Materias primas de PET

Materias primas de PET: materiales de poliéster de alto rendimiento y sus diversas aplicaciones

El tereftalato de polietileno (PET) es un poliéster aromático lineal producido por la reacción de condensación del ácido tereftálico y el etilenglicol. Como uno de los cinco plásticos de ingeniería general, el PET se ha convertido en un material polimérico indispensable en la industria moderna desde su producción industrial en la década de 1940 gracias a su excelente rendimiento integral, su amplia gama de materias primas y sus procesos de producción maduros. Desde botellas de agua mineral hasta ropa de poliéster, desde películas para envases de alimentos hasta componentes de automoción, el PET se ha introducido en diversos campos de la producción y la vida cotidiana gracias a sus ventajas únicas, impulsando el desarrollo sostenible de la industria de los materiales.

1、 Estructura molecular y características principales del PET

La estructura molecular del PET es el factor fundamental que determina su rendimiento. Su unidad repetitiva es OC-C₆H₄-COO-CH₂CH₂-, y la cadena molecular contiene anillos de benceno rígidos y segmentos de metileno flexibles. Esta estructura confiere al PET rigidez y cierta tenacidad.

En cuanto a sus propiedades mecánicas, el PET presenta una alta resistencia a la tracción y un módulo elástico elevados, un alargamiento de rotura moderado y una mejor resistencia al impacto que plásticos frágiles como el poliestireno. El PET sin tratar presenta una buena rigidez y, tras un tratamiento de estiramiento biaxial, su resistencia puede mejorarse considerablemente. Por ejemplo, la resistencia a la tracción de la película de PET estirada biaxialmente puede alcanzar entre 150 y 200 MPa, aproximadamente una décima parte de la del acero. Esta alta resistencia lo hace excepcional en materiales de embalaje y estructurales.

En términos de rendimiento térmico, la temperatura de transición vítrea del PET se sitúa entre 70 y 80 °C, con un punto de fusión entre 240 y 260 °C. Su temperatura de uso a corto plazo puede alcanzar los 120 °C, y su temperatura de uso a largo plazo es de 80 a 100 °C, lo que cumple con los requisitos de temperatura de la mayoría de las aplicaciones cotidianas e industriales. Sin embargo, su temperatura de deformación térmica es relativamente baja y es propenso a deformarse a altas temperaturas bajo tensión. Por lo tanto, el PET puro se utiliza principalmente en aplicaciones sin carga o con cargas bajas y altas temperaturas. Para mejorar la resistencia al calor, es necesario mejorarla mediante una modificación mejorada.

El rendimiento de barrera es una de las principales ventajas del PET, que posee un buen efecto barrera frente al oxígeno, el dióxido de carbono, el vapor de agua, etc., y puede retrasar eficazmente el deterioro por oxidación y la pérdida de humedad del contenido. Especialmente en el PET para botellas, tras el proceso de estiramiento biaxial, la disposición de las cadenas moleculares es más regular y las propiedades de barrera mejoran aún más, lo que lo convierte en el material predilecto para el envasado de bebidas, alimentos, cosméticos, etc. Por ejemplo, las botellas de bebidas carbonatadas deben soportar cierta presión interna, y las propiedades de barrera del PET pueden prevenir eficazmente las fugas de dióxido de carbono.

En cuanto a la resistencia química, el PET presenta buena tolerancia a la mayoría de los disolventes orgánicos, ácidos y bases, y no se corroe fácilmente a temperatura ambiente. Sin embargo, pueden producirse reacciones de hidrólisis en condiciones de alcalinidad intensa o altas temperaturas. Esta característica lo hace adecuado para almacenar bebidas ácidas (como jugos), agua neutra, etc., pero no para el almacenamiento a largo plazo de líquidos fuertemente alcalinos.

Además, el PET tiene buena transparencia y brillo, con una transmitancia de luz de más del 90% después del procesamiento, lo que puede mostrar claramente el contenido y mejorar el atractivo visual del producto; Al mismo tiempo, el PET es fácil de procesar y se puede convertir en diversas formas de productos como botellas, películas, láminas, fibras, etc. a través del moldeo por inyección, moldeo por soplado, extrusión y otros procesos.

2、 Proceso de producción y fuentes de materia prima de PET

La producción industrial de PET utiliza principalmente ácido tereftálico (PTA) y etilenglicol (EG) como materias primas, generadas mediante una reacción de condensación. Su proceso de producción ha conformado un sistema técnico sólido y estable, cuyo núcleo reside en el control preciso del proceso de polimerización para obtener productos con propiedades específicas.

En cuanto a las fuentes de materias primas, el ácido tereftálico (PTA) se produce principalmente mediante la oxidación del xileno (PX), procedente de la extracción de hidrocarburos aromáticos en la refinación de petróleo; el etilenglicol (EG) se produce principalmente mediante la oxidación del etileno para producir epoxietano, que posteriormente se hidrata. El etileno también se obtiene del craqueo de petróleo o gas natural. Ante la creciente demanda de protección ambiental y desarrollo sostenible, se ha avanzado en la investigación y el desarrollo de materias primas de origen biológico. El etilenglicol de origen biológico puede producirse mediante la fermentación de biomasa y posteriormente polimerizarse con PTA para producir PET de origen biológico, reduciendo así la dependencia de los recursos fósiles.

El proceso de producción de PET consta principalmente de dos etapas principales: esterificación y condensación. Según la escala de producción y la demanda del producto, se puede dividir en dos procesos: polimerización discontinua y polimerización continua.

La etapa de esterificación implica la reacción de esterificación entre PTA y EG a alta temperatura y presión, lo que resulta en la formación de tereftalato de dihidroxietilo (BHET) y agua. La temperatura de reacción se controla generalmente entre 220 y 260 °C y la presión entre 0,2 y 0,5 MPa. La reacción se acelera mediante catalizadores como los de antimonio y titanio. La reacción de esterificación es reversible, y el agua generada debe eliminarse de forma oportuna para promover la reacción directa y garantizar que la tasa de esterificación supere el 95 %.

La etapa de condensación consiste en que el BHET se somete a una reacción de condensación a mayor temperatura y vacío, eliminando el etilenglicol y formando cadenas de polímero de PET. La temperatura de reacción se eleva a 270-290 °C y la presión se reduce por debajo de 100 Pa. Los productos de moléculas pequeñas (etilenglicol) se eliminan mediante vacío para promover el crecimiento de las cadenas moleculares. El tiempo y los parámetros del proceso de la reacción de condensación afectan directamente el peso molecular y la distribución del peso molecular del PET, lo que determina el rendimiento del producto. El proceso de polimerización continua logra una producción continua mediante múltiples reactores en serie, lo que ofrece las ventajas de una alta eficiencia de producción y una calidad estable del producto, siendo adecuado para la producción industrial a gran escala. La polimerización intermitente ofrece una gran flexibilidad y es adecuada para la producción a pequeña escala y de múltiples variedades.

Tras la polimerización, el PET fundido se moldea y se corta en láminas de PET, que constituyen la materia prima sólida de PET. Las láminas deben secarse para eliminar la humedad (el contenido de humedad debe ser inferior al 0,005 %) a fin de evitar una disminución del peso molecular por hidrólisis durante el procesamiento posterior. Según los requisitos de cada aplicación, la viscosidad intrínseca (VI) de las láminas de PET puede controlarse ajustando los parámetros del proceso. El VI de las láminas de PET para botellas suele estar entre 0,7 y 0,8 dL/g, el de las láminas de membrana, entre 0,6 y 0,7 dL/g, y el de las láminas de fibra, entre 0,6 y 0,9 dL/g.

La modificación por copolimerización es un método importante para ampliar el rango de rendimiento del PET. Mediante la introducción de monómeros externos (como ciclohexanodimetanol y ácido isoftálico) durante el proceso de polimerización, se puede alterar la estructura de la cadena molecular para obtener productos de PET modificados. Por ejemplo, el PET se copolimeriza con ciclohexanodimetanol para producir PETG, lo que mejora significativamente su flexibilidad, resistencia al impacto y procesabilidad, haciéndolo adecuado para envases de alta transparencia y dispositivos médicos. La adición de ácido isoftálico puede reducir la cristalinidad del PET, mejorar su rendimiento de procesamiento y su resistencia química.

3、 Diferencias en la clasificación y rendimiento del PET

Según el campo de aplicación y los requisitos de rendimiento, el PET se puede dividir en cuatro categorías: PET para botellas, PET para películas, PET para fibras y PET para ingeniería. Los diferentes tipos de PET presentan diferencias significativas en peso molecular, cristalinidad, rendimiento de procesamiento, etc., para satisfacer las necesidades de diferentes escenarios.

El PET para botellas es la variedad de PET más producida, y se utiliza principalmente para la producción de diversas botellas de plástico. Presenta una alta viscosidad intrínseca (0,7-0,8 dL/g), excelente transparencia, resistencia mecánica y propiedades de barrera, además de una excelente resistencia al impacto y a la presión interna. Para cumplir con los requisitos del moldeo por soplado, los chips de PET para botellas deben tener buena fluidez en estado fundido y estabilidad de procesamiento. Tras el moldeo por inyección en preformas, se convierten en botellas mediante la tecnología de moldeo por soplado con estiramiento biaxial. El proceso de estiramiento orienta las cadenas moleculares, mejorando aún más la resistencia y las propiedades de barrera. El PET para botellas se puede clasificar en: para agua, para bebidas carbonatadas, para llenado en caliente, etc. Según sus aplicaciones, el PET para llenado en caliente puede mejorar su resistencia térmica mediante la modificación por copolimerización y soportar procesos de llenado en caliente a 85-95 °C.

El PET de grado película se utiliza principalmente para la producción de diversos productos de película delgada, con una viscosidad intrínseca ligeramente inferior a la del grado botella (0,6-0,7 dL/g), y presenta buenas propiedades mecánicas, resistencia térmica y aislamiento. La película de PET se fabrica mediante fundición por extrusión o estiramiento biaxialmente orientado. Tras el estiramiento longitudinal y transversal, la resistencia, la transparencia y las propiedades de barrera de la película de PET biaxialmente orientado (BOPET) mejoran considerablemente. Se utiliza ampliamente en películas de envasado de alimentos (como bolsas de vapor), películas aislantes (como películas de condensadores), películas de protección de tarjetas, películas de lámina posterior fotovoltaica, etc. El PET de grado película puede mejorar el rendimiento de la película mediante la adición de lubricantes, agentes antiadherentes, etc., como la reducción del coeficiente de fricción para facilitar el bobinado y el procesamiento.

El PET de grado fibra es la materia prima principal en el sector textil, concretamente el poliéster (fibra de poliéster). Presenta un amplio rango de viscosidad intrínseca (0,6-0,9 dL/g) y sus parámetros se ajustan según la variedad de fibra (filamento, fibra corta). El PET de grado fibra se transforma en fibras de poliéster mediante hilado por fusión, lo que ofrece ventajas como alta resistencia, resistencia al desgaste, resistencia a las arrugas y fácil lavado. Se utiliza ampliamente en prendas de vestir, textiles para el hogar y textiles industriales (como geotextiles y telas filtrantes). Ajustando el proceso de hilado, se pueden producir fibras de poliéster con diferentes propiedades, como fibras de alta resistencia y baja elongación para uso industrial, y fibras ultrafinas para tejidos de alta gama.

El PET de grado de ingeniería es un PET de alto rendimiento obtenido mediante tratamientos de refuerzo, endurecimiento y otras modificaciones, utilizado principalmente para sustituir metales u otros plásticos de ingeniería en la producción de componentes estructurales. Mediante la adición de materiales de refuerzo como fibra de vidrio y fibra de carbono, se puede mejorar significativamente la resistencia, la rigidez y la resistencia térmica del PET. La resistencia a la tracción del PET reforzado con fibra de vidrio puede superar los 150 MPa y la temperatura de deformación térmica puede superar los 200 °C. Es adecuado para piezas de automóviles (como manijas de puertas, paneles de instrumentos), carcasas electrónicas y eléctricas, piezas mecánicas, etc. El PET de grado de ingeniería también puede mejorar su resistencia al impacto mediante la adición de agentes endurecedores (como elastómeros) o retardantes de llama para cumplir con los requisitos de protección contra incendios.

4、Las diversas áreas de aplicación del PET

El PET, con su excelente rendimiento integral y diversos métodos de procesamiento, ha sido ampliamente utilizado en diversos campos como el embalaje, los textiles, la electrónica, los automóviles y la construcción, convirtiéndose en un material indispensable en la industria moderna y la vida diaria.

El sector del envasado es uno de los más utilizados para el PET, con un predominio del PET de grado embotellado. En el envasado de bebidas, las botellas de PET se han convertido en el envase predilecto para agua mineral, bebidas carbonatadas, zumos de frutas, tés, etc., gracias a su transparencia, ligereza, resistencia al impacto y buenas propiedades de barrera. Cada año se producen más de 500 000 millones de botellas de PET en todo el mundo. Las botellas de PET reducen continuamente el consumo de material gracias a su diseño ligero y a su buena reciclabilidad, lo que promueve el desarrollo de la economía circular. En el envasado de alimentos, la película BOPET se utiliza para fabricar bolsas de cocción y películas de envasado al vacío, que resisten la esterilización a alta temperatura de 121 ℃ y prolongan la vida útil de los alimentos. Las láminas de PET se termoforman en cajas de vacío para envasar carne, fruta, bollería, etc., que ofrecen transparencia y protección.

En la industria textil, las fibras de poliéster fabricadas a partir de PET de grado fibra son las fibras sintéticas más producidas, representando más del 60% de la producción mundial de fibra. El filamento de poliéster se utiliza para fabricar telas como camisas, vestidos y ropa deportiva, y se caracteriza por su rigidez y fácil mantenimiento. La mezcla de fibras cortas de poliéster con fibras naturales como el algodón y la lana mejora la resistencia al desgaste y la retención de la forma de la tela. La fibra de poliéster industrial se utiliza para fabricar geotextiles (para reforzar el suelo), materiales de filtración (como filtros de aire), cinturones de seguridad, tiendas de campaña, etc. Su alta resistencia y resistencia a la intemperie satisfacen las necesidades industriales.

En el campo de los electrodomésticos, la película de PET desempeña un papel importante. La película BOPET se utiliza para fabricar películas de condensadores, películas aislantes de motores, sustratos flexibles para placas de circuitos, etc., gracias a su excelente aislamiento y resistencia térmica. Las láminas de PET se imprimen y estampan en paneles decorativos, placas de identificación y otros dispositivos electrónicos. Tras su modificación, el PET de grado de ingeniería se utiliza para fabricar componentes como conectores, carcasas de interruptores, soportes de pantalla, etc., con resistencia tanto aislante como mecánica.

En la industria automotriz, el PET de grado de ingeniería se refuerza y modifica para la producción de piezas interiores (como paneles de instrumentos y paneles de puertas), piezas exteriores (como carcasas de retrovisores) y componentes funcionales (como rejillas de radiador). Su ligereza reduce el consumo de combustible, y su resistencia química y a la intemperie satisface las necesidades a largo plazo del sector automotriz. El PET también se utiliza para aislar arneses de cableado de automóviles, tapicería de asientos (poliéster), etc., ampliando aún más sus aplicaciones en el sector automotriz.

En el campo de la arquitectura, el material PET se utiliza para producir materiales de aislamiento térmico (como el algodón aislante PET), membranas impermeabilizantes, películas decorativas, etc. El algodón aislante PET tiene las características de ligereza, retardancia de llama y buen efecto aislante, y es adecuado para el aislamiento de paredes exteriores de edificios; La membrana impermeabilizante PET es resistente al envejecimiento y a la perforación, y se utiliza para proyectos de impermeabilización de techos y sótanos; La película decorativa PET se aplica a la superficie del tablero para mejorar su estética y resistencia al desgaste.

Además, el PET se utiliza en el campo médico para fabricar botellas de infusión, carcasas de jeringas, etc. Su estabilidad química e higiene cumplen con los estándares médicos; En el campo de la impresión 3D, el alambre de PET se utiliza para la tecnología de impresión FDM para producir modelos y piezas de alta resistencia.

5、 La protección ambiental y las tendencias de desarrollo del PET

Con la creciente conciencia global sobre la protección del medio ambiente, la sostenibilidad y el respeto al medio ambiente del PET se han convertido en preocupaciones fundamentales de la industria. Sus tecnologías de reciclaje y producción ecológica siguen avanzando, impulsando la transformación de la industria del PET hacia una economía circular.

La ventaja ambiental del PET reside en su buena reciclabilidad y alto valor de reciclaje. Los productos de PET de desecho (como botellas, películas y fibras de PET) se pueden reciclar mediante dos métodos: reciclaje físico y reciclaje químico. El reciclaje físico es el proceso de clasificación, limpieza, trituración y fusión del PET de desecho en rebanadas de PET reciclado. El PET reciclado se puede utilizar para producir productos de grado botella, grado película, grado fibra y otros. Por ejemplo, las botellas de PET recicladas se utilizan para envases no alimentarios y las fibras recicladas se utilizan para fabricar alfombras y tejidos para prendas de vestir (como tejidos de poliéster reciclados). El reciclaje químico descompone el PET en monómeros de PTA y EG mediante hidrólisis, alcoholisis y otras tecnologías, y los utiliza como materia prima para producir nuevo PET, logrando una circulación de circuito cerrado. El reciclaje químico puede tratar residuos de PET complejos y contaminados, y el rendimiento de las materias primas recicladas es cercano al de las materias primas que se pueden utilizar en el campo del contacto con alimentos.

Actualmente, el principal desafío para el reciclaje de PET reside en las imperfecciones del sistema. La tasa global de reciclaje de botellas de PET ronda el 50%, y algunas regiones presentan tasas bajas debido a la falta de conocimiento sobre el reciclaje clasificado y a los altos costos. Asimismo, es necesario controlar estrictamente la estabilidad del rendimiento y la higiene del PET reciclado para evitar que las impurezas afecten la calidad del producto.

En el futuro, el desarrollo del PET se orientará hacia un alto rendimiento, ecológico y funcional. En términos de alto rendimiento, se utilizan tecnologías de diseño y modificación molecular para mejorar la resistencia al calor, la resistencia al impacto y las propiedades de barrera del PET, como el desarrollo de PET resistente a altas temperaturas para el llenado en caliente y la ingeniería, y PET de alta barrera para el envasado de productos de alto valor añadido.

En términos de ecologización, la investigación y el desarrollo de PET de base biológica se está acelerando, con el objetivo de lograr una producción de materia prima 100% de base biológica y reducir la huella de carbono; al mismo tiempo, optimizar la tecnología de reciclaje, mejorar la pureza y la eficiencia del reciclaje físico, expandir la escala industrial del reciclaje químico y construir un sistema de ciclo completo de "producción consumo reciclaje regeneración".

En términos de funcionalización, se desarrollarán materiales PET con funciones especiales, como PET antibacteriano para envases de alimentos, PET ignífugo para la electrónica y la construcción, y PET inteligente y sensible (como cambio de color sensible a la temperatura y degradación controlable) para envases de alta gama y el sector médico. Además, la tecnología de compuestos de PET con otros materiales (como los compuestos de PET/grafeno) ampliará aún más sus límites de rendimiento y satisfará las necesidades de los sectores emergentes.

El PET, como material polimérico de alto rendimiento, refleja la estrecha integración de la ciencia de los materiales y la demanda industrial en su proceso de desarrollo. Desde el envasado diario hasta las aplicaciones industriales de alta gama, el PET contribuye al funcionamiento de la sociedad moderna gracias a sus ventajas únicas. Con el avance de la tecnología de protección ambiental y el fomento de la economía circular, el PET alcanzará un desarrollo sostenible, manteniendo su practicidad, contribuyendo así a una sociedad verde y baja en carbono.