Matérias-primas de PET

Matérias-primas de PET: materiais de poliéster de alto desempenho e suas diversas aplicações

O tereftalato de polietileno (PET) é um poliéster aromático linear produzido pela reação de condensação do ácido tereftálico e do etilenoglicol. Como um dos cinco plásticos de engenharia mais comuns, o PET tornou-se um material polimérico indispensável na indústria moderna desde sua produção industrial na década de 1940, devido ao seu excelente desempenho abrangente, ampla gama de fontes de matéria-prima e processos de produção avançados. De garrafas de água mineral para uso diário a roupas de poliéster, de filmes para embalagens de alimentos a componentes automotivos, o PET penetrou em diversos campos da produção e da vida com suas vantagens únicas, promovendo o desenvolvimento sustentável da indústria de materiais.

1. Estrutura molecular e características principais do PET

A estrutura molecular do PET é o fator fundamental que determina seu desempenho. Sua unidade repetitiva é - OC-C ₆ H ₄ - COO-CH ₂ CH ₂ -, e a cadeia molecular contém anéis de benzeno rígidos e segmentos de metileno flexíveis. Essa estrutura confere ao PET rigidez e um certo grau de tenacidade.

Em termos de propriedades mecânicas, o PET apresenta alta resistência à tração e módulo de elasticidade, alongamento moderado na ruptura e melhor resistência ao impacto do que plásticos frágeis como o poliestireno. O PET sem tratamento apresenta boa rigidez e, após o tratamento de estiramento biaxial, sua resistência pode ser significativamente melhorada. Por exemplo, a resistência à tração do filme de PET estirado biaxialmente pode atingir 150-200 MPa, o que é próximo a 1/10 do aço. Essa característica de alta resistência o torna excelente em embalagens e materiais estruturais.

Em termos de desempenho térmico, a temperatura de transição vítrea do PET é de cerca de 70-80 °C, com um ponto de fusão entre 240-260 °C. A temperatura de uso a curto prazo pode atingir 120 °C, e a temperatura de uso a longo prazo é de 80-100 °C, o que pode atender aos requisitos de temperatura da maioria dos cenários diários e industriais. No entanto, a temperatura de deformação térmica do PET é relativamente baixa e ele é propenso à deformação em altas temperaturas sob estresse. Portanto, o PET puro é usado principalmente em cenários sem carga ou com baixa carga e alta temperatura. Para melhorar a resistência ao calor, é necessário alcançá-la por meio de modificações aprimoradas.

O desempenho de barreira é uma das principais vantagens do PET, que possui um bom efeito de barreira contra oxigênio, dióxido de carbono, vapor d'água, etc., e pode retardar eficazmente a deterioração por oxidação e a perda de umidade do conteúdo. Especialmente para o PET para garrafas, após o processo de estiramento biaxial, o arranjo da cadeia molecular é mais regular e as propriedades de barreira são ainda mais aprimoradas, tornando-o o material preferido para embalagens de bebidas, alimentos, cosméticos, etc. Por exemplo, garrafas de bebidas carbonatadas precisam suportar uma certa pressão interna, e as propriedades de barreira do PET podem prevenir eficazmente o vazamento de dióxido de carbono.

Em termos de resistência química, o PET apresenta boa tolerância à maioria dos solventes orgânicos, ácidos e bases, e não é facilmente corroído à temperatura ambiente. No entanto, reações de hidrólise podem ocorrer em condições fortemente alcalinas ou em altas temperaturas. Essa característica o torna adequado para o armazenamento de bebidas ácidas (como sucos), água neutra, etc., mas não para o armazenamento a longo prazo de líquidos fortemente alcalinos.

Além disso, o PET tem boa transparência e brilho, com uma transmitância de luz de mais de 90% após o processamento, o que pode exibir claramente o conteúdo e melhorar o apelo visual do produto; Ao mesmo tempo, o PET é fácil de processar e pode ser transformado em várias formas de produtos, como garrafas, filmes, folhas, fibras, etc. por meio de moldagem por injeção, moldagem por sopro, extrusão e outros processos.

2、 Processo de produção e fontes de matéria-prima do PET

A produção industrial de PET utiliza principalmente ácido tereftálico (PTA) e etilenoglicol (EG) como matérias-primas, gerados por meio de reações de condensação. Seu processo de produção constitui um sistema técnico maduro e estável, cujo núcleo é o controle preciso do processo de reação de polimerização para obter produtos com propriedades específicas.

Em termos de fontes de matéria-prima, o ácido tereftálico (PTA) é produzido principalmente pela oxidação do xileno (PX), proveniente da extração de hidrocarbonetos aromáticos no refino de petróleo; o etilenoglicol (EG) é produzido principalmente pela oxidação do etileno para produzir epoxietano, que é então hidratado. O etileno também provém do craqueamento de petróleo ou gás natural. Com a crescente demanda por proteção ambiental e desenvolvimento sustentável, houve progresso na pesquisa e desenvolvimento de matérias-primas de origem biológica. O etilenoglicol de origem biológica pode ser produzido por fermentação de biomassa e, em seguida, polimerizado com PTA para produzir PET de origem biológica, reduzindo a dependência de recursos fósseis.

O processo de produção do PET compreende principalmente duas etapas principais: esterificação e condensação. De acordo com a escala de produção e a demanda do produto, ele pode ser dividido em dois processos: polimerização em batelada e polimerização contínua.

A etapa de esterificação envolve a reação de esterificação entre PTA e EG sob alta temperatura e pressão, resultando na formação de tereftalato de di-hidroxietila (BHET) e água. A temperatura da reação é geralmente controlada entre 220 e 260 °C e a pressão é de 0,2 a 0,5 MPa, sendo a reação acelerada por catalisadores como antimônio e titânio. A reação de esterificação é reversível, e a água gerada precisa ser removida em tempo hábil para promover a reação direta e garantir que a taxa de esterificação atinja mais de 95%.

A etapa de condensação ocorre quando o BHET sofre uma reação de condensação sob condições de alta temperatura e vácuo, removendo o etilenoglicol e formando cadeias poliméricas de PET. A temperatura da reação é elevada para 270-290 ℃ e a pressão é reduzida para menos de 100 Pa. Produtos de pequenas moléculas (etilenoglicol) são removidos através de um ambiente de vácuo para promover o crescimento das cadeias moleculares. Os parâmetros de tempo e processo da reação de condensação afetam diretamente o peso molecular e a distribuição do peso molecular do PET, determinando assim o desempenho do produto. O processo de polimerização contínua atinge a produção contínua por meio de múltiplos reatores em série, o que apresenta as vantagens de alta eficiência de produção e qualidade estável do produto, sendo adequado para a produção industrial em larga escala. A polimerização intermitente possui grande flexibilidade e é adequada para a produção em pequena escala e de múltiplas variedades.

Após a conclusão da reação de polimerização, o PET fundido é moldado e cortado em fatias de PET, que são matérias-primas sólidas de PET. As fatias precisam ser secas para remover a umidade (o teor de umidade deve ser inferior a 0,005%), a fim de evitar a perda de peso molecular devido à hidrólise durante o processamento subsequente. De acordo com diferentes requisitos de aplicação, a viscosidade intrínseca (valor IV) das fatias de PET pode ser controlada ajustando os parâmetros do processo. O valor IV das fatias de PET para garrafas é geralmente de 0,7 a 0,8 dL/g, o de membrana é de 0,6 a 0,7 dL/g e o de fibra é de 0,6 a 0,9 dL/g.

A modificação por copolimerização é um meio importante para expandir a faixa de desempenho do PET. A introdução de terceiros monômeros (como ciclohexanodimetanol e ácido isoftálico) durante o processo de polimerização permite alterar a estrutura da cadeia molecular para obter produtos de PET modificados. Por exemplo, o PET é copolimerizado com ciclohexanodimetanol para produzir PETG, o que melhora significativamente sua flexibilidade, resistência ao impacto e processabilidade, tornando-o adequado para embalagens de alta transparência e dispositivos médicos. A adição de ácido isoftálico pode reduzir a cristalinidade do PET, melhorando seu desempenho de processamento e sua resistência química.

3、 Diferenças de classificação e desempenho do PET

De acordo com a área de aplicação e os requisitos de desempenho, o PET pode ser dividido em quatro categorias: PET para garrafas, PET para filmes, PET para fibras e PET para engenharia. Diferentes tipos de PET apresentam diferenças significativas em peso molecular, cristalinidade, desempenho de processamento, etc., para atender às necessidades de diferentes cenários.

O PET para garrafas é a variedade de PET mais amplamente produzida, sendo utilizado principalmente na produção de diversas garrafas plásticas. Possui alta viscosidade intrínseca (0,7-0,8 dL/g), excelente transparência, resistência mecânica e propriedades de barreira, além de excelente resistência ao impacto e à pressão interna. Para atender aos requisitos de moldagem por sopro, os chips de PET para garrafas precisam apresentar boa fluidez do fundido e estabilidade de processamento. Após a moldagem por injeção em pré-formas, eles são transformados em garrafas por meio da tecnologia de moldagem por sopro por estiramento biaxial. O processo de estiramento orienta as cadeias moleculares, melhorando ainda mais a resistência e as propriedades de barreira. O PET para garrafas pode ser dividido em: grau para garrafas de água, grau para garrafas de bebidas carbonatadas, grau para garrafas envasadas a quente, etc. De acordo com suas aplicações, o PET para garrafas envasadas a quente pode melhorar sua resistência ao calor por meio da modificação por copolimerização e pode suportar processos de envase a quente a 85-95 ℃.

O PET de grau de filme é utilizado principalmente na produção de diversos produtos de filme fino, com viscosidade intrínseca ligeiramente menor que a de grau de garrafa (0,6-0,7 dL/g) e boas propriedades mecânicas, resistência ao calor e isolamento. O filme de PET é produzido por extrusão ou por estiramento biaxialmente orientado. Após o estiramento longitudinal e transversal, a resistência, a transparência e as propriedades de barreira do filme de PET biaxialmente orientado (BOPET) são significativamente melhoradas. É amplamente utilizado em filmes para embalagens de alimentos (como sacos para vapor), filmes isolantes (como filmes para capacitores), filmes de proteção de cartões, filmes de folha traseira fotovoltaica, etc. O PET de grau de filme pode melhorar o desempenho do filme adicionando lubrificantes, agentes antiaderentes, etc., como a redução do coeficiente de atrito para facilitar o enrolamento e o processamento.

O PET de grau de fibra é a principal matéria-prima na indústria têxtil, sendo o poliéster (fibra de poliéster) a matéria-prima. Possui uma ampla faixa de viscosidade intrínseca (0,6-0,9 dL/g), e os parâmetros são ajustados de acordo com o tipo de fibra (filamento, fibra curta). O PET de grau de fibra é transformado em fibras de poliéster por meio do processo de fiação por fusão, que apresenta as vantagens de alta resistência, resistência ao desgaste, resistência a rugas e fácil lavagem. É amplamente utilizado em vestuário, têxteis para o lar e têxteis industriais (como geotêxteis e tecidos filtrantes). Ao ajustar o processo de fiação, podem ser produzidas fibras de poliéster com diferentes propriedades, como fibras de alta resistência e baixo alongamento para uso industrial e fibras ultrafinas para tecidos de alta qualidade.

O PET de grau de engenharia é um PET de alto desempenho obtido por meio de reforço, têmpera e outros tratamentos de modificação, sendo utilizado principalmente para substituir metais ou outros plásticos de engenharia na produção de componentes estruturais. A adição de materiais de reforço, como fibra de vidro e fibra de carbono, pode aumentar significativamente a resistência, a rigidez e a resistência ao calor do PET. A resistência à tração do PET reforçado com fibra de vidro pode atingir mais de 150 MPa e a temperatura de deformação térmica pode exceder 200 ℃. É adequado para peças automotivas (como maçanetas, painéis de instrumentos), carcaças eletrônicas e elétricas, peças mecânicas, etc. O PET de grau de engenharia também pode melhorar seu desempenho de impacto adicionando agentes de têmpera (como elastômeros) ou retardantes de chama para atender aos requisitos de proteção contra incêndio.

4、 As diversas áreas de aplicação do PET

O PET, com seu excelente desempenho abrangente e diversos métodos de processamento, tem sido amplamente utilizado em vários campos, como embalagens, têxteis, eletrônicos, automóveis e construção, tornando-se um material indispensável na indústria moderna e na vida diária.

O setor de embalagens é uma das áreas mais amplamente utilizadas para PET, com predominância do PET para garrafas. Em embalagens de bebidas, as garrafas PET tornaram-se o recipiente de embalagem preferido para água mineral, refrigerantes, sucos de frutas, chás, etc. devido à sua transparência, leveza, resistência ao impacto e boas propriedades de barreira. Mais de 500 bilhões de garrafas PET são produzidas em todo o mundo a cada ano. As garrafas PET reduzem continuamente o consumo de material por meio de um design leve, além de apresentarem boa reciclabilidade, promovendo o desenvolvimento da economia circular. Em embalagens de alimentos, o filme BOPET é usado para fazer sacos de cozimento e filmes para embalagem a vácuo, que podem suportar esterilização em alta temperatura de 121 °C e estender a vida útil dos alimentos; as folhas de PET são termoformadas em caixas moldadas a vácuo para embalar carnes, frutas, doces, etc., que oferecem transparência e proteção.

Na indústria têxtil, as fibras de poliéster feitas de PET de grau de fibra são as fibras sintéticas mais amplamente produzidas, representando mais de 60% da produção global de fibras. O filamento de poliéster é usado na fabricação de tecidos para vestuário, como camisas, vestidos e roupas esportivas, e possui as características de rigidez e fácil manutenção; a mistura de fibras de poliéster com fibras naturais, como algodão e lã, melhora a resistência ao desgaste e a retenção da forma do tecido; a fibra de poliéster industrial é usada na fabricação de geotêxteis (para reforçar o solo), materiais filtrantes (como filtros de ar), cintos de segurança, tendas, etc. Sua alta resistência e resistência às intempéries atendem às necessidades industriais.

No setor de aparelhos eletrônicos, o filme PET desempenha um papel importante. O filme BOPET é usado para fabricar filmes para capacitores, filmes isolantes para motores, substratos flexíveis para placas de circuitos, etc., devido ao seu excelente desempenho isolante e resistência ao calor; as folhas de PET são impressas e estampadas em painéis decorativos, placas de identificação e outros dispositivos eletrônicos. Após a modificação, o PET de nível técnico é usado para fabricar componentes como conectores, invólucros de interruptores, suportes para displays, etc., com isolamento e resistência mecânica.

Na indústria automotiva, o PET de grau de engenharia é reforçado e modificado para a produção de peças internas automotivas (como painéis de instrumentos e painéis de portas), peças externas (como carcaças de espelhos retrovisores) e componentes funcionais (como grades de radiador). Suas características de leveza podem reduzir o consumo de combustível e sua resistência química e às intempéries atende às necessidades de longo prazo do uso automotivo. O PET também é usado para isolamento de chicotes elétricos automotivos, tecidos de assentos (tecidos de poliéster), etc., expandindo ainda mais sua aplicação no setor automotivo.

No campo da arquitetura, o material PET é usado para produzir materiais de isolamento térmico (como algodão isolante PET), membranas de impermeabilização, películas decorativas, etc. O algodão isolante PET tem as características de leveza, retardante de chamas e bom efeito isolante, e é adequado para isolamento de paredes externas de edifícios; a membrana de impermeabilização PET é resistente ao envelhecimento e à perfuração, usada em projetos de impermeabilização de telhados e porões; a película decorativa PET é aplicada à superfície da placa para melhorar sua estética e resistência ao desgaste.

Além disso, o PET é usado na área médica para fazer frascos de infusão, invólucros de seringas, etc. Sua estabilidade química e higiene atendem aos padrões médicos; No campo da impressão 3D, o fio PET é usado na tecnologia de impressão FDM para produzir modelos e peças de alta resistência.

5. A proteção ambiental e as tendências de desenvolvimento do PET

Com a crescente conscientização global sobre a proteção ambiental, a sustentabilidade e o desenvolvimento sustentável do PET tornaram-se as principais preocupações da indústria. Suas tecnologias de reciclagem e produção sustentável continuam a se destacar, promovendo a transformação da indústria de PET em direção a uma economia circular.

A vantagem ambiental do PET reside em sua boa reciclabilidade e alto valor de reciclagem. Produtos de PET residuais (como garrafas PET, filmes e fibras) podem ser reciclados por meio de dois métodos: reciclagem física e reciclagem química. A reciclagem física é o processo de triagem, limpeza, trituração e derretimento de PET residual em fatias de PET reciclado. O PET reciclado pode ser usado para produzir produtos de grau de garrafa, grau de filme, grau de fibra e outros. Por exemplo, garrafas PET recicladas são usadas para embalagens não alimentícias e fibras recicladas são usadas para fazer carpetes e tecidos para vestuário (como tecidos de poliéster reciclado). A reciclagem química decompõe o PET em monômeros de PTA e EG por meio de hidrólise, alcoólise e outras tecnologias, e os utiliza como matérias-primas para produzir novo PET, alcançando uma circulação em circuito fechado. A reciclagem química pode tratar resíduos de PET complexos e poluídos, e o desempenho das matérias-primas recicladas é próximo ao das matérias-primas, que podem ser usadas na área de contato com alimentos.

Atualmente, o principal desafio enfrentado pela reciclagem de PET é a imperfeição do sistema de reciclagem. A taxa global de reciclagem de garrafas PET é de cerca de 50%, e algumas regiões apresentam baixas taxas de reciclagem devido à falta de conscientização sobre a reciclagem classificada e aos altos custos de reciclagem. Além disso, a estabilidade do desempenho e a higiene do PET reciclado precisam ser rigorosamente controladas para evitar impurezas que afetem a qualidade do produto.

No futuro, o desenvolvimento do PET caminhará em direção a um alto desempenho, ecologicamente correto e funcional. Em termos de alto desempenho, tecnologias de design e modificação molecular são utilizadas para aprimorar a resistência ao calor, ao impacto e as propriedades de barreira do PET, como o desenvolvimento de PET resistente a altas temperaturas para envase a quente e áreas de engenharia, e PET de alta barreira para embalagens de produtos de alto valor agregado.

Em termos de ecologização, a pesquisa e o desenvolvimento de PET de base biológica estão acelerando, com o objetivo de atingir 100% de produção de matéria-prima de base biológica e reduzir a pegada de carbono; Ao mesmo tempo, otimizar a tecnologia de reciclagem, melhorar a pureza e a eficiência da reciclagem física, expandir a escala industrial da reciclagem química e construir um sistema de ciclo completo de "produçãoconsumoreciclagemregeneração".

Em termos de funcionalização, desenvolver materiais PET com funções especiais, como PET antibacteriano para embalagens de alimentos, PET retardante de chamas para as áreas de eletrônica e construção, e PET responsivo inteligente (como mudança de cor sensível à temperatura e degradação controlável) para embalagens de alta qualidade e áreas médicas. Além disso, a tecnologia de compósitos de PET com outros materiais (como compósitos de PET/grafeno) expandirá ainda mais seus limites de desempenho e atenderá às necessidades de campos emergentes.

O PET, como um material polimérico de alto desempenho, reflete a estreita integração entre a ciência dos materiais e a demanda industrial em seu processo de desenvolvimento. De embalagens diárias a aplicações industriais de ponta, o PET apoia o funcionamento da sociedade moderna com suas vantagens únicas. Com o avanço da tecnologia de proteção ambiental e a promoção da economia circular, o PET alcançará o desenvolvimento sustentável, mantendo a praticidade, contribuindo para uma sociedade verde e de baixo carbono.