PETG-Rohstoffe

PETG-Rohstoffe: Eigenschaften und Anwendungen von Hochleistungs-Copolyester-Materialien

PETG (Polyethylenterephthalat-Cyclohexandimethanolester) ist ein nichtkristallines thermoplastisches Polyestermaterial, das durch ternäre Copolymerisation von Terephthalsäure (PTA), Ethylenglykol (EG) und Cyclohexandimethanol (CHDM) modifiziert wird. Als wichtige modifizierte PET-Variante hat PETG dank seiner hervorragenden Transparenz, Flexibilität, Verarbeitbarkeit und Umweltfreundlichkeit die Leistungsgrenzen von herkömmlichem PET durchbrochen. Es hat einzigartige Vorteile in den Bereichen Verpackung, Medizin, Bauwesen, Unterhaltungselektronik und anderen Bereichen bewiesen und sich in den letzten Jahren zu einem sich rasant entwickelnden Hochleistungsmaterial mit hohem Molekulargewicht entwickelt.

1. Molekularstruktur und Kerneigenschaften

Die Molekularstruktur von PETG ist der Grund für seine Leistungsvorteile. Im Vergleich zu kristallinem PET enthält PETG Cyclohexandimethanol (CHDM)-Monomer in der Molekülkette. Dadurch wird ein Teil des Ethylenglykols ersetzt, wodurch die regelmäßige Anordnung der PET-Molekülketten aufgebrochen, die Kristallisationsfähigkeit deutlich reduziert und amorphe oder niedrigkristalline Strukturen gebildet werden. Dieses Molekulardesign bringt eine Reihe hervorragender Eigenschaften mit sich.

Transparenz ist eine der herausragendsten Eigenschaften von PETG. Es weist eine Lichtdurchlässigkeit von über 90 %, eine Trübung von unter 1 % und einen hohen Glanz auf und ist vergleichbar mit transparenten Materialien wie Polycarbonat (PC) und Acryl (PMMA). Die amorphe Struktur verhindert die durch die PET-Kristallisation verursachte Lichtstreuung und ermöglicht die Aufrechterhaltung einer hohen Transparenz auch bei dickwandigen Produkten. Dadurch werden die Probleme der leichten Weißfärbung und der verringerten Transparenz bei herkömmlichen dickwandigen PET-Produkten gelöst.

In Bezug auf die mechanischen Eigenschaften weist PETG sowohl eine gute Zähigkeit als auch eine hohe Steifigkeit auf. Seine Schlagzähigkeit ist drei- bis fünfmal so hoch wie die von herkömmlichem PET, und seine Kerbschlagzähigkeit erreicht über 60 kJ/m² und ist damit deutlich höher als bei sprödem herkömmlichem PET. Gleichzeitig erreicht es eine Zugfestigkeit von 30–50 MPa und einen Biegemodul von 1500–2500 MPa, wodurch es den mechanischen Anforderungen der meisten Bauteile gerecht wird. PETG verfügt über eine hervorragende Flexibilität mit einer Bruchdehnung von bis zu 200–300 %. Es lässt sich durch Kaltbiegen, Falten usw. verarbeiten, ohne zu brechen, und eignet sich daher für die Herstellung von Produkten, die ein gewisses Maß an Elastizität erfordern.

In Bezug auf die thermische Leistung liegt die Glasübergangstemperatur (Tg) von PETG bei etwa 78–88 °C. Obwohl sie niedriger als der Kristallisationsschmelzpunkt von PET ist, ist die thermische Verformungstemperatur relativ hoch (65–75 °C), sodass PETG bei Raumtemperatur lange Zeit stabil verwendet werden kann. Es verfügt außerdem über eine hervorragende Kältebeständigkeit und behält bei -40 °C eine gute Zähigkeit, ohne zu verspröden. Im Vergleich zu PC hat PETG eine niedrigere Verarbeitungstemperatur (üblicherweise 230–270 °C), einen geringeren Energieverbrauch und ist weniger anfällig für Hochtemperaturzersetzung.

In Bezug auf die chemische Stabilität weist PETG eine gute Beständigkeit gegen Wasser, Säuren, Laugen usw. auf und ist korrosionsbeständiger als PMMA und PC. Es korrodiert nicht so leicht durch alltägliche Chemikalien wie Alkohol und Reinigungsmittel. Die Oberfläche ist kratzfest und weist eine Shore-Härte von 78–85 auf, die durch eine Beschichtung noch weiter verbessert werden kann. Gleichzeitig ist PETG geruchsneutral, ungiftig und erfüllt die Standards für Lebensmittelkontaktmaterialien wie FDA und EU 10/2011. Es hat außerdem medizinische Zertifizierungen wie USP Klasse VI bestanden, und seine Sicherheit ist allgemein anerkannt.

Die Verarbeitungsleistung ist ein weiterer großer Vorteil von PETG. Als amorphes Material verfügt PETG über eine gute Schmelzfließfähigkeit, eine geringe Formschrumpfung (0,5 %–1,5 %), eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität und eignet sich für Präzisionsformteile. Es kann durch verschiedene Verfahren wie Spritzguss, Extrusion, Blasformen und Thermoformen verarbeitet werden und verfügt über ein breites Verarbeitungsfenster, das nicht zu Spannungsrissen neigt. Es verfügt über gute Nachbearbeitungseigenschaften (z. B. Drucken, Kleben und Schweißen) und erfüllt die Produktionsanforderungen komplexer Produkte.

2. Produktionsprozess und Rohstoffquellen

Der Herstellungsprozess von PETG basiert auf der Polyesterpolymerisationstechnologie. Kernstück ist die präzise Kontrolle des Verhältnisses und des Polymerisationsprozesses ternärer Monomere zur Regulierung der Molekülstruktur. Zu den wichtigsten Rohstoffen zählen Terephthalsäure (PTA), Ethylenglykol (EG) und Cyclohexandimethanol (CHDM). Reinheit und Anteil von CHDM beeinflussen die Leistung von PETG direkt.

Was die Rohstoffquellen betrifft, stammen PTA und EG (herkömmliches PETG) hauptsächlich aus der petrochemischen Industriekette und werden durch Prozesse wie Naphtha-Cracking hergestellt; CHDM wird durch Schritte wie Cyclohexanoxidation und -hydrierung hergestellt und basiert ebenfalls auf fossilen Ressourcen. In den letzten Jahren wurden Durchbrüche in der Forschung und Entwicklung biobasierter Rohstoffe erzielt, und die Industrialisierung von biobasiertem PTA (hergestellt durch Biomassefermentation), biobasiertem EG und biobasiertem CHDM schreitet schrittweise voran. Dies ermöglicht eine umweltfreundliche Produktion von PETG und reduziert den CO2-Fußabdruck der Produkte deutlich.

Der Herstellungsprozess von PETG umfasst im Wesentlichen drei Kernphasen: Veresterung, Copolymerisation und Polymerisation sowie Granulierung. In der Veresterungsphase durchläuft PTA zunächst eine Veresterungsreaktion mit EG und CHDM bei 180–220 °C und 0,2–0,5 MPa. Dabei entstehen Dihydroxyethylterephthalat, Cyclohexandimethanolterephthalat und Wasser. Die Reaktion wird durch einen Katalysator (z. B. Titankatalysator) beschleunigt, und das Wasser wird rechtzeitig entfernt, um die Vorwärtsreaktion zu fördern. Die Veresterungsrate muss über 95 % liegen.

Die Copolymerisations- und Kondensationsphase basiert auf dem Veresterungsprodukt, wird auf 240–270 °C erhitzt und für die Kondensationsreaktion in einer Vakuumumgebung (Druck ≤ 100 Pa) durchgeführt, wobei kleine Molekülprodukte (hauptsächlich EG) entfernt werden, um die Molekülkette zu vergrößern. In dieser Phase ist es notwendig, den Anteil des zugegebenen CHDM (normalerweise 30–50 % der Gesamtmenge an Diolen) streng zu kontrollieren. Ist der Anteil zu hoch, verringert dies die Hitzebeständigkeit des Materials, während ein zu niedriger Anteil die Kristallinität nicht wirksam beeinträchtigt. Zeit und Temperatur der Kondensationsreaktion wirken sich direkt auf die Grenzviskosität (IV-Wert) von PETG aus, die im Allgemeinen zwischen 0,7 und 1,2 dl/g kontrolliert wird, um Verarbeitbarkeit und mechanische Eigenschaften auszugleichen.

Nach Abschluss der Polymerisation wird das geschmolzene PETG gegossen und in weiße oder transparente Granulatscheiben geschnitten. Diese müssen sorgfältig getrocknet werden (Feuchtigkeitsgehalt ≤ 0,005 %), um einen hydrolysebedingten Molekulargewichtsverlust bei der Weiterverarbeitung zu vermeiden. Je nach Anwendungsanforderungen können während der Granulierung Antioxidantien, Schmiermittel, UV-Absorber und weitere Additive zugegeben werden, um die thermische Stabilität, Verarbeitbarkeit und Witterungsbeständigkeit des Produkts zu verbessern. Die Auswahl der Additive sollte den Standards für Lebensmittelkontakt oder medizinische Anwendungen entsprechen.

Während des Produktionsprozesses sind fortschrittliche Online-Überwachungstechnologien wie Infrarotspektroskopie und Viskositätsmessung erforderlich, um den Reaktionsverlauf und die Produktleistung in Echtzeit zu überwachen und so die Chargenstabilität zu gewährleisten. Im Vergleich zu PET erfordert der Polymerisationsprozess von PETG eine höhere Gerätegenauigkeit und Prozesskontrolle, insbesondere die Messung und Dispersionsgleichmäßigkeit von CHDM, was sich direkt auf die Transparenz und die mechanische Leistungskonsistenz des Produkts auswirkt.

3. Klassifizierungs- und Leistungsunterschiede

Je nach charakteristischer Viskosität, CHDM-Gehalt und Anwendungsszenarien kann PETG in mehrere Kategorien unterteilt werden, und verschiedene PETG-Typen weisen Leistungsunterschiede auf, um unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden.

Klassifiziert nach der Strukturviskosität (IV-Wert): PETG mit niedrigem IV-Wert (0,7–0,9 dl/g) hat eine gute Fließfähigkeit und eignet sich zum Spritzgießen kleiner Präzisionsprodukte (wie etwa Verschlüsse von Kosmetikflaschen und elektronisches Zubehör); PETG mit mittlerem IV-Wert (0,9–1,1 dl/g) hat ein Gleichgewicht zwischen Fließfähigkeit und mechanischen Eigenschaften und eignet sich zum Blasformen (wie etwa Flaschen), extrudierten Platten usw.; PETG mit hohem IV-Wert (1,1–1,2 dl/g) hat eine hohe mechanische Festigkeit und eignet sich zur Herstellung von Strukturkomponenten wie etwa dickwandigen Platten und Rohren.

Klassifiziert nach dem CHDM-Gehalt behält PETG mit niedrigem CHDM-Gehalt (30–40 %) eine gewisse Tendenz zur Kristallisation, hat eine etwas höhere Hitzebeständigkeit (Tg etwa 85–90 °C), eine gute Steifigkeit und eignet sich für Verpackungsprodukte, die Hitzebeständigkeit erfordern; PETG mit hohem CHDM-Gehalt (40–50 %) hat eine stärkere Nichtkristallinität, bessere Flexibilität und Transparenz, aber eine etwas geringere Hitzebeständigkeit (Tg von etwa 75–80 °C), wodurch es sich für Produkte wie Folien und Schläuche eignet, die eine hohe Zähigkeit erfordern.

Klassifiziert nach Anwendungsgebieten legt PETG in Verpackungsqualität den Schwerpunkt auf Transparenz, chemische Beständigkeit und Verarbeitbarkeit und erfüllt die Hygieneanforderungen für Lebensmittel- und Kosmetikverpackungen. PETG in medizinischer Qualität muss eine Biokompatibilitätszertifizierung (wie etwa USP Klasse VI) bestehen, ungiftig und sterilisationsbeständig (wie etwa Gammastrahlensterilisation) sein und sich für die Herstellung medizinischer Geräte eignen. Bei PETG in Industriequalität liegt der Schwerpunkt auf mechanischen Eigenschaften und Dimensionsstabilität und wird für Strukturkomponenten in Bereichen wie dem Bauwesen und der Elektronik verwendet.

Die Leistungsunterschiede verschiedener PETG-Typen spiegeln sich hauptsächlich in der Hitzebeständigkeit, Flexibilität und Verarbeitbarkeit wider. Beispielsweise liegt die Lichtdurchlässigkeit von PETG in Verpackungsqualität üblicherweise über 92 %, die Trübung unter 1 %, die Zugfestigkeit bei 35–45 MPa und die Bruchdehnung bei 200–300 %. PETG in medizinischer Qualität erfüllt nicht nur die mechanischen Eigenschaften, sondern muss auch Zytotoxizitäts- und Sensibilisierungstests bestehen. Die thermische Verformungstemperatur (0,45 MPa) von PETG in Industriequalität kann 60–70 °C erreichen, was den Anforderungen an die strukturelle Unterstützung bei Raumtemperatur entspricht.

4. Diversifizierte Anwendungsbereiche

PETG hat mit seinen umfassenden Leistungsvorteilen traditionelle Materialien in vielen Bereichen ersetzt und breite Anwendungsaussichten bewiesen, insbesondere in Szenarien mit hohen Anforderungen an Transparenz, Robustheit und Umweltfreundlichkeit.

Der Verpackungsbereich ist der Kernanwendungsmarkt für PETG und nimmt insbesondere im Bereich hochwertiger Verpackungen eine wichtige Position ein. Im Kosmetikbereich weisen Flaschen und Schläuche aus PETG eine kristallklare, transparente Textur und einen hohen Glanz auf, der die Produktqualität unterstreicht, und verfügen über eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit. Sie eignen sich für Hautpflegeprodukte, Parfüm und andere Produkte mit komplexen Inhaltsstoffen. Gleichzeitig sind sie schlagfest, bruchfest und reduzieren Transportverluste.

Im Bereich der Lebensmittelverpackung erfüllt PETG die Standards für Lebensmittelkontaktmaterialien (z. B. FDA 21 CFR 177.1310), ist geruchsneutral und kältebeständig (geeignet für die Kühlung). Es eignet sich zur Herstellung von Konservendosen, Getränkebechern, Frischhalteboxen usw. Seine gute Versiegelung und chemische Beständigkeit schützen den Geschmack von Lebensmitteln, und seine Transparenz erleichtert dem Verbraucher die Sicht auf den Inhalt. PETG-Folie kann zu Verbundverpackungsfolien und Schrumpffolien verarbeitet werden und verfügt über gute Heißsiegeleigenschaften, die für unregelmäßige Verpackungen geeignet sind.

Im Gesundheitswesen hat sich medizinisches PETG aufgrund seiner guten Biokompatibilität, Sterilisationsbeständigkeit und einfachen Verarbeitung zum idealen Material für Medizinprodukte entwickelt. Es eignet sich zur Herstellung von Infusionssets, Spritzengehäusen, medizinischen Kathetern, Medikamentenflaschen usw. Seine Transparenz erleichtert die Beobachtung des Flüssigkeitsflusses, und seine Beständigkeit gegen Gammastrahlensterilisation gewährleistet die Sterilität medizinischer Produkte. Darüber hinaus wird PETG auch zur Herstellung von Zahnmodellen, Prothesengehäusen usw. verwendet und vereint Komfort und Haltbarkeit.

Im Bereich Architektur und Dekoration werden PETG-Platten aufgrund ihrer hohen Transparenz, Witterungsbeständigkeit und Schlagfestigkeit zur Herstellung von Beleuchtungspaneelen, Schutzabdeckungen, Dekorplatten usw. verwendet. Im Vergleich zu Glas sind PETG-Platten leichter (Dichte 1,23–1,27 g/cm³, etwa halb so groß wie Glas), weniger bruchanfällig und sicherer. Im Vergleich zu Acryl weist PETG eine bessere chemische Beständigkeit auf, vergilbt und altert weniger und hat eine längere Lebensdauer. PETG kann auch zu Dekorfolien und Möbelfurnieren verarbeitet werden, die durch Bedrucken, Beschichten und andere Verfahren vielfältige Erscheinungsbilder erzielen.

Im Bereich der Unterhaltungselektronik wird PETG zur Herstellung von Gerätegehäusen, Schutzhüllen, Bildschirmrahmen usw. verwendet. Seine gute Dimensionsstabilität und Verarbeitbarkeit erfüllen die Produktionsanforderungen für Präzisionskomponenten. Seine Verschleißfestigkeit und Kratzfestigkeit können durch Oberflächenbehandlungen (z. B. gehärtete Beschichtungen) verbessert werden. Bei 3C-Produktverpackungen ermöglichen vakuumgeformte PETG-Boxen eine übersichtliche Präsentation der Produkte und bieten gleichzeitig einen guten Polsterschutz.

In anderen Bereichen kann PETG-Folie zum Drucken, Heißprägen, für fälschungssichere Etiketten usw. verwendet werden und weist eine hervorragende Nachbearbeitungsleistung auf. PETG-Rohre werden aufgrund ihrer guten Flexibilität und chemischen Korrosionsbeständigkeit für den industriellen Flüssigkeitstransport und Rohrleitungen für medizinische Geräte verwendet. Im Bereich Spielzeug sind transparente Spielzeuge aus PETG sicher, ungiftig und weisen eine hohe Schlagfestigkeit auf, sodass sie für Kinder geeignet sind.

5. Umweltschutz und Entwicklungstrends

Die Umwelteigenschaften von PETG verschaffen ihm einen Vorteil im Trend der nachhaltigen Entwicklung, während die Branche ständig technologische Innovationen vorantreibt und ihre Leistungsgrenzen und Anwendungsszenarien erweitert.

Im Hinblick auf den Umweltschutz ist PETG gut recycelbar. PETG-Abfälle können durch physikalisches oder chemisches Recycling recycelt werden. Beim physikalischen Recycling werden Abfallstoffe sortiert, gereinigt und zerkleinert, bevor sie eingeschmolzen und umgeformt werden. Recyceltes PETG kann zur Herstellung von Produkten ohne Lebensmittelkontakt (wie Verpackungsmaterialien und Industriekomponenten) verwendet werden. Beim chemischen Recycling wird PETG durch eine Depolymerisationsreaktion in Monomere zerlegt, die in der Polymerisationsproduktion wiederverwendet werden, um einen geschlossenen Kreislauf zu erreichen. Im Vergleich zu chlorierten Kunststoffen wie PVC erzeugt PETG bei der Verbrennung keine giftigen Gase und birgt geringere Umweltrisiken.

Die Forschung und Entwicklung von biobasiertem PETG ist ein wichtiger Schritt für eine nachhaltige Entwicklung. Durch den Einsatz von biobasiertem PTA, biobasiertem EG und biobasiertem CHDM kann die Abhängigkeit von fossilen Ressourcen deutlich reduziert und der CO2-Ausstoß von Produkten während ihres Lebenszyklus im Vergleich zu herkömmlichem PETG um mehr als 30 % gesenkt werden. Derzeit haben mehrere Unternehmen biobasierte PETG-Produkte auf den Markt gebracht. Mit der Senkung der Kosten für biobasierte Rohstoffe wird sich die Industrialisierung von vollständig biobasiertem PETG beschleunigen.

Der Entwicklungstrend von PETG spiegelt sich hauptsächlich in drei Richtungen wider: hohe Leistung, Funktionalisierung und Anwendungserweiterung. Im Hinblick auf die hohe Leistung werden durch die Optimierung des CHDM-Verhältnisses durch molekulares Design, die Einführung vierter Monomere (wie langkettiger Diole) oder Verbundwerkstoffe mit Nanomaterialien (wie Graphen und Nano-Calciumcarbonat) die Hitzebeständigkeit (z. B. bei thermischen Verformungstemperaturen über 80 °C), die Verschleißfestigkeit und die mechanische Festigkeit von PETG verbessert und so der Einsatz im Bereich technischer Strukturkomponenten erweitert.

Im Hinblick auf die Funktionalisierung entwickeln wir PETG-Varianten mit besonderen Funktionen, wie beispielsweise antibakterielles PETG (durch Zugabe antibakterieller Wirkstoffe wie Nanosilber und Zinkionen) für medizinische und Lebensmittelverpackungen, das mikrobielles Wachstum hemmen kann; flammhemmendes PETG erfüllt durch Zugabe halogenfreier Flammschutzmittel die Brandschutzanforderungen in den Bereichen Elektronik und Bauwesen; intelligent reagierendes PETG (wie beispielsweise temperaturempfindliche Farbänderung und pH-Reaktion) wird für hochwertige Verpackungen und medizinische Überwachung verwendet, um eine dynamische Funktionsregulierung zu erreichen.

Im Hinblick auf die Anwendungserweiterung bietet PETG enormes Potenzial im Bereich der neuen Energien, beispielsweise bei der Herstellung transparenter Rückplatten für Photovoltaikmodule (mit hervorragender Witterungsbeständigkeit und Isolierung). Im 3D-Druck hat sich PETG-Draht aufgrund seiner hohen Druckgenauigkeit und Verzugsfestigkeit zu einem der bevorzugten Materialien für den FDM-Druck entwickelt. Damit lassen sich komplexe Modelle und Funktionskomponenten erstellen. Im Bereich der flexiblen Elektronik kann PETG-Folie als Substrat verwendet und mit leitfähigen Materialien kombiniert werden, um flexible Schaltungen und Sensoren herzustellen.

Im Hinblick auf technologische Innovationen kann die Optimierung des kontinuierlichen Polymerisationsprozesses die Produktionseffizienz und Qualitätsstabilität von PETG verbessern und die Produktionskosten senken. Die Entwicklung neuer Katalysatoren (wie etwa umweltfreundlicher Katalysatoren ohne Antimon) kann Schwermetallrückstände reduzieren und die Produktsicherheit verbessern. Durch Mischmodifizierungstechnologien (wie etwa die Mischung von PETG mit PC und PMMA) können die Vorteile verschiedener Materialien integriert werden, um Verbundprodukte mit umfassenderer Leistung zu entwickeln.

Als Hochleistungs-Copolymer-Polyestermaterial spiegelt die Entwicklung von PETG den Fortschritt der Polymermaterialmodifizierungstechnologie wider. Durch die präzise Regulierung der Molekularstruktur durchbricht PETG die Leistungsgrenzen herkömmlicher Polyester und behält gleichzeitig hervorragende Transparenz und Verarbeitbarkeit bei, wobei Flexibilität, Umweltfreundlichkeit und Sicherheit gewährleistet sind. Mit der Weiterentwicklung umweltfreundlicher Fertigungstechnologien und der Erweiterung der Anwendungsszenarien wird PETG eine immer wichtigere Rolle in der High-End-Fertigung, bei nachhaltigen Verpackungen und in der Medizin spielen und zu einem der Schlüsselmaterialien für die Weiterentwicklung der Polymermaterialindustrie werden.