Matérias-primas PETG

Matérias-primas de PETG: características e aplicações de materiais de copoliéster de alto desempenho

O PETG (éster de polietileno tereftalato ciclohexanodimetanol) é um poliéster termoplástico não cristalino modificado pela copolimerização ternária de ácido tereftálico (PTA), etilenoglicol (EG) e ciclohexanodimetanol (CHDM). Como uma importante variedade modificada de PET, o PETG superou as limitações de desempenho do PET tradicional com sua excelente transparência, flexibilidade, processabilidade e respeito ao meio ambiente. Demonstrou vantagens únicas nos setores de embalagens, médico, construção civil, eletrônicos de consumo e outros, tornando-se um material de alto desempenho e alto peso molecular em rápido desenvolvimento nos últimos anos.

1、 Estrutura molecular e características do núcleo

A estrutura molecular do PETG é a base de suas vantagens de desempenho. Comparado ao PET cristalino, o PETG introduz o monômero ciclohexanodimetanol (CHDM) na cadeia molecular, substituindo parte do etilenoglicol, quebrando o arranjo regular das cadeias moleculares do PET, reduzindo significativamente a capacidade de cristalização e formando estruturas amorfas ou de baixa cristalinidade. Este design molecular apresenta uma série de excelentes características.

A transparência é uma das propriedades mais notáveis do PETG, com transmitância de luz superior a 90%, turbidez inferior a 1%, alto brilho e comparável a materiais transparentes como policarbonato (PC) e acrílico (PMMA). A estrutura amorfa evita a dispersão de luz causada pela cristalização do PET e pode manter alta transparência mesmo em produtos de paredes espessas, resolvendo os problemas de fácil branqueamento e redução da transparência em produtos PET comuns de paredes espessas.

Em termos de propriedades mecânicas, o PETG apresenta boa tenacidade e rigidez. Sua resistência ao impacto é de 3 a 5 vezes maior que a do PET comum, e sua resistência ao impacto de entalhe pode atingir mais de 60 kJ/m², muito superior à do PET comum frágil. Ao mesmo tempo, a resistência à tração atinge 30-50 MPa e o módulo de flexão é de 1500-2500 MPa, atendendo aos requisitos mecânicos da maioria dos componentes estruturais. O PETG possui excelente flexibilidade, com um alongamento de fratura de até 200% a 300%. Pode ser processado por dobramento a frio, dobramento, etc., sem quebrar, tornando-o adequado para a fabricação de produtos que exigem um certo grau de elasticidade.

Em termos de desempenho térmico, a temperatura de transição vítrea (Tg) do PETG é de cerca de 78-88 °C. Embora seja inferior ao ponto de fusão de cristalização do PET, sua temperatura de deformação térmica é relativamente alta (65-75 °C), permitindo seu uso estável à temperatura ambiente por um longo período. Além disso, possui excelente resistência a baixas temperaturas e mantém boa tenacidade a -40 °C sem fragilidade. Comparado ao PC, o PETG possui uma temperatura de processamento mais baixa (geralmente 230-270 °C), menor consumo de energia e é menos sujeito à degradação em altas temperaturas.

Em termos de estabilidade química, o PETG apresenta boa resistência à água, ácidos, álcalis, etc., e sua resistência à corrosão química é superior à do PMMA e do PC. Não é facilmente corroído por produtos químicos comuns, como álcool e detergentes, e sua superfície apresenta boa resistência a arranhões, com dureza Shore D78-85, que pode ser ainda mais aprimorada com revestimento. Ao mesmo tempo, o PETG é inodoro, atóxico e atende aos padrões de materiais para contato com alimentos, como FDA e UE 10/2011. Também possui certificações de grau médico, como USP Classe VI, e sua segurança é amplamente reconhecida.

O desempenho de processamento é outra grande vantagem do PETG. Como um material amorfo, o PETG apresenta boa fluidez no estado fundido, baixa taxa de contração na moldagem (0,5% a 1,5%), excelente estabilidade dimensional e é adequado para moldagem de precisão. Pode ser processado por meio de diversos processos, como moldagem por injeção, extrusão, moldagem por sopro e termoformagem, e possui uma ampla janela de processamento, não propensa a trincas por tensão. Possui boas propriedades de pós-processamento (como impressão, colagem e soldagem) e pode atender às necessidades de produção de produtos complexos.

2、 Processo de produção e fontes de matéria-prima

O processo de produção do PETG baseia-se na tecnologia de polimerização de poliéster, tendo como núcleo o controle preciso da proporção e do processo de polimerização de monômeros ternários para alcançar a regulação da estrutura molecular. Suas principais matérias-primas incluem ácido tereftálico (PTA), etilenoglicol (EG) e ciclohexanodimetanol (CHDM), entre os quais a pureza e a proporção de CHDM afetam diretamente o desempenho do PETG.

Em termos de fontes de matéria-prima, o PTA e o EG do PETG tradicional provêm principalmente da cadeia da indústria petroquímica e são produzidos por meio de processos como o craqueamento da nafta; o CHDM é produzido por meio de etapas como a oxidação e a hidrogenação do ciclohexano, e também depende de recursos fósseis. Nos últimos anos, houve avanços na pesquisa e no desenvolvimento de matérias-primas de origem biológica, e a industrialização do PTA de origem biológica (produzido por fermentação de biomassa), do EG de origem biológica e do CHDM de origem biológica tem avançado gradualmente, possibilitando a produção sustentável de PETG e reduzindo significativamente a pegada de carbono dos produtos.

O processo de produção do PETG compreende principalmente três etapas principais: esterificação, copolimerização e polimerização, e granulação. Na etapa de esterificação, o PTA passa primeiramente por uma reação de esterificação com EG e CHDM a 180-220 °C e 0,2-0,5 MPa para produzir tereftalato de di-hidroxietila, tereftalato de ciclohexanodimetanol e água. A reação é acelerada por um catalisador (como um catalisador à base de titânio) e a água é removida em tempo hábil para promover a reação direta. A taxa de esterificação deve ser superior a 95%.

A etapa de copolimerização e condensação baseia-se no produto de esterificação, aquecido a 240-270 °C e realizado em ambiente de vácuo (pressão ≤ 100 Pa) para a reação de condensação, removendo produtos de pequenas moléculas (principalmente EG) para aumentar a cadeia molecular. Nesta etapa, é necessário controlar rigorosamente a proporção de CHDM adicionada (geralmente 30% a 50% da quantidade total de dióis). Se a proporção for muito alta, reduzirá a resistência ao calor do material e, se for muito baixa, não danificará efetivamente a cristalinidade. O tempo e a temperatura da reação de condensação afetam diretamente a viscosidade intrínseca (valor IV) do PETG, que geralmente é controlada entre 0,7-1,2 dL/g para equilibrar a processabilidade e as propriedades mecânicas.

Após a polimerização, o PETG fundido é moldado e cortado em fatias granulares brancas ou transparentes, que precisam ser rigorosamente secas (teor de umidade ≤ 0,005%) para evitar a perda de peso molecular devido à hidrólise durante o processamento subsequente. De acordo com os requisitos da aplicação, antioxidantes, lubrificantes, absorvedores de UV e outros aditivos podem ser adicionados durante a etapa de granulação para melhorar a estabilidade térmica, a processabilidade e a resistência às intempéries do produto. A seleção de aditivos deve atender aos padrões de contato com alimentos ou de grau médico.

Durante o processo de produção, tecnologias avançadas de monitoramento online, como espectroscopia de infravermelho e medidores de viscosidade, são necessárias para monitorar o progresso da reação e o desempenho do produto em tempo real, garantindo a estabilidade do lote. Comparado ao PET, o processo de polimerização do PETG exige maior precisão do equipamento e controle do processo, especialmente na medição e uniformidade de dispersão do CHDM, o que afeta diretamente a transparência e a consistência do desempenho mecânico do produto.

3、 Diferenças de classificação e desempenho

De acordo com a viscosidade característica, o teor de CHDM e os cenários de aplicação, o PETG pode ser dividido em várias categorias, e diferentes tipos de PETG têm diferenças de desempenho para atender a diversas necessidades.

Classificado pela viscosidade intrínseca (valor IV), o PETG com baixo valor IV (0,7-0,9 dL/g) tem boa fluidez e é adequado para moldagem por injeção de pequenos produtos de precisão (como tampas de frascos de cosméticos e acessórios eletrônicos); O PETG com valor IV médio (0,9-1,1 dL/g) equilibra a fluidez e as propriedades mecânicas, adequado para moldagem por sopro (como garrafas), folhas extrudadas, etc.; O PETG com alto valor IV (1,1-1,2 dL/g) tem alta resistência mecânica e é adequado para fazer componentes estruturais, como placas e tubos de paredes espessas.

Classificado pelo conteúdo de CHDM, o PETG com baixo conteúdo de CHDM (30% a 40%) mantém uma certa tendência à cristalização, tem resistência ao calor ligeiramente maior (Tg cerca de 85-90 ℃), boa rigidez e é adequado para produtos de embalagem que exigem resistência ao calor; o PETG com alto conteúdo de CHDM (40% a 50%) tem não cristalinidade mais significativa, melhor flexibilidade e transparência, mas resistência ao calor ligeiramente menor (Tg cerca de 75-80 ℃), tornando-o adequado para produtos como filmes e mangueiras que exigem alta tenacidade.

Classificado por campo de aplicação, o PETG de grau de embalagem se concentra na transparência, resistência química e processabilidade, atendendo aos requisitos de higiene de embalagens de alimentos e cosméticos; o PETG de grau médico precisa passar pela certificação de biocompatibilidade (como USP Classe VI), ser atóxico, resistente à esterilização (como esterilização por raios gama) e adequado para produção de dispositivos médicos; o PETG de grau industrial se concentra nas propriedades mecânicas e estabilidade dimensional, e é usado para componentes estruturais em áreas como construção e eletrônica.

As diferenças de desempenho entre os diferentes tipos de PETG refletem-se principalmente na resistência ao calor, flexibilidade e processabilidade. Por exemplo, a transmitância do PETG para embalagens é geralmente superior a 92%, a turbidez é inferior a 1%, a resistência à tração é de 35-45 MPa e o alongamento na ruptura é de 200% a 300%. O PETG de grau médico não apenas atende às propriedades mecânicas, mas também precisa passar nos testes de citotoxicidade e sensibilização. A temperatura de deformação térmica (0,45 MPa) do PETG de grau industrial pode atingir 60-70 °C, sendo adequada para requisitos de suporte estrutural à temperatura ambiente.

4、 Áreas de aplicação diversificadas

O PETG, com suas vantagens abrangentes de desempenho, substituiu materiais tradicionais em vários campos e demonstrou amplas perspectivas de aplicação, especialmente em cenários com altos requisitos de transparência, resistência e respeito ao meio ambiente.

O setor de embalagens é o principal mercado de aplicação do PETG, ocupando uma posição importante em embalagens de alta qualidade. Em embalagens de cosméticos, os frascos e mangueiras de PETG possuem textura transparente semelhante à de um cristal, alto brilho, o que destaca a qualidade do produto, e excelente resistência química. Podem conter produtos para cuidados com a pele, perfumes e outros produtos com ingredientes complexos. Ao mesmo tempo, apresentam forte resistência ao impacto, não se quebram facilmente e reduzem as perdas no transporte.

Na área de embalagens de alimentos, o PETG atende aos padrões para materiais em contato com alimentos (como FDA 21 CFR 177.1310), é inodoro e resistente a baixas temperaturas (adequado para refrigeração). Pode ser usado na fabricação de latas de alimentos, copos para bebidas, caixas de alimentos frescos, etc. Sua boa vedação e resistência química protegem o sabor dos alimentos, e sua transparência facilita a visualização do conteúdo pelos consumidores. O filme PETG pode ser transformado em filme de embalagem composto e filme retrátil, com boas propriedades de selagem a quente, adequado para embalagens irregulares.

Na área da saúde, o PETG de grau médico tornou-se um material ideal para dispositivos médicos devido à sua boa biocompatibilidade, resistência à esterilização e facilidade de processamento. Pode ser usado na fabricação de conjuntos de infusão, invólucros de seringas, cateteres médicos, frascos para embalagens de medicamentos, etc. Sua transparência facilita a observação do fluxo de líquidos e sua resistência à esterilização por raios gama garante a esterilidade dos suprimentos médicos. Além disso, o PETG também é usado na fabricação de modelos odontológicos, invólucros protéticos, etc., equilibrando conforto e durabilidade.

Na área de arquitetura e decoração, os painéis PETG são utilizados na fabricação de painéis de iluminação, capas protetoras, painéis decorativos, etc., devido à sua alta transparência, resistência às intempéries e resistência ao impacto. Comparada ao vidro, a chapa PETG é mais leve (densidade 1,23-1,27 g/cm³, cerca de metade da do vidro), menos propensa a quebras e maior segurança. Comparada ao acrílico, a PETG apresenta melhor resistência química, menor tendência ao amarelamento e ao envelhecimento, além de maior vida útil. O PETG também pode ser transformado em filmes decorativos e folheados para móveis, alcançando diversas aparências por meio de impressão, revestimento e outros processos.

Na área de eletrônicos de consumo, o PETG é utilizado na fabricação de invólucros para dispositivos eletrônicos, capas protetoras, molduras para telas de monitores, etc. Sua boa estabilidade dimensional e processabilidade atendem aos requisitos de produção de componentes de precisão, e sua resistência ao desgaste e a riscos pode ser aprimorada por meio de tratamentos de superfície (como revestimentos endurecidos). Em embalagens de produtos 3C, as caixas formadas a vácuo de PETG permitem a exibição clara dos produtos e proporcionam boa proteção de amortecimento.

Em outros campos, o filme PETG pode ser usado para impressão, estampagem a quente, etiquetas antifalsificação, etc., com excelente desempenho de pós-processamento; tubos PETG são usados para transporte de fluidos industriais e tubulações de dispositivos médicos devido à sua boa flexibilidade e resistência à corrosão química; no campo de brinquedos, brinquedos transparentes feitos de PETG são seguros, não tóxicos e têm forte resistência ao impacto, tornando-os adequados para uso infantil.

5. Tendências de Proteção Ambiental e Desenvolvimento

As características ambientais do PETG lhe conferem uma vantagem na tendência de desenvolvimento sustentável, enquanto a indústria promove constantemente a inovação tecnológica, expandindo seus limites de desempenho e cenários de aplicação.

Em termos de proteção ambiental, o PETG apresenta boa reciclabilidade, e os resíduos de PETG podem ser reciclados por meio de reciclagem física ou química. A reciclagem física é o processo de triagem, limpeza e trituração de resíduos antes de derretê-los e remodelá-los. O PETG reciclado pode ser usado para produzir produtos que não entram em contato com alimentos (como materiais de embalagem e componentes industriais); a reciclagem química decompõe o PETG em monômeros por meio da reação de despolimerização, que são reutilizados na produção de polimerização para atingir uma circulação em circuito fechado. Comparado aos plásticos clorados, como o PVC, o PETG não produz gases tóxicos durante a combustão e apresenta menores riscos ambientais.

A pesquisa e o desenvolvimento de PETG de base biológica representam uma importante direção para o desenvolvimento sustentável. Com a adoção de PTA de base biológica, EG de base biológica e CHDM de base biológica, a dependência de recursos fósseis pode ser significativamente reduzida, e as emissões de carbono dos produtos durante seu ciclo de vida podem ser reduzidas em mais de 30% em comparação com o PETG tradicional. Atualmente, diversas empresas lançaram alguns produtos de PETG de base biológica. Com a redução dos custos de matérias-primas de base biológica, a industrialização do PETG totalmente de base biológica será acelerada.

A tendência de desenvolvimento do PETG se reflete principalmente em três direções: alto desempenho, funcionalização e expansão de aplicações. Em termos de alto desempenho, a otimização da proporção de CHDM por meio do design molecular, a introdução de quartos monômeros (como dióis de cadeia longa) ou compósitos com nanomateriais (como grafeno e nanocarbonato de cálcio) melhoram a resistência ao calor (como temperaturas de deformação térmica superiores a 80 °C), a resistência ao desgaste e a resistência mecânica do PETG, expandindo-se para o campo de componentes estruturais de engenharia.

Em termos de funcionalização, desenvolver variedades de PETG com funções especiais, como o PETG antibacteriano (adicionando agentes antibacterianos como nano íons de prata e zinco) para embalagens médicas e alimentícias, que podem inibir o crescimento microbiano; o PETG retardante de chamas atende aos requisitos de proteção contra incêndio nas áreas de eletrônica e construção adicionando retardantes de chamas sem halogênio; o PETG de resposta inteligente (como mudança de cor sensível à temperatura e resposta de pH) é usado para embalagens de alta qualidade e monitoramento médico para obter regulação dinâmica de funções.

Em termos de expansão de aplicações, o PETG apresenta enorme potencial no campo das novas energias, como na produção de placas traseiras transparentes para módulos fotovoltaicos (com excelente resistência às intempéries e isolamento). Na área de impressão 3D, o fio PETG tornou-se um dos materiais preferidos para impressão FDM devido à sua alta precisão de impressão e resistência à deformação. Pode ser usado para criar modelos complexos e componentes funcionais. Na área de eletrônica flexível, o filme PETG pode ser usado como substrato e combinado com materiais condutores para preparar circuitos e sensores flexíveis.

Em termos de inovação tecnológica, a otimização do processo de polimerização contínua pode melhorar a eficiência da produção e a estabilidade da qualidade do PETG, além de reduzir os custos de produção; O desenvolvimento de novos catalisadores (como catalisadores ecologicamente corretos sem antimônio) pode reduzir resíduos de metais pesados e melhorar a segurança do produto; A tecnologia de modificação de mistura (como a mistura de PETG com PC e PMMA) pode integrar as vantagens de vários materiais para desenvolver produtos compostos com desempenho mais abrangente.

Como um material de poliéster copolímero de alto desempenho, o desenvolvimento do PETG reflete o progresso da tecnologia de modificação de materiais poliméricos. Por meio da regulação precisa da estrutura molecular, o PETG supera as limitações de desempenho dos poliésteres tradicionais, mantendo excelente transparência e processabilidade, além de possuir flexibilidade, respeito ao meio ambiente e segurança. Com o avanço da tecnologia de manufatura verde e a expansão dos cenários de aplicação, o PETG desempenhará um papel cada vez mais importante na manufatura de ponta, em embalagens sustentáveis e na área da saúde, tornando-se um dos principais materiais que impulsionam a modernização da indústria de materiais poliméricos.