PET-Rohstoffe

PET-Rohstoffe: Hochleistungs-Polyestermaterialien und ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten

Polyethylenterephthalat (PET) ist ein linearer aromatischer Polyester, der durch die Kondensationsreaktion von Terephthalsäure und Ethylenglykol hergestellt wird. Als einer der fünf allgemeinen technischen Kunststoffe hat sich PET seit seiner industriellen Produktion in den 1940er Jahren aufgrund seiner hervorragenden Gesamtleistung, der breiten Palette an Rohstoffquellen und ausgereiften Produktionsprozessen zu einem unverzichtbaren Polymerwerkstoff in der modernen Industrie entwickelt. Von alltäglichen Mineralwasserflaschen bis hin zu Polyesterkleidung, von Lebensmittelverpackungsfolien bis hin zu Automobilkomponenten – PET hat mit seinen einzigartigen Vorteilen in verschiedene Produktions- und Lebensbereiche Einzug gehalten und die nachhaltige Entwicklung der Werkstoffindustrie gefördert.

1. Molekularstruktur und Kerneigenschaften von PET

Die Molekülstruktur von PET ist der grundlegende Faktor, der seine Leistung bestimmt. Die wiederkehrende Einheit ist - OC-C₆ H₄ - COO-CH₂ CH₂ -, und die Molekülkette enthält starre Benzolringe und flexible Methylensegmente. Diese Struktur verleiht PET sowohl Steifigkeit als auch eine gewisse Zähigkeit.

Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften weist PET eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul, eine moderate Bruchdehnung und eine bessere Schlagzähigkeit als spröde Kunststoffe wie Polystyrol auf. Unbehandeltes PET weist eine gute Steifigkeit auf, und nach biaxialer Streckung kann seine Festigkeit deutlich verbessert werden. Beispielsweise kann die Zugfestigkeit biaxial gestreckter PET-Folie 150–200 MPa erreichen, was fast einem Zehntel der Zugfestigkeit von Stahl entspricht. Diese hohe Festigkeit macht es zu einem hervorragenden Material für Verpackungen und Konstruktionsmaterialien.

In Bezug auf die thermische Leistung liegt die Glasübergangstemperatur von PET bei etwa 70–80 °C, der Schmelzpunkt bei 240–260 °C. Die kurzfristige Einsatztemperatur kann 120 °C erreichen, die langfristige Einsatztemperatur liegt bei 80–100 °C, was den Temperaturanforderungen der meisten alltäglichen und industriellen Anwendungen entspricht. Die thermische Verformungstemperatur von PET ist jedoch relativ niedrig, und es neigt bei hohen Temperaturen unter Belastung zur Verformung. Daher wird reines PET meist in nicht tragenden oder gering belasteten Hochtemperaturanwendungen eingesetzt. Um die Hitzebeständigkeit zu verbessern, ist eine verbesserte Modifizierung erforderlich.

Die Barriereleistung ist einer der Hauptvorteile von PET. Es bietet eine gute Barrierewirkung gegenüber Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf usw. und kann den oxidativen Abbau und den Feuchtigkeitsverlust des Inhalts wirksam verzögern. Insbesondere bei PET in Flaschenqualität ist die Anordnung der Molekülketten nach dem biaxialen Reckprozess regelmäßiger, was die Barriereeigenschaften weiter verbessert. Dies macht es zum bevorzugten Material für die Verpackung von Getränken, Lebensmitteln, Kosmetika usw. Beispielsweise müssen Flaschen für kohlensäurehaltige Getränke einem bestimmten Innendruck standhalten. Die Barriereeigenschaften von PET können den Austritt von Kohlendioxid wirksam verhindern.

In Bezug auf die chemische Beständigkeit weist PET eine gute Verträglichkeit gegenüber den meisten organischen Lösungsmitteln, Säuren und Basen auf und korrodiert bei Raumtemperatur nicht so leicht. Unter stark alkalischen Bedingungen oder hohen Temperaturen können jedoch Hydrolysereaktionen auftreten. Daher eignet sich PET für die Lagerung von sauren Getränken (wie Saft), neutralem Wasser usw., jedoch nicht für die Langzeitlagerung stark alkalischer Flüssigkeiten.

Darüber hinaus weist PET eine gute Transparenz und einen guten Glanz auf und hat nach der Verarbeitung eine Lichtdurchlässigkeit von über 90 %, wodurch der Inhalt deutlich sichtbar wird und die optische Attraktivität des Produkts gesteigert wird. Gleichzeitig ist PET leicht zu verarbeiten und kann durch Spritzguss, Blasformen, Extrusion und andere Verfahren zu verschiedenen Produktformen wie Flaschen, Folien, Platten, Fasern usw. verarbeitet werden.

2. Produktionsprozess und Rohstoffquellen von PET

Bei der industriellen PET-Produktion werden hauptsächlich Terephthalsäure (PTA) und Ethylenglykol (EG) als Rohstoffe verwendet, die durch Kondensationsreaktionen entstehen. Der Produktionsprozess hat ein ausgereiftes und stabiles technisches System entwickelt. Der Kern liegt in der präzisen Steuerung des Polymerisationsprozesses, um Produkte mit spezifischen Eigenschaften zu erhalten.

Was die Rohstoffquellen betrifft, wird Terephthalsäure (PTA) hauptsächlich durch Oxidation von Xylol (PX) hergestellt, das bei der Extraktion aromatischer Kohlenwasserstoffe in der Erdölraffination anfällt. Ethylenglykol (EG) entsteht hauptsächlich durch die Oxidation von Ethylen zu Epoxyethan, das anschließend hydratisiert wird. Ethylen entsteht auch beim Cracken von Erdöl oder Erdgas. Mit der steigenden Nachfrage nach Umweltschutz und nachhaltiger Entwicklung wurden Fortschritte in der Forschung und Entwicklung biobasierter Rohstoffe erzielt. Biobasiertes Ethylenglykol kann durch Biomassefermentation hergestellt und anschließend mit PTA zu biobasiertem PET polymerisiert werden, wodurch die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen reduziert wird.

Der Herstellungsprozess von PET umfasst im Wesentlichen zwei Kernphasen: Veresterung und Kondensation. Je nach Produktionsumfang und Produktnachfrage kann er in zwei Prozesse unterteilt werden: Batch-Polymerisation und kontinuierliche Polymerisation.

Die Veresterungsphase umfasst die Veresterungsreaktion zwischen PTA und EG unter hoher Temperatur und hohem Druck. Dabei entstehen Dihydroxyethylterephthalat (BHET) und Wasser. Die Reaktionstemperatur liegt üblicherweise bei 220–260 °C und der Druck bei 0,2–0,5 MPa. Katalysatoren wie Antimon- und Titankatalysatoren beschleunigen die Reaktion. Die Veresterungsreaktion ist reversibel. Das entstehende Wasser muss rechtzeitig entfernt werden, um die Vorwärtsreaktion zu fördern und eine Veresterungsrate von über 95 % sicherzustellen.

In der Kondensationsphase durchläuft BHET bei erhöhter Temperatur und Vakuum eine Kondensationsreaktion, bei der Ethylenglykol entfernt wird und PET-Polymerketten entstehen. Die Reaktionstemperatur wird auf 270–290 °C erhöht und der Druck auf unter 100 Pa gesenkt. Niedermolekulare Produkte (Ethylenglykol) werden durch eine Vakuumumgebung entfernt, um das Wachstum der Molekülketten zu fördern. Zeit und Prozessparameter der Kondensationsreaktion beeinflussen direkt das Molekulargewicht und die Molekulargewichtsverteilung von PET und bestimmen somit die Produktleistung. Der kontinuierliche Polymerisationsprozess ermöglicht eine kontinuierliche Produktion durch mehrere in Reihe geschaltete Reaktoren, was die Vorteile einer hohen Produktionseffizienz und stabilen Produktqualität bietet und sich für die industrielle Großproduktion eignet; die intermittierende Polymerisation ist sehr flexibel und eignet sich für die Kleinserien- und Vielfältigkeitsproduktion.

Nach Abschluss der Polymerisationsreaktion wird das geschmolzene PET gegossen und in PET-Scheiben geschnitten, die feste PET-Rohstoffe darstellen. Die Scheiben müssen getrocknet werden, um die Feuchtigkeit zu entfernen (der Feuchtigkeitsgehalt sollte unter 0,005 % liegen), um einen hydrolysebedingten Molekulargewichtsverlust bei der Weiterverarbeitung zu vermeiden. Je nach Anwendungsanforderungen kann die intrinsische Viskosität (IV-Wert) der PET-Scheiben durch Anpassung der Prozessparameter gesteuert werden. Der IV-Wert von PET-Scheiben in Flaschenqualität beträgt üblicherweise 0,7–0,8 dl/g, von Membranqualität 0,6–0,7 dl/g und von Faserqualität 0,6–0,9 dl/g.

Die Modifizierung durch Copolymerisation ist ein wichtiges Mittel zur Erweiterung des Leistungsspektrums von PET. Durch die Zugabe von Drittmonomeren (wie Cyclohexandimethanol und Isophthalsäure) während des Polymerisationsprozesses kann die Molekülkettenstruktur verändert und modifizierte PET-Produkte erhalten werden. Beispielsweise wird PET mit Cyclohexandimethanol copolymerisiert, um PETG herzustellen. Dies verbessert dessen Flexibilität, Schlagzähigkeit und Verarbeitbarkeit deutlich und macht es für hochtransparente Verpackungen und medizinische Geräte geeignet. Die Zugabe von Isophthalsäure kann die Kristallinität von PET verringern und so dessen Verarbeitungsleistung und chemische Beständigkeit verbessern.

3. Klassifizierung und Leistungsunterschiede von PET

Je nach Anwendungsbereich und Leistungsanforderungen kann PET in vier Kategorien unterteilt werden: PET in Flaschenqualität, PET in Folienqualität, PET in Faserqualität und PET in technischer Qualität. Verschiedene PET-Typen weisen erhebliche Unterschiede hinsichtlich Molekulargewicht, Kristallinität, Verarbeitungsleistung usw. auf, um den Anforderungen unterschiedlicher Szenarien gerecht zu werden.

Flaschen-PET ist die am häufigsten produzierte PET-Sorte und wird hauptsächlich für die Herstellung verschiedener Plastikflaschen verwendet. Es verfügt über eine hohe Grenzviskosität (0,7–0,8 dl/g), ausgezeichnete Transparenz, mechanische Festigkeit und Barriereeigenschaften sowie hervorragende Schlagfestigkeit und Innendruckbeständigkeit. Um den Anforderungen des Blasformens gerecht zu werden, müssen Flaschen-PET-Chips eine gute Schmelzfließfähigkeit und Verarbeitungsstabilität aufweisen. Nach dem Spritzgießen zu Vorformen werden diese anschließend durch biaxiales Streckblasformen zu Flaschen verarbeitet. Der Streckprozess richtet die Molekülketten aus, wodurch Festigkeit und Barriereeigenschaften weiter verbessert werden. Flaschen-PET lässt sich in Wasserflaschen, Flaschen für kohlensäurehaltige Getränke und Heißabfüllflaschen usw. unterteilen. Je nach Anwendung kann die Hitzebeständigkeit von Heißabfüll-PET durch Copolymerisationsmodifizierung verbessert werden und es hält Heißabfüllprozessen bei 85–95 °C stand.

Folien-PET wird hauptsächlich zur Herstellung verschiedener Dünnschichtprodukte verwendet. Es weist eine etwas geringere Strukturviskosität als Flaschen-PET (0,6–0,7 dl/g) auf und zeichnet sich durch gute mechanische Eigenschaften, Hitzebeständigkeit und gute Isoliereigenschaften aus. PET-Folie wird durch Extrusionsgießen oder biaxial orientiertes Reckverfahren hergestellt. Nach dem Längs- und Querrecken sind Festigkeit, Transparenz und Barriereeigenschaften von biaxial orientierter PET-Folie (BOPET) deutlich verbessert. Es wird häufig für Lebensmittelverpackungsfolien (z. B. Dampfbeutel), Isolierfolien (z. B. Kondensatorfolien), Kartenschutzfolien, Photovoltaik-Rückseitenfolien usw. verwendet. Die Leistung von Folien-PET kann durch die Zugabe von Gleitmitteln, Antihaftmitteln usw. verbessert werden, z. B. durch die Reduzierung des Reibungskoeffizienten für einfacheres Wickeln und Verarbeiten.

Faseriges PET ist der Kernrohstoff in der Textilindustrie, nämlich Polyester (Polyesterfaser) mit einem breiten Spektrum an Strukturviskositäten (0,6–0,9 dl/g). Die Parameter werden je nach Faserart (Filament, Stapelfaser) angepasst. Faseriges PET wird im Schmelzspinnverfahren zu Polyesterfasern verarbeitet, die sich durch hohe Festigkeit, Verschleißfestigkeit, Knitterfestigkeit und einfache Waschbarkeit auszeichnen. Es wird häufig in Kleidung, Heimtextilien und Industrietextilien (wie Geotextilien und Filtertüchern) verwendet. Durch Anpassung des Spinnverfahrens können Polyesterfasern mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden, beispielsweise hochfeste und dehnungsarme Fasern für den industriellen Einsatz sowie ultrafeine Fasern für hochwertige Textilien.

Technisches PET ist ein Hochleistungs-PET, das durch Verstärkung, Härtung und andere Modifizierungsverfahren hergestellt wird und hauptsächlich als Ersatz für Metalle oder andere technische Kunststoffe bei der Herstellung von Strukturkomponenten verwendet wird. Durch die Zugabe von Verstärkungsmaterialien wie Glasfasern und Kohlefasern können Festigkeit, Steifigkeit und Hitzebeständigkeit von PET deutlich verbessert werden. Die Zugfestigkeit von glasfaserverstärktem PET kann über 150 MPa erreichen, und die thermische Verformungstemperatur kann 200 °C übersteigen. Es eignet sich für Autoteile (wie Türgriffe, Instrumententafeln), elektronische und elektrische Gehäuse, mechanische Teile usw. Die Schlagzähigkeit von technischem PET kann durch die Zugabe von Härtungsmitteln (wie Elastomeren) oder Flammschutzmitteln verbessert werden, um den Brandschutzanforderungen gerecht zu werden.

4. Die vielfältigen Anwendungsbereiche von PET

PET wird aufgrund seiner hervorragenden Gesamtleistung und vielfältigen Verarbeitungsmethoden in vielen Bereichen wie Verpackung, Textil, Elektronik, Automobil und Bauwesen eingesetzt und ist zu einem unverzichtbaren Material in der modernen Industrie und im täglichen Leben geworden.

Der Verpackungsbereich ist einer der am häufigsten verwendeten Bereiche für PET, wobei PET in Flaschenqualität dominiert. Bei Getränkeverpackungen haben sich PET-Flaschen aufgrund ihrer Transparenz, ihres geringen Gewichts, ihrer Schlagfestigkeit und ihrer guten Barriereeigenschaften zum bevorzugten Verpackungsbehälter für Mineralwasser, kohlensäurehaltige Getränke, Fruchtsäfte, Teegetränke usw. entwickelt. Weltweit werden jährlich über 500 Milliarden PET-Flaschen produziert. PET-Flaschen reduzieren durch ihr leichtes Design kontinuierlich den Materialverbrauch und sind gleichzeitig gut recycelbar, was die Entwicklung der Kreislaufwirtschaft fördert. Bei Lebensmittelverpackungen wird BOPET-Folie zur Herstellung von Kochbeuteln und Vakuumverpackungsfolien verwendet, die einer Sterilisation bei hohen Temperaturen von 121 °C standhalten und die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern. PET-Folien werden zu vakuumgeformten Kartons für die Verpackung von Fleisch, Obst, Gebäck usw. thermogeformt, die sowohl transparent als auch schützend sind.

In der Textilindustrie sind Polyesterfasern aus PET-Faser die am häufigsten produzierten synthetischen Fasern und machen über 60 % der weltweiten Faserproduktion aus. Polyesterfilamente werden zur Herstellung von Bekleidungsstoffen wie Hemden, Kleidern und Sportbekleidung verwendet und zeichnen sich durch ihre Steifheit und Pflegeleichtigkeit aus. Die Mischung von Polyester-Stapelfasern mit Naturfasern wie Baumwolle und Wolle verbessert die Verschleißfestigkeit und Formbeständigkeit des Gewebes. Industrielle Polyesterfasern werden zur Herstellung von Geotextilien (zur Bodenverstärkung), Filtermaterialien (wie Luftfiltern), Sicherheitsgurten, Zelten usw. verwendet. Ihre hohe Festigkeit und Wetterbeständigkeit erfüllen industrielle Anforderungen.

Im Bereich elektronischer Geräte spielt PET-Folie eine wichtige Rolle. BOPET-Folie wird aufgrund ihrer hervorragenden Isolationsleistung und Hitzebeständigkeit zur Herstellung von Kondensatorfolien, Motorisolationsfolien, flexiblen Leiterplattensubstraten usw. verwendet. PET-Folien werden bedruckt und zu dekorativen Paneelen, Typenschildern und anderen elektronischen Geräten geprägt. Nach der Modifizierung wird technisches PET zur Herstellung von Komponenten wie Steckverbindern, Schaltergehäusen, Displayhalterungen usw. verwendet, die sowohl isolierend als auch mechanisch belastbar sind.

In der Automobilindustrie wird technisches PET verstärkt und modifiziert, um Fahrzeuginnenteile (wie Instrumententafeln und Türverkleidungen), Außenteile (wie Rückspiegelgehäuse) und Funktionskomponenten (wie Kühlergrills) herzustellen. Sein geringes Gewicht trägt zur Kraftstoffeinsparung bei, und seine chemische und Witterungsbeständigkeit erfüllt die langfristigen Anforderungen im Automobilbereich. PET wird auch zur Isolierung von Fahrzeugkabelbäumen, Sitzbezügen (Polyestergewebe) usw. verwendet, was seine Anwendung im Automobilbereich weiter ausweitet.

In der Architektur wird PET-Material zur Herstellung von Wärmedämmstoffen (wie PET-Isolierbaumwolle), Abdichtungsbahnen, Dekorfolien usw. verwendet. PET-Isolierbaumwolle ist leicht, flammhemmend und hat eine gute Dämmwirkung. Sie eignet sich zur Dämmung von Außenwänden. PET-Abdichtungsbahnen sind alterungs- und durchstoßbeständig und werden für Dach- und Kellerabdichtungsprojekte verwendet. PET-Dekorfolien werden auf die Plattenoberfläche aufgebracht, um deren Ästhetik und Verschleißfestigkeit zu verbessern.

Darüber hinaus wird PET im medizinischen Bereich zur Herstellung von Infusionsflaschen, Spritzengehäusen etc. verwendet. Seine chemische Stabilität und Hygiene entsprechen medizinischen Standards; im Bereich des 3D-Drucks wird PET-Draht für die FDM-Drucktechnologie verwendet, um hochfeste Modelle und Teile herzustellen.

5. Umweltschutz und Entwicklungstrends bei PET

Mit dem weltweit wachsenden Bewusstsein für Umweltschutz sind Umweltfreundlichkeit und nachhaltige Entwicklung von PET zu zentralen Anliegen der Branche geworden. Recycling- und umweltfreundliche Produktionstechnologien sind weiterhin bahnbrechend und fördern den Wandel der PET-Industrie hin zu einer Kreislaufwirtschaft.

Der Umweltvorteil von PET liegt in seiner guten Recyclingfähigkeit und seinem hohen Recyclingwert. PET-Abfälle (wie PET-Flaschen, -Folien und -Fasern) können auf zwei Arten recycelt werden: physikalisches und chemisches Recycling. Beim physikalischen Recycling werden PET-Abfälle sortiert, gereinigt, zerkleinert und zu recycelten PET-Scheiben geschmolzen. Aus recyceltem PET können Produkte in Flaschen-, Folien-, Faserqualität und anderen Qualitäten hergestellt werden. Beispielsweise werden recycelte PET-Flaschen für Non-Food-Verpackungen und recycelte Fasern zur Herstellung von Teppichen und Bekleidungsstoffen (wie recyceltem Polyester) verwendet. Beim chemischen Recycling wird PET durch Hydrolyse, Alkoholyse und andere Technologien in PTA- und EG-Monomere zerlegt und als Rohstoffe zur Herstellung von neuem PET verwendet, wodurch ein geschlossener Kreislauf entsteht. Chemisches Recycling kann komplexe und verschmutzte PET-Abfälle behandeln, und die Leistungsfähigkeit recycelter Rohstoffe kommt der von Rohstoffen nahe, die im Lebensmittelkontakt eingesetzt werden können.

Die größte Herausforderung für das PET-Recycling ist derzeit das unzureichende Recyclingsystem. Die weltweite Recyclingquote für PET-Flaschen liegt bei etwa 50 %, und einige Regionen weisen aufgrund mangelnden Bewusstseins für klassifiziertes Recycling und hoher Recyclingkosten niedrige Recyclingquoten auf. Gleichzeitig müssen die Leistungsstabilität und Hygiene von recyceltem PET streng kontrolliert werden, um Verunreinigungen zu vermeiden, die die Produktqualität beeinträchtigen.

Die Entwicklung von PET wird sich künftig in Richtung "hohe Leistungsfähigkeit, Umweltfreundlichkeit und Funktionalität bewegen. Im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit werden Molekulardesign und Modifikationstechnologie eingesetzt, um die Hitzebeständigkeit, Schlagfestigkeit und Barriereeigenschaften von PET zu verbessern. Beispielsweise wird hochtemperaturbeständiges PET für die Heißabfüllung und den Maschinenbau sowie Hochbarriere-PET für die Verpackung hochwertiger Produkte entwickelt.

Im Hinblick auf die Ökologisierung werden Forschung und Entwicklung im Bereich biobasiertes PET beschleunigt, mit dem Ziel, eine Produktion von 100 % biobasierten Rohstoffen zu erreichen und den CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Gleichzeitig werden Recyclingtechnologien optimiert, Reinheit und Effizienz des physikalischen Recyclings verbessert, das chemische Recycling im industriellen Maßstab ausgeweitet und ein komplettes Kreislaufsystem aus Produktion, Verbrauch, Recycling und Regeneration aufgebaut.

Im Bereich der Funktionalisierung werden PET-Materialien mit Spezialfunktionen entwickelt, beispielsweise antibakterielles PET für Lebensmittelverpackungen, flammhemmendes PET für den Elektronik- und Baubereich sowie intelligent reagierendes PET (mit temperaturempfindlichem Farbwechsel und kontrollierbarem Abbau) für hochwertige Verpackungen und den medizinischen Bereich. Darüber hinaus wird die Verbundtechnologie von PET mit anderen Materialien (wie PET/Graphen-Verbundwerkstoffen) die Leistungsgrenzen weiter erweitern und den Anforderungen neuer Branchen gerecht werden.

PET, ein Hochleistungspolymer, spiegelt die enge Verzahnung von Materialwissenschaft und industriellem Bedarf in seinem Entwicklungsprozess wider. Von alltäglichen Verpackungen bis hin zu hochwertigen Industrieanwendungen unterstützt PET mit seinen einzigartigen Vorteilen das Funktionieren der modernen Gesellschaft. Mit der Weiterentwicklung der Umweltschutztechnologie und der Förderung der Kreislaufwirtschaft wird PET eine nachhaltige Entwicklung erreichen und gleichzeitig seine Praktikabilität bewahren und zu einer grünen und kohlenstoffarmen Gesellschaft beitragen.