‌تواند به سطح مورد انتظار برسد.
• در فرایند بازیافت شیمیایی، محصولات PET زرد نمی‌شوند.

معایب

• هزینهٔ تولید از راه دی‌پلیمریزاسیون شیمیایی PET از تولید مستقیم PET بیشتر است؛ بنابراین بدون مشوق‌های اقتصادی، هزینهٔ PET بازیافت‌شده به روش شیمیایی بالاتر است.
• برای مقرون‌به‌صرفه و امکان‌پذیر شدن آن، تولید در مقیاس بزرگ لازم است.

بازیافت فیزیکی PET

بازیافت فیزیکی فرایندی است که در آن محصولات PET ضایعاتی با خردکردن، جداسازی، شست‌وشو و خشک‌کردن به پرک PET کاملاً تمیز تبدیل می‌شوند. این پرک‌ها سپس پلاستیکه و گرانول می‌شوند تا به چیپس PET تبدیل شوند و این چیپس‌ها به روش شکل‌دهی ترموپلاستیک به بطری‌های PET بازیافتی تبدیل می‌شوند.

ویسکوزیته ذاتی (IV) لازم برای قالب‌گیری دمشی PET نباید کمتر از ۰٫۷۴ dl/g باشد. با این حال، کیفیت بطری‌های PET پس از مصرف در فرایند بازیافت کاهش می‌یابد و ویسکوزیته ذاتی اغلب در فرایند اکستروژن مذاب افت می‌کند. معمولاً برای افزایش وزن مولکولی PET و رسیدن به الزامات قالب‌گیری دمشی، پلی‌کندانسیون حالت جامد یا افزایش ویسکوزیته در فاز مذاب لازم است.

مزایا

• فناوری فرآوری ساده؛ هزینهٔ سرمایه‌گذاری کم.
• کمترین اثر منفی بر محیط زیست.

معایب

• پیچیدگی آلاینده‌ها مانع بازیافت فیزیکی PET می‌شود.
• تغییر رنگ و افت عملکرد محصول ضایعات PET در هر چرخهٔ بازیافت از مشکلات اصلی بازیافت فیزیکی است.
• تشکیل الیگومرهای حلقوی و خطی در فرایند بازیافت فیزیکی ممکن است چاپ‌پذیری و رنگ‌پذیری محصول نهایی را کاهش دهد.
• PET بازیافت‌شده به روش فیزیکی به دلیل واکنش‌های شبکه‌ای‌شدن درون‌مولکولی و اکسایش، تمایل به زردشدن دارد.

در حال حاضر، فناوری تولید در بازیافت فیزیکی عمدتاً شامل اکستروژن با گاززدایی و افزایش ویسکوزیتهٔ پرک بطری PET است که گرانول PET بازیافتی فوق‌تمیز تولید می‌کند. میزان تمیزی تا حد زیادی به پارامترهای فرایند مانند دما، فشار، جریان هوا و زمان اقامت بستگی دارد.

USEON که توسعهٔ پایدار را در عمل دنبال می‌کند، از سال ۲۰۰۸ در خط مقدم توسعهٔ راهکارهای چرخشی بوده است. در حال حاضر، USEON نخستین شرکت در چین است که محصولات PET را با فناوری دوماردون و بدون تبلور یا خشک‌کردن بازیافت می‌کند. پس از تجربهٔ عملی گسترده، این فرایند افت ویسکوزیته ذاتی را زیر ۰٫۰۳ dl/g نگه می‌دارد و بازیافت اولیهٔ ضایعات PET را محقق می‌کند.

تا ژوئن ۲۰۲۴، USEON با موفقیت ۱۳۰ خط تولید بازیافت PET و گرانول‌سازی را برای مشتریان در سراسر جهان راه‌اندازی کرده است که راهکارهای گوناگون بازیافت PET، از جمله پرک بطری، ضایعات پارچه، نخ، فیلم و ورق را در بر می‌گیرد. در میان این‌ها، فناوری بطری به بطری می‌تواند سالانه ۲ میلیون تن بطری نوشیدنی را بازیافت کند و ۷۰ میلیون کیلووات‌ساعت برق صرفه‌جویی کند.