پلی اتیلن ترفتالات (PET) چیست؟

پلی اتیلن ترفتالات (PET) یک پلی استر آلیفاتیک است. چنانکه در حالت پایداری، حالتی نیمه کریستالی دارد. ماده پلی اتیلن ترفتالات در اقلام روزمره‌ی زندگی تمامی انسانها استفاده میشود و همچنین به راحتی قابل بازیافت است. درحقیقت در تمامی بسته بندیهای محصولات و منسوجات و تولید انواع فیلم‌ها از یکسو، تا قطعات قالب گیری شده برای خودرو، لوازم الکترونیکی و… در سوی دیگر، استفاده از ماده PET یک پای ماجراست. بخشی از محبوبیت این ماده برای استفاده‌های گسترده‌ی صنعتی، مقاومت عالی در برابر ضربه، رطوبت، الکل‌ها و حلال‌ها می‌باشد.

اکثر زیرمجموعه‌های خانواده پلی استر، سبک وزن و منعطف هستند. این مسئله برای پلی اتیلن ترفتالات یا همان PET نیز صدق میکند. رایج‌ترین کاربردها برای این ماده، بدون شک شامل بسته بندی سفت و در عین حال انعطاف پذیر است. زیرا وزن بسیار کم و قیمت پایینی دارد. مجموعاَ میتوان گفت که در تمام کاربردهایی که نیاز به مواد سبک وزن و مقاوم در برابر ضربه دارند،PET  میتواند انتخابی ایده آل باشد.

طریقه تولید پلی اتیلن ترفتالات (PET)

پلی اتیلن ترفتالات (PET یا PETE)، یک پلیمر ترموپلاستیک خطی نیمه بلوری همه منظوره است که متعلق به خانواده پلیمرهای پلی استر است. رزینهای پلی استر به دلیل ترکیب عالی خود، با خواص و ویژگیهایی مانند:

• مقاومت مکانیکی،
• ایستادگی حرارتی،
• عملکرد شیمیایی عالی (دوری از واکنش پذیری) و
• همچنین پایداری ابعادی،

شناخته می‌شوند.PETها یکی از بازیافت‌ترین ترموپلاستیک‌ها بشمار می‌روند. بطوری که می‌توان ماده بازیافتی حاصله از آنها را به الیاف، پارچه، ورق برای بسته‌بندی و ساخت قطعات خودرو تبدیل کرد.

«ساختار مولکولی پلی اتیلن ترفتالات؛ با فرمول شیمیایی: (C10H8O4)n»

به‌بیان دقیقتر، PET یک پلی استر آلیفاتیک است و از واکنش چند تراکمی مونومرها به دست می‌آید. یعنی از طریق:

• واکنش استریفیکاسیون؛ بین ترفتالیک اسید و اتیلن گلیکول، OR.
• واکنش ترانس استریفیکاسیون؛ بین اتیلن گلیکول و دی متیل ترفتالات.

مجموعه‌ی این واکنشها باعث تولید PET به شکل یک توده مذاب و چسبناک می‌شوند. چنانکه میتواند به راحتی و مستقیماً روی الیاف چرخانده شود یا تقریباً به هر شکلی اکسترود یا قالب گیری گردد. علاوه بر تمامی مزایای منحصربفرد، همواره تلاش‌های مستمری برای تطبیق ویژگی‌های PET با دیگر عناصر (حالتهای ترکیبی) صورت گرفته است. تلاشهایی که در راستای بهبود عملکردها و خواص ماده‌های اولیه جدید و تولید پروفایل‌های کم هزینه و سودمند برای صنایع، انجام شده است.

میدانیم که انواع لوله و یا مخزن اسید پلی پروپیلن در بازار موجود می‌باشد. و یا انواع منهول، لوله و سپتیک تانک پلی اتیلن طراحی و تولید شده و بسیار محبوب هستند. طیف گسترده‌ای از محصولات نیز با استفاده از متریال پلی وینیل کلراید (پی وی سی) ساخته شده‌اند. فلذا با توجه به این مزایا و گستردگی محبوبیت، هستند، چگونه می‌توانید بفهمید که کدام یک از متریالها برای شما مناسب‌تر است؟!. بدین منظور تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.

مقایسه PET و PBT

از نظر شیمیایی و از نقطه نظر بررسی کلاس پلی استرها، پلی اتیلن ترفتالات بسیار شبیه به پلی بوتیلن ترفتالات است. ماده‌های پلی اتیلن ترفتالات (PET) و پلی بوتیلن ترفتالات (PBT) هر دو از خانواده پلی استرها هستند. ویژگی کلیدی که دو پلیمر را متمایز میکند، استفاده از الکل در گروه استرها است.

PBTها از نظر ترکیب شیمیایی فقط اندکی با PET متفاوت هستند. تفاوتی که بیشتر مربوط به خواصی همچون: نرخ تبلور بالاتر و نقطه ذوب پایین‌تر در پلی‌بوتین ترفتالات می‌باشد. برخلاف PET که میتواند در حالت نیمه بلوری و یا در حالت آمورف قابلیت صنعتی داشته باشد، در شرایط عادی، پردازش و امکان تولید قطعات PBT که آمورف هستند، وجود ندارد!. بلحاظ تبلور،PBT  سریعتر از همتای خود متبلور میشود و کریستالی باقی می‌ماند. درمورد PET، زمان مورد استفاده برای خنک کردن پلیمر، «رفتار آمورف» و «کریستالی» آن را تعیین میکند.

در مقایسه با PBT، ماده پلی اتیلن ترفتالات تا حدودی استحکام و سفتی بالاتری دارد. ولی انعطاف پذیری و سختی کمتری داشته و همچنین مقاومت شیمیایی آن نیز کمتر می‌باشد. بنابراین اگر شما نیاز به ساخت یک جزء پلاستیکی دارید که سفتی، چقرمگی و شفافیت بهتری داشته باشد (در شرایط که دمای فضا کمی بالا باشد؛ حدود 50 درجه سانتیگراد)، مسلماَ PETها ماده‌ای است که انتخاب اول شما خواهد بود.

مقایسه HDPE و پلی اتیلن ترفتالات

مهمترین وجه تمایز این دو ماده اینست که هر دو برای بسته بندی عالی هستند. اگرچه پلاستیک‌های PET و HDPE، تفاوتهای قابل توجهی دارند که این مواد را نسبت به یکدیگر متمایز می‌کند. اول از همه و بلحاظ ظاهری، PET یک پلاستیک شفاف است. درحالی که HDPE بصورت مات مشاهده میشود. مات بودن آنها به مقاومت بهتر در برابر اشعه‌ها (ساخت لوله پلی اتیلن HDPE) کمک نموده است.

از نظر ترک تنشی، بطری‌ها و ظروف PET مقاومت بهتری نسبت به HDPE دارند. زیرا HDPE به دلیل ماهیت نیمه کریستالی خود، شدیداَ مستعد ترک خوردگی در تنشهای محیطی است. بطورکلی هنگام دستیابی به وزن مولکولی بالاتر، بلورینگی کاهش می‌یابد. بنابراین پلاستیک در برابر ترک خوردگی ناشی از استرس محیطی، مقاوم تر میشود. علاوه بر این، پلی اتیلن ترفتالات نوعی بطری آمورف است و برای جلوگیری از تبلور، مهندسی شده است. چنانچه PETها متبلور شوند، شفافیت خود را از دست‌داده و همچنین مقاومت ضعیفی در برابر ضربه نشان می‌دهند. ظروف HDPE کمی بادوام‌تر و مقاوم‌تر در برابر دما هستند. دمای عملیاتی آنها 160 درجه فارنهایت می‌باشد؛ در مقایسه با 145 درجه فارنهایت برای بطریهای PET. گرچه شفافیت ارجح‌ترین ویژگی PET است. ولی دارای خواص طبیعی خاصی هستند که مانع نفوذ CO2 (برای حفظ کیفیت غذا و نوشیدنی) میشود.

نکته‌ی حائز اهمیت اینجاست که اگرچه HDPE یک پلیمر مقرون به صرفه است. ولی پلی اتیلن ترفتالات دارای نسبت مقاومت به وزن بهتری است. بنابراین محصولات بیشتری را میتوان با حجم بسته بندی پایین و البته ضایعات کمتر، به سرانجام رساند. بطور کلی با بکارگیری PETها، هزینه کلی حمل و نقل و همچنین ردپای کربن کاهش می‌یابد.

وضعیت بازیافت PET و HDPE

امروزه پایداری و قابلیت بازیافت در انتخاب مواد، به جنبه‌های بسیار کلیدی تبدیل شده اند. اگرچه «HDPE» و «PET»  هر دو قابل بازیافت هستند. اما ضریب انتشار پایین تر باعث میشود که PET برای استفاده به عنوان ماده بازیافتی، بسیار مناسب تر از سایر مواد پلاستیکی باشد. ظروف PET و همچنین rPET، همواره یک انتخاب پایدار برای صنعت بسته‌بندی مواد غذایی و نوشیدنی محسوب میشوند.

ویژگیهای PET در مقابل  PVC

انتخاب بین «پلی اتیلن ترفتالات» و «پی وی سی» (PET و PVC)، صرفاً به:

• عملکرد قطعه موردنظرتان و
• مطابقت (نحوه نیاز) قطعه با کاربری موردنظر،

بستگی دارد. در میان این دو پلیمر، بازهم PET در پارامتر «بازیافت» برتری دارد. بازیافت پی وی سی به دلیل محتوای کلر بالای پی وی سی خام (56 درصد وزنی)، شدیداَ چالش برانگیز است!!. در بین تمام پلاستیک‌ها، پی وی سی از بیشترین نسبت افزودنی استفاده می‌کند. درنتیجه PVC قبل از بازیافت مکانیکی، نیاز به جداسازی از سایر پلاستیک‌ها خواهد داشت.

پی‌وی‌سی یک پلاستیک سفت و سخت است که دوام متوسطی دارد. ممکن است سخت شود و در نهایت با قرار گرفتن در معرض نور خورشید تجزیه شود. بنابراین به جرئت میتوان اظهار داشت که این، یک ماده ایده آل برای استفاده در مواد بسته بندی نیست!. ‌PETها اما محصولی بسیار قوی تر و بادوام تر هستند و می‌توانند در برابر اشعه UV و سایر عناصر طبیعی، مقاومت ویژه‌ای را ارائه نمایند. ضمناَ در برابر حملات میکروارگانیسم‌ها نیز شدیداَ مقاوم هستند. وزن سبک، حمل و نقل آسان و همچنین نشکن بودن، از دیگر مزایای پلی اتیلن ترفتالات محسوب میشود.

وقتی صحبت از هزینه به میان می‌آید، PVC و PET قیمت نزدیکی دارند. اگرچه در نظر داشته باشید که:

پلی اتیلن ترفتالات بسیار بیشتر از پی وی سی، حاوی مواد خام مبتنی بر نفت است. موضوعی که موجب میشود تا بسته به نوسانات قیمت نفت، قیمت PET نیز مداوماَ تغییر کند. همچنین قراضه‌ی PET نیز تقاضای بالاتری دارد که منجر به ارزش ضایعات بالاتر آن میشود.

به‌طور کلی استفاده از PETها، جایگزین ارزان‌تری در بلندمدت است. اما شاید برای کوتاه مدت، PVC گزینه بهتری باشد!. (بسته به نوع کار)

پلی اتیلن ترفتالات (PET) در مقایسه با پلاستیکهای شفاف

وقتی صحبت از شفافیت پلیمر میشود، پلیمرهای پلی کربنات (PC) و اکریلیک به یک اندازه محبوب هستند و برای کاربردهای خاص با PET رقابت می‌کنند. پلی کربناتها دارای ویژگیهای مقاومتی ویژه‌ای در برابر ضربه هستند. به‌همین دلیل همانند پلی اتیلن ترفتالات، برای تولید:

• بطری‌ها،
• قوطی‌ها و
• اشکال مختلف ظروف برای بسته بندی نوشیدنی‌ها و…،

کاربردهای گسترده‌ای دارند. اما در عین حال، در برابر تنشهای وارده، عملکرد ضدترک ضعیفی از خود ارائه می‌کنند. فلذا اگر برنامه شما دارای پتانسیلی باشد که استرسهای وارده شدید بوده و احتمال ترک خوردگی پلیمر زیاد باشد، تصمیم شما برای انتخاب PET میتواند عاقلانه‌تر و معنی دار بشمار بیاید. ذکر این نکته نیز لازم است که پلی‌اتیلن ترفتالات، دارای استحکام مکانیکی بهتری نسبت به پلی کربنات است و مقاومت فیلم آن سه برابر بیشتر از PC می‌باشد.

مجموعاَ اگر برنامه کاری شما، شامل قرار گرفتن متریالها در معرض روغن‌ها و مواد شیمیایی خاص است، قاعدتاَ ترجیح باید به سمت استفاده از PET باشد. ماده‌ی پلی اتیلن ترفتالات در برابر انواع:

• پاک کننده‌های خانگی،
• مواد شیمیایی،
• عناصر گرافیتی،
• طیف گسترده‌ی الکل‌ها و
• بسیاری از مواد و سیالهای اسیدیته،

مقاومت ویژه‌ای از خود ارائه می‌کند. درنتیجه پرواضح است که نسبت به پلی کربنات، در برابر طیف وسیع‌تری از مواد شیمیایی مقاومت بیشتری دارد. پلی‌کربنات یا PC دارای مقاومت شیمیایی خوبیست؛ اما میزان مقاومت آن محدود است. به‌همین دلیل برای استفاده در محیطهای خشن، کمتر مطلوب بوده و چندان توصیه نخواهد شد!.

میزان مقاومت اکریلیک و پلی اتیلن ترفتالات

راجع به پلی کربنات (PC) به موارد مقایسه‌ای مهمی اشاره داشتیم. حال این سوال بوجود می‌آید که میزان مقاومت ذاتی اکریلیک‌ها چگونه است؟!. در پاسخ میتوان گفت که:

اکریلیک‌ها فاقد استحکام ضربه‌ای مناسبی هستند که در PET یا پلی کربنات‌ها مشاهده میشود. درسوی مقابل اما؛ اکریلیک‌ها در مقایسه با پلی اتیلن ترفتالات دارای مقاومت اشعه‌ای بسیار ویژه تری هستند.

جهت درک بهتر مقاومت اشعه‌ای بالای اکریلیک‌ها، بایستی بدانید که محصولات PET معمولاً دارای درجه مواد غذایی (فود گرید | FOOD GRID) هستند. اما در صورت قرار گرفتن در معرض اشعه یووی، قابل استفاده نیستند. یعنی شدیداَ دستخوش تغییرات نامطلوب می‌شوند!. اکریلیک‌ها ذاتاً در برابر اشعه ماوراء بنفش مقاوم هستند. بطوریکه در یک دوره 10 ساله، فقط و فقط به میزان 3 درصد در فضای باز تخریب می‌شوند.

نکته: البته گریدهای PET تثبیت شده در برابر اشعه ماوراء بنفش نیز قابل دسترس هستند.

مقاومت اسیدی و روغنی PET

معمولا PET یک فیلم بسیار پایدار است. چنانکه برای کاربردهایی که نیاز به یک فیلم قوی با خواص کششی بالا، مقاومت در برابر خراش و البته دوام مناسب دارند، گزینه‌ای کاملاَ مناسب است. ضمن اینکه سفت تر و شفاف تر از BOPP هستند. درحالی که فیلم‌های PET دارای ویژگی‌های بازدارنده خوبی هستند، فیلم‌های BOPP بیشتر مستعد جذب روغن و محصولات اسیدی هستند. لذا بوسیله‌ی سیالات اسیدی و روغنهای شیمیایی، با سرعت بیشتری مخدوش می‌شوند!.

PETG؛ فرم کوپلیمری پلی اتیلن ترفتالات

پلی اتیلن ترفتالات اصلاح شده با گلیکول (PET-G)، پلی استری با ویژگیهایی نظیر:

• چقرمگی بالا
• و مقاومت شیمیایی خوب

است که کاربردهای صنعتی متعددی نیز دارد. اصلاح گلیکول PET از طریق کوپلیمریزاسیون، «فرآیند پذیری» (نرخ افزایش سریع تر و افزایش طول بیشتر) و «تمایز خواص پلی اتیلن ترفتالات» (PET) را بهبود می‌بخشد. موضوعی که موجب میشود تا ضریب انتقال شیشه و دمای ذوب PET کاهش یابد و ضمناَ دما و سرعت تبلور نیز کاهش پیدا کند. اصلاح کننده‌های رایجی که در تولید PETG، جایگزین اتیلن گلیکول یا ترفتالیک اسید می‌شوند به ترتیب:

• سیکلوهگزان دی متانول (CHDM) و
• اسید ایزوفتالیک،

هستند. اصلاح کننده‌ها در فرآیند فوق با کریستالیزاسیون تداخل نموده و دمای ذوب پلیمر را کاهش می‌دهند. بعنوان یک ماده فنی، PET-G خواص مکانیکی خوب و رفتارهای شیمیایی و حرارتی بهبود یافته‌ای را نسبت به PLA ارائه می‌کند. البته سهولت استفاده مشابهی در هر دو مشاهده میشود. میزان مقاومت شیمیایی PETG با توجه به نمره دهی کارشناسان نیز بسیار قابل توجه است.

نکته‌ی مهم: پلی اتیلن ترفتالات به عنوان یک هموپلیمر در دسترس است. اگرچه که میتوان آن را برای تولید کوپلیمرهای اصلاح شده‌ای نظیر: «PETG یا همان PET-G» (پلی اتیلن ترفتالات گلیکول اصلاح شده) مورد استفاده قرار داد. با وجود چنین اصلاحاتی، ماده حاصله برای برخی کاربردهای صنعتی خاصتر، مناسب میشود.

مزایای انتخاب PET

ماده پلی اتیلن ترفتالات (PET) در حالت طبیعی، یک رزین بسیار انعطاف پذیر، بی‌رنگ و نیمه کریستالی است. بسته به نحوه پردازش، می‌تواند نیمه سفت و سخت باشد. پایداری ابعادی خوب، مقاومت در برابر ضربه و ایستادگی عالی در مقابل رطوبت، الکلها و حلالها، همه و همه نشان از ماده‎‌ای بسیار کارآمد در صنعت دارد.

جهت استفاده‌های صنعتی (برآورده سازی نیازهای صنعتی)، PETها نیاز به تقویت دارند. در نتیجه گریدهای PET تجاری، شامل مواد تقویت شده‌ایست تا در برابر شعله و جریان بالا مقاوم باشند. درحقیقت کاربردهای مهندسی صنایع می‌طلبد تا ماده اولیه مورداستفاده، دارای استحکام بالا و یا مقاومت حرارتی ویژه‌ای باشد. افزودن پر کننده‌هایی مانند:

• الیاف شیشه،
• نانولوله‌های کربنی

وغیره، به بهبود استحکام ضربه، پرداخت سطح، کاهش تاب خوردگی و چندین مزیت دیگر کمک می‌کند. برخی از مهمترین مزایای پلی اتیلن ترفتالات به شرح زیر خواهد بود:

• استحکام و سفتی بالاتری نسبت به PBT دارد.
• بسیار قوی و سبک است و از این رو، حمل و نقل آسان و کارآمدی دارد.
• بدلیل خواص خوب، به عنوان سد رطوبتی گازهای «اکسیژن و دی اکسید کربن» شناخته میشود.
• عایق الکتریکی عالی را از خود نشان میدهد.
• دارای طیف وسیعی از دمای استفاده است. یعنی از -60 تا 130 درجه سانتیگراد، پلی اتیلن ترفتالات قابلیت بکارگیری دارد.
• در مقایسه با PBT، دمای اعوجاج حرارتی (HDT) بالاتری دارد.
• دارای نفوذپذیری گازی کم است؛ به‌ویژه با دی اکسید کربن.
• برای کاربردهای شفاف در حین پردازش، مناسب است.
• PET نمی‌شکند. (عملاً در برابر شکستگی مقاوم است و از این رو در برخی کاربردها، جایگزین مناسبی برای شیشه است)
• قابل بازیافت و در برابر تشعشعات مایکروویو، شفاف است.
• ماده PET به‌ عنوان ماده‌ای ایمن برای تماس با غذاها و نوشیدنی‌ها توسط FDA ،Health Canada ،EFSA و سایر آژانس‌های بهداشتی تایید شده است.

خواص شیمیایی پلی اتیلن ترفتالات

ماده‌ی موردنظر (پلی اتیلن ترفتالات)، مقاومتی عالی در برابر الکلها و هیدروکربنهای آلیفاتیک دارد. ایستادگی ویژه در برابر روغنها، گریس و اسیدهای رقیق شده، از دیگر مزایای PET محسوب میگردد. البته میزان مقاومت پلی اتیلن ترفتالات در برابر:

• عناصر قلیایی رقیق شده،
• هیدروکربنهای معطر و
• هیدرو کربن‌های هالوژنه،

تا حد متوسط تخمین زده میشود. جالب است بدانید که بیشتر صاحبان صنایع در پی بررسی خواص شیمیایی PET، به دمای ذوب و دمای انتقال شیشه‌ی آنها توجه میکنند. PET دارای دمای انتقال شیشه‌ای 65-80 درجه سانتیگراد، بسته به درجه بلورینگی است. همچنین دمای ذوب آنها بین 240 الی 270 درجه سانتیگراد است. یک پلی‌اتیلن ترفتالات کاملاً آمورف، دارای Tg 65 درجه سانتیگراد است و Tg با افزایش درجه بلورینگی، افزایش می‌یابد. این ماده در محدوده دمایی «از 10 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای انتقال شیشه‌ای خود تا 10 درجه سانتیگراد زیر دمای ذوب خود»، با حداکثر نرخ تبلور در 178 درجه سانتیگراد، متبلور میشود. معمولاً PET به بلورینگی 40-50 درصد میرسد. ولی همچنین می‌تواند به یک کوپلیمری که نمی‌تواند متبلور شود، پلیمریزه شود.

باتوجه به گستردگی مزیت‌ها، بی‌جهت نیست که اصرار داشتیم PETها بخش مهمی از زندگی روزمره‌ی انسانها را تشکیل می‌دهند. البته اگر به گستردگی پلی اتیلن‌ها بنگریم، میزان این همه گیری عملکردی، بیشتر نیز میشود. یکی از مهمترین مثالهای کاربردی این ماده‌ها در زندگی شهری امروزی، مربوط به لوله‌های کاروگیت فاضلابی، انواع لوله پلی اتیلن انتقال آب و… می‌باشد.

محدودیتهای پلی اتیلن ترفتالات

اگر چه حضور PET در زندگی روزمره ما، بسیار پر رنگ است؛ اما هنوز هم برخی از اشکالات اساسی در این پلیمرها مشاهده میگردد. یکی از این مشکلات، مربوط به حالت متبلور شده‌ی پلی اتیلن ترفتالات است. بطوری که شکل متبلور PET، استحکام ضربه کمتری نسبت به PBT دارد. ضمن اینکه قابلیت قالب‌گیری پایین‌تری نسبت به PBT نشان می‌دهد. زیرا سرعت تبلور آن پایین است. علاوه بر این، پلی اتیلن ترفتالات به شکل آمورف به راحتی تحت تأثیر:

• آب جوش،
• قلیاها و
• پایه‌های شیمیایی و اسیدی قوی،

قرار می‌گیرد. عملکرد تدافعی ضعیف در دماهای بالا نیز، دیگر معضل PETها بشمار میرود. چنان‌که در دماهای بالا (بیش از 60 درجه سانتیگراد)، به راحتی توسط کتونها، هیدروکربنهای معطر و کلردار و اسیدها و بازهای رقیق شده مورد حمله قرار می‌گیرند.

به‌منظور ایجاد پلی اتیلنهای ترفتالاتی قادر به مدیریت محیطهای شیمیایی تهاجمی و همچنین مقاومت در برابر دمای بالا، بسیاری از قطعات پلاستیکی در پلی استر PET کریستالی، قالب گیری می‌شوند. شکل کریستالی PET گاهی اوقات به مواد افزودنی مانند:

• عوامل هسته‌زا و
• همچنین ذرات جامد پرکننده‌ها و تقویت‌کننده‌ها،

نیاز دارد تا این پلی استر، قابلیت کاربردهای فراتر از بسته‌بندی را بدست آورد.