Термопластик: полиэтилентерефталат (ПЭТФ, ПЭТ)

Содержание

 

Введение

1. История получения полиэтилентерефталата

2. Строение полиэтилентерефталата

3. Разновидности полиэтилентерефталата

4. Получение полиэтилентерефталата

5. Физические свойства

6. Химические свойства

7. Применение

Заключение

Список использованной литературы

 

 

Введение

 

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, ПЭТ)- термопластик, наиболее распространённый представитель класса полиэфиров, известен под разными фирменными названиями: полиэфир, лавсан или полиэстер.

Пластики на основе полиэтилентерефталата  называются ПЭТФ (в российской традиции) либо PET/ПЭТ (в англоязычных странах). В настоящее время в русском  языке употребляются оба сокращения, однако когда речь идет о полимере, чаще используется название ПЭТФ, а  когда об изделиях из него — ПЭТ.

 

Международный знак ПЭТ.

 

В настоящее время полиэтилентерефталат нашел широкое применение в производстве волокон, пищевых плёнок и пластиков, представляющих одно из важнейших направлений в полимерной индустрии и смежных отраслях. Область применения полиэфиров:

• самое массовое из всех видов химических волокон для бытовых целей (одежда) и техники;
• ёмкости для жидких продуктов питания, особенно ёмкости (бутылки) для различных напитков;
• основной материал для армирования автомобильных шин, транспортерных лент, шлангов высоко давления и других резинотехнических изделий;
• чрезвычайно важный современный материал для носителей информации — основа всех современных фото-, кино- и рентгеновских плёнок; основа носителей информации в компьютерной технике (гибкие диски — дискеты, или «флоппи-диски»), основа магнитных лент для аудио-, видео - и другой записывающей техники;
• пластик для ответственных видов изделий в различных отраслях машиностроения, электро- и радиотехнике;
• листовой материал, прозрачный для солнечных лучей (в том числе и УФ) и устойчивый к воздействиям окружающей среды, используемый в сельском хозяйстве и строительстве.

 

 

1. История получения полиэтилентерефталата

 

Исследования по полиэтилентерефталату  и полиэфирным волокнам были начаты в Великобритании Уинфилдом (J. R. Whinfield) и Диксоном (G. T. Dickson), работавшими в это время в фирме Calico Printers Association Ltd, в период, начиная с 1935 г. Заявки на основополагающие патенты по синтезу волокнообразующего полиэтилентерефталата были поданы и зарегистрированы 29 июля 1941 г. и 23 августа 1943 г., но только в 1946 г. эти патенты были опубликованы.

В дальнейшем, приобретя  эти патенты, фирмы Imperial Chemical Industries Ltd. (ICI) и E. I. Du Pont de Nemours & Co на их основе разработали усовершенствованные технологические процессы получения полиэтилентерефталата и волокон из него. Производство полиэфирных волокон было начато в Англии (волокно терилен — 1947—1951 гг. в большом опытном масштабе и в 1953—1955 гг. в промышленном масштабе) и США (волокно дакрон — 1953—1955 гг. в промышленном масштабе).

В СССР (в России) научные исследования в области синтеза полиэтилентерефталата были начаты под руководством акад. В. В. Коршака в 1949 г. в Лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук СССР.

В СССР полиэтилентерефталат и получаемое из него волокно называли лавсаном, в честь места разработки — ЛАборатории Высокомолекулярных Соединений Академии Наук. Аналогичные волоконные материалы, изготавливаемые в других странах, получили другие названия: терилен (Великобритания), дакрон (США), тергал (Франция), тревира (ФРГ), теторон (Япония), полиэстер, мелинекс, милар Tecapet («Текапэт») и Tecadur («Текадур» (Германия) и т. д.

Разработка промышленной технологии синтеза полиэтилентерефталата  и получения волокон были развернуты во ВНИИ искусственных волокон (г. Мытищи, под Москвой) под руководством проф. Б. В. Петухова и проф. Э. М. Айзенштейна (при большом содействии проф. А. А. Конкина — зам. директора по НИР, а затем директора ВНИИВа), а в 1956 г. здесь же был начат опытный выпуск волокон лавсан. .[1]

 

2. Строение полиэтилентерефталата

 

Полиэтилентерефталат является продуктом поликонденсации терефталевой кислоты (OH)-(CO)-C6H4-(CO)-(OH) и моноэтиленгликоля (OH)-C2H4-(OH). В процессе поликонденсации образуется линейная молекула полиэтилентерефталата [-O-(CH2)2-O-(CO)-C6H4-(CO)-] n и вода. Молекулярная масса полиэтилентерефталата 20-40 тыс.

ФениленоваягруппаC6H4 в основной цепи придает жесткость скелету  молекулы полиэтилентерефталата и  повышает температуру стеклования  и температуру плавления полимерного  материала. Регулярность строения полимерной цепи повышает способность к кристаллизации полиэтилентерефталата, которая в  значительной степени определяет механические свойства и которой можно управлять, поскольку степень кристалличности  полиэтилентерефталата зависит  от способа его получения и  обработки.

Возможность управления кристалличностью полиэтилентерефталата существенно  расширяет спектр его применения. Так, например, подвергая аморфный ПЭТ  двухосному растяжению при температуре  выше температуры стеклования для  создания кристалличности, получают материал с замечательными барьерными свойствами для изготовления бутылок для  газированных напитков.

Максимальная степень  кристалличности неориентированного полиэтилентерефталата - 40-45%, ориентированного - 60-65%.[2]

Структура полиэтилентерефталата  обусловливает его особенности, а именно: прочность относительно механического воздействия (в том  числе ударопрочность), устойчивость к агрессивной химической среде, великолепная эластичность, как холодном, так и в нагретом состоянии. [3]

 

3. Разновидности полиэтилентерефталата

 

Кроме самого полиэтилентерефталата  также существует Полиэтилентерефталат-гликоль (ПЭТГ) - высокоударопрочный листовой пластик из полиэтилентерефталата с добавлением гликоля (по международному обозначению PET-G). Благодаря модифицированию, ПЭТГ при нагреве не кристаллизуется, что делает возможным более глубокую вытяжку при термоформовании. При этом ПЭТГ не теряет свои основные свойства: ударопрочность и прозрачность. К основным свойствам относятся: ударопрочность, высокая химическая и УФ-устойчивость, отличные оптические свойства, повышенная влагоустойчивость, пожаробезопасность, возможность обработки всеми известными способами механически и вручную. Может подвергаться склеиванию, изгибанию и изменению формы посредством термовакуумформования.

Применяется в качестве: витрин, торгового оборудования, сувенирной и печатной продукции, защитных стекол, производства упаковок, системы уличного освещения, оформления бензо/ газоправочных станций, медицинского оборудования. [4]

 

4. Получение полиэтилентерефталата

 

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) является полимером пара-(тере)фталевой кислоты и этиленгликоля. Он может быть получен тремя способами: 1) из хлорангидрида терефталевой кислоты и гликоля в среде инертного растворителя, в присутствии щелочного катализатора; 2) при полиэтери-фикации терефталевой кислоты и гликоля, взятого в избытке, в присутствии катализаторов этерификации; 3) переэтерификацией диметилтерефталата этиленгликолем с последующей поликонденсацией образовавшегося дигликольтерефталата.

Первые два способа  не нашли широкого применения из-за ограниченности сырьевых ресурсов (хлорангидрида терефталевой кислоты) и трудности проведения процесса, осложняющегося тем, что терефталевая кислота не плавится (возгоняется при 300° С) и не растворяется в этиленгликоле.

В промышленности наибольшее распространение получил последний  способ. [14]

Процесс производства ПЭТФ осуществляется по периодической схеме  и состоит из следующих стадий: подготовки сырья, переэтерификации, поликонденсации, охлаждения и измельчения полимера.

Технологическая схема процесса производства полиэтилентерефталата:

1 - аппарат для растворения  катализатора, 2 - сетчатый фильтр, 3 - реактор переэтирификации, 4 - насадочная колонна,5, 7 - холодильники, 6 - приемник, 8 вакуум-сборник, 9 - тянущие валки, 10 - рубильный станок, 11 - охлаждающий барабан,12 - реактор поликонденсации 

В аппарат 1 для растворения  катализатора загружают этиленгликоль, нагревают до 125°С и при перемешивании добавляют катализатор переэтерификации — ацетат цинка. После этого в реактор переэтерификации 3 загружают нагретый до 140°С диметилтерефталат и раствор катализатора в следующем соотношении (мас. ч.) : диметилтерефталат — 80; этиленгликоль — 100; ацетат цинка — 0,01. 
Процесс переэтерификации проводят в токе инертного газа при 230°С в течение 4—6 ч. Реактор 3 снабжен насадочной колонной 4, которая служит для разделения паров гликоля и метанола, образующегося при переэтерификации.

По мере переэтерификации из реактора отгоняют пары метанола, которые , пройдя насадочную колонну и отделившись от паров гликоля, конденсируются в холодильнике 5 и стекают в приемник 6. Вместе с парами спиртов в насадочную колонну попадает возгоняющийся диметилтерефталат. Он смывается с колец Рашига потоком сконденсировавшегося гликоля и возвращается в реактор. 
После отгонки метанола температуру в реакторе поднимают до 280°С и отгоняют избыточный этиленгликоль. Расплавленный мономер (дигликольтерефталат), находящийся в реакторе 3, передавливают азотом через металлический сетчатый фильтр 2 в реактор поликонденсации 12, заполненный азотом. Одновременно в линию передачи мономера вводятся наполняющие добавки в виде 20%-ной суспензии диоксида титана или каолина в этиленгликоле. После окончания загрузки в реактор 12 добавляют катализатор поликонденсации — оксид (III) сурьмы, включают обогрев и вакуум. 
Процесс поликонденсации протекает при интенсивном перемешивании реакционной массы, повышении температуры до 285°С и возрастающем вакууме. Выделяющийся при поликонденсации этиленгликоль отгоняется и после конденсатора 7 собирается в вакуум-сборнике 8 до тех пор, пока вакуум не достигнет 1330 Па. После этого вакуум-сборник 8 отключают с целью создания более глубокого вакуума в системе. Поликонденсация проводится в течение 3—5 ч и заканчивается при 295°С и вакууме 133 Па. Перед выгрузкой полиэфира из реактора 12 вакуум отключают и снижают температуру до 280 С. Расплавленный полимер под давлением азота 0,3 МПа выгружается через щелевое отверстие в виде ленты на барабан 11, помещенный в ванну, охлаждаемую водой. Твердая лента попадает на рубильный станок 10, откуда в виде крошки направляется на подсушку и упаковку.

 

Полиэтилентерефталат получают поликонденсацией кристаллической  терефталевой кислоты или ее диметилового эфира с жидким этиленгликолем по периодической или непрерывной схеме в две стадии: этерификации терефталевой и изофталевой кислот этиленгликолем и поликонденсации в присутствии катализатора — триоксида сурьмы.

По технико-экономическим  показателям преимущество имеет  непрерывный процесс получения  полиэтилентерефталата из кислоты  и этиленгликоля. Этерификацию кислоты  этиленгликолем (молярное соотношение  компонентов от 1:1,2 до 1:1,5) проводят при 240-270 °С и давлении 0,1-0,2 МПа.

Полученную смесь бис-(2-гидроксиэтил)терефталата с его олигомерами подвергают поликонденсации в нескольких последовательно расположенных аппаратах, снабженных мешалками, при постепенном повышении температуры от 270 до 300 °С и снижении давления от 6600 до 66 Па.[5]

Первая стадия, поликонденсация, включает в себя несколько последовательных процессов. Во-первых, это смешение всех компонентов: основного сырья, различных добавок, необходимых  катализаторов и др. Во-вторых, следующим  этапом производства полиэтилентерефталата  является этерификация, представляющая собой процесс, характеризующийся получением сложных эфиров из различных спиртов и кислот.

Два таких смежных процесса, как предполиконденсация и непосредственно поликонденсация объединяются на одном этапе. Здесь осуществляется синтез полимеров, который сопровождается выделением побочных продуктов реакции (низкомолекулярные соединения). Заключительным моментом первой стадии производства полиэтилентерефталата является процесс гранулирования. Из аморфного полимера, обладающего низкой степенью вязкости получают бесцветные гранулы.

Вторая стадия получения  ПЭТ, характерная для классической технологии производства этого материала, является твердофазной дополиконденсацией. Процесс представляет собой последовательное охлаждение и нагревание полученных гранул. Они нагреваются до высоких температур, что способствует повышению молекулярной массы продукта и, как следствие, увеличение степени вязкости полимера. [6]

Также существует технология получения полиэтилентерефталата  из диметилтерефталата.

После завершения процесса, расплав полиэтилентерефталата  выдавливается из аппарата, охлаждается (при быстром охлаждении получают аморфный ПЭТ, при медленном –  кристаллический) и гранулируется (товарный ПЭТ выпускается обычно в виде гранулята с размером гранул 2-4 миллиметра) или направляется на формование волокна. Матирующие агенты (TiO2), красители, инертные наполнители (каолин, тальк), антипирены, термо-, светостабилизаторы и другие добавки вводят во время синтеза или в полученный расплав полиэтилентерефталата. [5]