Hướng dẫn về polyethylene terephthalate (PET)

Ứng dụng dạng xơ sợi

Ở giai đoạn đầu phát triển, PET chủ yếu được dùng để sản xuất xơ tổng hợp (chiếm khoảng 70% lượng PET tiêu thụ).

Polyester nổi bật nhờ độ bền xơ cao và đặc tính sử dụng tốt trong may mặc, hiện là loại xơ tổng hợp có sản lượng lớn nhất. Xơ ngắn có thể pha với bông, len hoặc lanh để làm vải may mặc hoặc hàng dệt gia dụng, còn sợi filament có thể dùng cho may mặc hoặc mục đích công nghiệp như vải lọc, vải mành lốp, dù, băng tải và dây an toàn.

Ứng dụng ngoài xơ sợi

Ngoài xơ sợi, PET chủ yếu được dùng trong ba nhóm: màng và tấm, chai, và nhựa kỹ thuật.

2.2.1 Màng và tấm

Chủ yếu dùng làm vật liệu bao bì cho thực phẩm, dược phẩm và bao bì vệ sinh vô trùng, không độc; bao bì cao cấp cho hàng dệt, thiết bị chính xác và linh kiện điện tử; lớp nền cho băng âm thanh, băng video, phim chụp ảnh, phim điện ảnh, đĩa từ, đĩa CD và thẻ từ; màng tụ điện, bảng mạch in dẻo và công tắc màng.

Màng PET có ưu điểm trong suốt, chịu dầu, giữ mùi hương, bảo đảm vệ sinh và dải nhiệt độ sử dụng rộng (phù hợp cả tiệt trùng nhiệt độ cao lẫn bao bì đông lạnh). Tuy nhiên, màng PET hàn nhiệt kém nên phải ghép với màng khác (lớp hàn nhiệt), và giá tương đối cao hơn các loại màng nhựa thông dụng nên ứng dụng bao bì còn hạn chế.

2.2.2 Chai

Vì PET dễ đạt trạng thái gần như vô định hình, trong suốt cao và dễ kéo giãn khi làm nguội nhanh, PET có thể dùng để sản xuất màng bao bì định hướng hai chiều, hoặc thổi kéo giãn phôi vô định hình thành chai có độ bền cao và độ trong suốt cao. PET cũng có thể được đùn hoặc thổi trực tiếp thành bao bì rỗng không kéo giãn. Chai PET có độ trong suốt cao và tính rào cản tốt, phù hợp làm bao bì bảo quản tươi cho bia, rượu, nước giải khát có ga, dầu ăn, thực phẩm, gia vị, dược phẩm, mỹ phẩm và sản phẩm chăm sóc sức khỏe.

2.2.3 Nhựa kỹ thuật

Các loại PET gia cường chủ yếu được dùng trong những lĩnh vực sau:

• Điện và điện tửĐầu nối, ống quấn cuộn dây, vỏ mạch tích hợp, vỏ tụ điện, vỏ máy biến áp, linh kiện tivi, bộ dò kênh, công tắc, vỏ bộ hẹn giờ và rơ-le.
• Phụ tùng ô tôNắp bảng phân phối điện, van, chi tiết hệ thống xả, nắp bộ chia điện, vỏ động cơ điện nhỏ, các chi tiết kết cấu như vỏ gương và chi tiết điện như chóa phản quang đèn pha.
• Chi tiết cơ khíBánh răng, cam, vỏ bơm, puli, khung động cơ, chi tiết đồng hồ, vỏ động cơ, đầu nối điện, rơ-le, công tắc, chi tiết bên trong lò vi sóng, v.v.
• Ứng dụng công nghiệpVỏ bơm, dụng cụ cầm tay, vật liệu khóa kéo. PET là vật liệu khóa kéo thế hệ thứ ba sau PA và POM, dùng được cho cả quy cách bản rộng và bản hẹp.

Phương pháp trao đổi este (phương pháp DMT)

Trong quy trình này, dimethyl terephthalate (DMT) phản ứng trao đổi este với ethylene glycol (EG), sau đó trùng ngưng tạo thành PET. Ở giai đoạn đầu, monome PTA có độ tinh khiết không cao và khó tinh chế, nên không thể sản xuất PET đạt chất lượng bằng trùng ngưng trực tiếp. Vì vậy, TPA chưa tinh khiết được cho phản ứng với metanol trước để tạo dimethyl terephthalate (DMT), chất dễ tinh chế hơn. Sau đó, DMT có độ tinh khiết cao (≥99,9%) phản ứng trao đổi este với EG để tạo BHET, rồi BHET được trùng hợp thành PET.

Phương pháp este hóa trực tiếp (phương pháp PTA)

Trong phương pháp này, axit terephthalic tinh khiết cao (PTA) hoặc axit terephthalic tinh khiết trung bình (MTA) phản ứng trực tiếp với ethylene glycol (EG) để tạo polyester qua các bước este hóa và trùng ngưng. Phương pháp này phát triển nhanh sau khi Amoco tinh chế thành công axit terephthalic thô vào năm 1965, và sản lượng PET cũng tăng theo.

Khi dùng PTA làm nguyên liệu, quá trình sản xuất polyme PET gồm hai phản ứng chính: thứ nhất, PTA phản ứng este hóa với EG để tạo bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET); thứ hai, BHET trùng ngưng với sự có mặt của chất xúc tác để tạo thành PET.

Nhờ nhiều ưu điểm so với phương pháp DMT — tiêu hao nguyên liệu thấp hơn, hệ thống thu hồi EG nhỏ hơn, không sinh sản phẩm phụ metanol, sản xuất an toàn hơn, quy trình ngắn hơn, vốn đầu tư thấp hơn, chi phí năng lượng phụ trợ và chi phí sản xuất thấp hơn, tốc độ phản ứng ổn định hơn và kiểm soát sản xuất ổn định hơn — phần lớn công suất PET trên thế giới hiện nay dùng phương pháp PTA.

Phương pháp cộng ethylene oxide (phương pháp EO)

Vì ethylene glycol được sản xuất từ ethylene oxide (EO), PET cũng có thể được sản xuất bằng cách cho EO phản ứng trực tiếp với PTA để thu BHET, sau đó trùng ngưng thành PET. Phương pháp này gọi là phương pháp cộng ethylene oxide.

Quy trình này bỏ qua bước sản xuất ethylene glycol từ EO, nhờ đó giảm chi phí và tăng tốc độ phản ứng, nên ưu việt hơn phương pháp este hóa trực tiếp. Tuy nhiên, EO dễ mở vòng tạo polyete và sinh nhiệt phản ứng lớn (khoảng 100 kJ/mol); đồng thời EO là chất khí ở nhiệt độ phòng, dễ phân hủy nhiệt, gây khó khăn cho vận chuyển và bảo quản, nên phương pháp này chưa được áp dụng rộng rãi.

Biến tính PET bằng chất độn

Biến tính bằng chất độn là một trong những cách trực tiếp và hiệu quả nhất để nâng cao toàn diện tính chất vật liệu, bằng cách dùng các thành phần vô cơ hoàn toàn khác với nền polyme.

PET biến tính bằng hạt nano

Hiện nay, nghiên cứu về composite PET biến tính bằng hạt nano đã khá hoàn thiện. Ke và cộng sự dùng đất sét dạng lớp để biến tính PET và thu được nanocomposite PET/đất sét bằng trùng hợp xen lớp. Kết quả cho thấy khi hàm lượng đất sét là 5% khối lượng, nhiệt độ biến dạng nhiệt của vật liệu composite tăng khoảng 20 °C đến 50 °C so với PET nguyên chất, và mô đun của composite tăng gấp đôi so với PET.

PET biến tính bằng sợi thủy tinh

So với hạt nano, sợi thủy tinh (GF) cỡ micromet có ưu thế nổi bật về chi phí và khả năng kiểm soát, nên được dùng rộng rãi trong biến tính độn vật liệu polyme.

Biến tính PET bằng phương pháp blend

Hai hay nhiều polyme, trong đó có PET, được pha trộn theo tỷ lệ thích hợp trong điều kiện nhiệt độ và ứng suất cắt xác định để tạo thành hợp kim polyme hoặc polyme blend có tính chất mới. Khả năng tương hợp giữa các polyme là yếu tố then chốt khi chế tạo loại vật liệu này.

PET biến tính bằng polyolefin

PET và PE khác biệt lớn về cấu trúc hóa học và không tương hợp với nhau. Pha trộn đơn giản hai thành phần cho thấy muốn cải thiện khả năng chịu va đập của PET bằng phương pháp blend thì cần trợ tương hợp để tăng độ tương hợp. Trong hỗn hợp HDPE/PET, độ bền va đập được cải thiện khi bổ sung EVA và EAA.
Khi blend PET với PP, hợp kim thu được kết hợp ưu điểm của cả hai và cải thiện tính chất: PET tăng khả năng chịu nhiệt của PP, còn PP giảm độ nhạy ẩm của PET. Nếu không có chất trợ tương hợp, hỗn hợp PET/PP có liên kết giữa các pha yếu và tính chất cơ học kém.

PET/PS cũng là hệ không tương hợp, cần chất trợ tương hợp để pha trộn tương hợp. Nghiên cứu cho thấy khi bổ sung copolyme styren và glycidyl methacrylat P(S-GMA) làm chất trợ tương hợp phản ứng vào hệ blend PET/PS, hệ PET/PS/P(S-GMA) có liên kết giữa các pha tốt và tính chất cơ học được cải thiện.

PET biến tính bằng polyester

PBT là một loại nhựa kỹ thuật mới, phát triển nhanh vào thập niên 1970. PBT kết tinh nhanh hơn PET, có độ dai và khả năng tạo hình tốt, nhưng chịu nhiệt kém hơn PET và giá cao hơn. Theo Teijin Corporation, bổ sung 0,5% bột talc làm chất tạo mầm vào hỗn hợp PET và PBT sẽ cho vật liệu blend có khả năng chịu va đập tốt và độ co ngót khi tạo hình thấp.

PC có tính chất cơ học vượt trội, độ dai tốt và nhiệt độ hóa thủy tinh cao, nhưng độ chảy và khả năng chống lão hóa kém. Blend PET với PC có thể cải thiện độ bền va đập. Hỗn hợp PET và PC đã được công nghiệp hóa ở ngoài Trung Quốc và được dùng rộng rãi cho phụ tùng ô tô.

PET tăng dai bằng chất đàn hồi

ABS là một trong những polyme được dùng rộng rãi nhất, không chỉ có độ dai tốt mà tính năng tổng hợp còn tốt hơn HIPS. Blend PET với ABS có thể cải thiện độ bền va đập của PET.

Nghiên cứu cho thấy khối lượng phân tử của PET trong hỗn hợp rất nhạy với nhiệt độ gia công. Sự thủy phân mạch PET có liên quan đến tạp chất xúc tác còn sót lại trong ABS. Khối lượng phân tử PET giảm làm suy giảm đáng kể độ bền va đập và độ giãn dài khi đứt, nhưng không ảnh hưởng đến mô đun và độ bền uốn.

Ưu điểm của máy đùn trục vít đôi USEON trong biến tính PET

• Trộn và phân tán hiệu quảMáy đùn trục vít đôi quay cùng chiều USEON có mô-men xoắn cao và khả năng trộn, phân tán rất tốt, đảm bảo các phụ gia, chất độn và vật liệu gia cường phân tán đồng đều vào nền PET, từ đó nâng cao độ đồng nhất và tính năng của vật liệu.
• Kiểm soát nhiệt độ chính xácĐược trang bị hệ thống điều khiển nhiệt độ của nhà cung cấp châu Âu, máy đùn trục vít đôi quay cùng chiều USEON cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ gia công, đảm bảo vật liệu được gia công ở nhiệt độ tối ưu và tránh phân hủy.
• Linh hoạt caoThiết kế dạng module của máy đùn trục vít đôi quay cùng chiều USEON cho phép kết hợp và điều chỉnh linh hoạt các phần tử trục vít theo yêu cầu gia công của từng loại vật liệu, thích ứng tốt với nhiều quy trình khác nhau.
• Khả năng tự làm sạchMáy đùn trục vít đôi quay cùng chiều USEON có khả năng tự làm sạch tốt, giảm thời gian dừng máy để vệ sinh và nâng cao hiệu suất sản xuất.

Tái chế hóa học PET

Quá trình tổng hợp PET ban đầu gồm phản ứng ngưng tụ giữa axit terephthalic tinh khiết (PTA) với ethylene glycol (EG), hoặc phản ứng trao đổi este giữa dimethyl terephthalate (DMT) với EG, tạo ra sản phẩm bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET); sau đó BHET tiếp tục trùng ngưng giữa các diester.

Bản chất của tái chế hóa học chai PET là phản ứng depolyme hóa PET: trong những điều kiện nhất định, PET được phân hủy hoàn toàn thành các monome như PTA, DMT, BHET, EG, hoặc một phần thành oligome. Các hóa chất thường dùng để depolyme hóa PET gồm nước (thủy phân), metanol (metanol phân) và EG (glycol phân).

Ưu điểm

• Phế liệu PET có thể được phân hủy thành monome và/hoặc oligome cùng các hóa chất khác.
• So với các phương pháp tái chế khác, phương pháp này tuân thủ đầy đủ nguyên tắc “phát triển bền vững”.
• PET tái trùng hợp từ monome thu hồi đạt khối lượng phân tử (độ nhớt đặc trưng) theo yêu cầu.
• Các dòng phế liệu bị nhiễm bẩn và có thành phần rất phức tạp vẫn có thể tái chế thành sản phẩm đạt quy cách yêu cầu.
• Trong quá trình tái chế hóa học PET, khả năng gia công của sản phẩm cuối như khả năng in và khả năng nhuộm màu có thể đạt mức mong muốn.
• Sản phẩm PET không bị ngả vàng trong quá trình tái chế hóa học.

Nhược điểm

• Chi phí sản xuất khi depolyme hóa PET bằng phương pháp hóa học cao hơn chi phí sản xuất PET trực tiếp, nên nếu không có ưu đãi kinh tế, PET tái chế hóa học sẽ có giá thành cao hơn.
• Cần sản xuất quy mô lớn để đạt hiệu quả chi phí và tính khả thi.

Tái chế vật lý PET

Tái chế vật lý là quá trình biến sản phẩm PET thải bỏ thành mảnh PET được làm sạch sâu qua các bước nghiền, phân loại, rửa và sấy. Các mảnh này sau đó được hóa dẻo và tạo hạt thành hạt PET (chip PET), rồi được tạo hình nhiệt dẻo thành chai PET tái chế.

Giá trị độ nhớt đặc trưng (IV) cần cho thổi khuôn PET không được thấp hơn 0,74 dl/g. Tuy nhiên, chất lượng chai PET sau tiêu dùng giảm trong quá trình tái chế, và độ nhớt đặc trưng thường giảm khi đùn nóng chảy. Do đó, thường cần trùng ngưng pha rắn hoặc tăng độ nhớt pha nóng chảy để nâng khối lượng phân tử PET, đáp ứng yêu cầu thổi khuôn.

Ưu điểm

• Công nghệ gia công đơn giản; chi phí đầu tư thấp.
• Tác động tiêu cực đến môi trường ở mức tối thiểu.

Nhược điểm

• Tạp chất nhiễm bẩn phức tạp gây cản trở cho tái chế vật lý PET.
• Hiện tượng đổi màu và suy giảm tính năng sản phẩm của phế liệu PET sau mỗi vòng tái chế là những vấn đề lớn của tái chế vật lý.
• Oligome mạch vòng và mạch thẳng sinh ra trong quá trình tái chế vật lý có thể làm giảm khả năng in và khả năng nhuộm màu của sản phẩm cuối.
• PET tái chế vật lý dễ bị ngả vàng do phản ứng liên kết ngang nội phân tử và phản ứng oxy hóa.

Hiện nay, công nghệ sản xuất trong tái chế vật lý chủ yếu gồm đùn khử khí và tăng độ nhớt cho mảnh chai PET, tạo ra hạt PET tái chế siêu sạch. Độ sạch phụ thuộc phần lớn vào các thông số gia công như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng khí và thời gian lưu trong quá trình.

Là đơn vị thực hành phát triển bền vững, USEON đã đi đầu trong phát triển các giải pháp tuần hoàn từ năm 2008. Hiện nay, USEON là công ty đầu tiên tại Trung Quốc tái chế sản phẩm PET bằng công nghệ trục vít đôi mà không cần kết tinh hay sấy. Qua thực tiễn sâu rộng, quy trình này giữ mức giảm độ nhớt đặc trưng dưới 0,03 dl/g, đạt được tái chế sơ cấp cho phế liệu PET.

Tính đến tháng 6 năm 2024, USEON đã triển khai thành công 130 dây chuyền tái chế PET và tạo hạt cho khách hàng toàn cầu, bao gồm nhiều giải pháp tái chế PET khác nhau như mảnh chai, vải phế liệu, sợi, màng và tấm. Trong đó, công nghệ chai sang chai (bottle-to-bottle) có thể tái chế 2 triệu tấn chai đồ uống mỗi năm, tiết kiệm 70 triệu kWh điện.