Materias primas de PETG

Materias primas de PETG: características y aplicaciones de materiales de copoliéster de alto rendimiento

El PETG (éster de ciclohexanodimetanol de tereftalato de polietileno) es un poliéster termoplástico no cristalino modificado mediante copolimerización ternaria de ácido tereftálico (PTA), etilenglicol (EG) y ciclohexanodimetanol (CHDM). Como importante variedad modificada de PET, el PETG ha superado las limitaciones de rendimiento del PET tradicional gracias a su excelente transparencia, flexibilidad, procesabilidad y respeto al medio ambiente. Ha demostrado ventajas únicas en los sectores del envasado, la medicina, la construcción, la electrónica de consumo y otros, convirtiéndose en un material de alto rendimiento y alto peso molecular en rápido desarrollo en los últimos años.

1、 Estructura molecular y características centrales

La estructura molecular del PETG es la base de sus ventajas de rendimiento. En comparación con el PET cristalino, el PETG introduce el monómero de ciclohexanodimetanol (CHDM) en la cadena molecular, reemplazando parte del etilenglicol, lo que rompe la disposición regular de las cadenas moleculares del PET, reduce significativamente la capacidad de cristalización y forma estructuras amorfas o de baja cristalinidad. Este diseño molecular ofrece una serie de excelentes características.

La transparencia es una de las propiedades más destacadas del PETG, con una transmitancia de luz superior al 90%, una opacidad inferior al 1% y un alto brillo, comparable al de materiales transparentes como el policarbonato (PC) y el acrílico (PMMA). Su estructura amorfa evita la dispersión de la luz causada por la cristalización del PET y mantiene una alta transparencia incluso en productos de paredes gruesas, solucionando así los problemas de fácil blanqueamiento y baja transparencia en productos de PET convencionales de paredes gruesas.

En términos de propiedades mecánicas, el PETG presenta buena tenacidad y rigidez. Su resistencia al impacto es de 3 a 5 veces superior a la del PET convencional, y su resistencia al impacto por entalla puede superar los 60 kJ/m², muy superior a la del PET convencional, que es frágil. Asimismo, su resistencia a la tracción alcanza los 30-50 MPa y su módulo de flexión es de 1500-2500 MPa, lo que cumple con los requisitos mecánicos de la mayoría de los componentes estructurales. El PETG posee una excelente flexibilidad, con una elongación por fractura de hasta el 200 %-300 %. Se puede procesar mediante doblado en frío, plegado, etc., sin romperse, lo que lo hace adecuado para la fabricación de productos que requieren cierta elasticidad.

En términos de rendimiento térmico, la temperatura de transición vítrea (Tg) del PETG se sitúa entre 78 y 88 °C. Si bien es inferior al punto de fusión por cristalización del PET, su temperatura de deformación térmica es relativamente alta (65-75 °C), lo que le permite utilizarse de forma estable a temperatura ambiente durante un largo periodo. Además, presenta una excelente resistencia a bajas temperaturas y mantiene una buena tenacidad a -40 °C sin presentar fragilidad. En comparación con el PC, el PETG presenta una temperatura de procesamiento más baja (normalmente entre 230 y 270 °C), un menor consumo energético y es menos propenso a la degradación a altas temperaturas.

En términos de estabilidad química, el PETG presenta buena resistencia al agua, ácidos, álcalis, etc., y su resistencia a la corrosión química es superior a la del PMMA y el PC. No se corroe fácilmente con productos químicos de uso diario como el alcohol y los detergentes, y su superficie presenta una buena resistencia al rayado, con una dureza Shore D78-85, que puede mejorarse aún más mediante un recubrimiento. Además, el PETG es inodoro, no tóxico y cumple con las normas para materiales en contacto con alimentos, como la FDA y la UE 10/2011. Además, ha obtenido certificaciones de grado médico, como la USP Clase VI, y su seguridad goza de amplio reconocimiento.

El rendimiento de procesamiento es otra ventaja importante del PETG. Al ser un material amorfo, el PETG presenta buena fluidez en estado fundido, baja tasa de contracción de moldeo (0,5 %-1,5 %), excelente estabilidad dimensional y es adecuado para el moldeo de precisión. Puede procesarse mediante diversos procesos, como moldeo por inyección, extrusión, moldeo por soplado y termoformado, y posee una amplia ventana de procesamiento, lo que lo hace resistente al agrietamiento por tensión. Posee buenas propiedades de posprocesamiento (como impresión, unión y soldadura) y puede satisfacer las necesidades de producción de productos complejos.

2、 Proceso de producción y fuentes de materia prima

El proceso de producción de PETG se basa en la tecnología de polimerización de poliéster, cuyo núcleo es el control preciso de la proporción y el proceso de polimerización de los monómeros ternarios para lograr la regulación de la estructura molecular. Sus principales materias primas incluyen ácido tereftálico (PTA), etilenglicol (EG) y ciclohexanodimetanol (CHDM), cuya pureza y proporción influyen directamente en el rendimiento del PETG.

En cuanto a las fuentes de materias primas, el PTA y el EG del PETG tradicional provienen principalmente de la cadena de la industria petroquímica y se producen mediante procesos como el craqueo de nafta; el CHDM se produce mediante etapas como la oxidación y la hidrogenación del ciclohexano, y también depende de recursos fósiles. En los últimos años, se han logrado avances en la investigación y el desarrollo de materias primas de origen biológico, y la industrialización del PTA de origen biológico (producido mediante la fermentación de biomasa), el EG de origen biológico y el CHDM de origen biológico ha avanzado gradualmente, lo que permite la producción ecológica de PETG y reduce significativamente la huella de carbono de los productos.

El proceso de producción de PETG consta principalmente de tres etapas principales: esterificación, copolimerización y polimerización, y granulación. En la etapa de esterificación, el PTA se somete primero a una reacción de esterificación con EG y CHDM a 180-220 °C y 0,2-0,5 MPa para producir tereftalato de dihidroxietilo, tereftalato de ciclohexanodimetanol y agua. La reacción se acelera mediante un catalizador (como uno a base de titanio) y el agua se elimina oportunamente para promover la reacción directa. La tasa de esterificación debe ser superior al 95 %.

La etapa de copolimerización y condensación se basa en el producto de esterificación, calentado a 240-270 ℃, y llevado a cabo en un entorno de vacío (presión ≤ 100 Pa) para la reacción de condensación, mediante la eliminación de productos de moléculas pequeñas (principalmente EG) para aumentar la cadena molecular. En esta etapa, es necesario controlar estrictamente la proporción de CHDM añadido (normalmente 30% -50% de la cantidad total de dioles). Una proporción demasiado alta reducirá la resistencia térmica del material, y si es demasiado baja, no dañará eficazmente la cristalinidad. El tiempo y la temperatura de la reacción de condensación afectan directamente a la viscosidad intrínseca (valor IV) del PETG, que generalmente se controla entre 0,7-1,2 dL/g para equilibrar la procesabilidad y las propiedades mecánicas.

Tras la polimerización, el PETG fundido se moldea y se corta en láminas granulares blancas o transparentes, que deben secarse rigurosamente (contenido de humedad ≤ 0,005 %) para evitar la pérdida de peso molecular por hidrólisis durante el procesamiento posterior. Según los requisitos de la aplicación, se pueden añadir antioxidantes, lubricantes, absorbentes de rayos UV y otros aditivos durante la etapa de granulación para mejorar la estabilidad térmica, la procesabilidad y la resistencia a la intemperie del producto. La selección de aditivos debe cumplir con las normas de contacto con alimentos o de grado médico.

Durante el proceso de producción, se requieren tecnologías avanzadas de monitoreo en línea, como la espectroscopia infrarroja y los viscosímetros, para monitorear el progreso de la reacción y el rendimiento del producto en tiempo real, garantizando así la estabilidad del lote. En comparación con el PET, el proceso de polimerización del PETG requiere mayor precisión en los equipos y un mayor control del proceso, especialmente en la medición y uniformidad de la dispersión del CHDM, lo que afecta directamente la transparencia y la consistencia del rendimiento mecánico del producto.

3、 Diferencias en la clasificación y el rendimiento

Según la viscosidad característica, el contenido de CHDM y los escenarios de aplicación, el PETG se puede dividir en múltiples categorías y los diferentes tipos de PETG tienen diferencias en el rendimiento para satisfacer diversas necesidades.

Clasificado por viscosidad intrínseca (valor IV), el PETG con valor IV bajo (0,7-0,9 dL/g) tiene buena fluidez y es adecuado para moldear por inyección productos de precisión pequeños (como tapas de botellas de cosméticos y accesorios electrónicos); el PETG con valor IV medio (0,9-1,1 dL/g) equilibra la fluidez y las propiedades mecánicas, y es adecuado para moldeo por soplado (como botellas), láminas extruidas, etc.; el PETG con valor IV alto (1,1-1,2 dL/g) tiene alta resistencia mecánica y es adecuado para fabricar componentes estructurales como placas y tuberías de paredes gruesas.

Clasificado por contenido de CHDM, el PETG con bajo contenido de CHDM (30% -40%) conserva una cierta tendencia hacia la cristalización, tiene una resistencia al calor ligeramente mayor (Tg alrededor de 85-90 ℃), buena rigidez y es adecuado para productos de envasado que requieren resistencia al calor; El PETG con alto contenido de CHDM (40% -50%) tiene una no cristalinidad más significativa, mejor flexibilidad y transparencia, pero una resistencia al calor ligeramente menor (Tg de aproximadamente 75-80 ℃), lo que lo hace adecuado para productos como películas y mangueras que requieren alta tenacidad.

Clasificado por campo de aplicación, el PETG de grado de embalaje se centra en la transparencia, la resistencia química y la procesabilidad, cumpliendo con los requisitos de higiene de los envases de alimentos y cosméticos; el PETG de grado médico debe pasar la certificación de biocompatibilidad (como la USP Clase VI), ser no tóxico, resistente a la esterilización (como la esterilización con rayos gamma) y adecuado para la producción de dispositivos médicos; el PETG de grado industrial se centra en las propiedades mecánicas y la estabilidad dimensional, y se utiliza para componentes estructurales en campos como la construcción y la electrónica.

Las diferencias de rendimiento entre los distintos tipos de PETG se reflejan principalmente en la resistencia térmica, la flexibilidad y la procesabilidad. Por ejemplo, la transmitancia del PETG de grado de embalaje suele ser superior al 92%, la turbidez inferior al 1%, la resistencia a la tracción de 35-45 MPa y el alargamiento de rotura de entre el 200% y el 300%. El PETG de grado médico no solo cumple con las propiedades mecánicas, sino que también debe superar las pruebas de citotoxicidad y sensibilización. La temperatura de deformación térmica (0,45 MPa) del PETG de grado industrial puede alcanzar los 60-70 °C, lo que lo hace adecuado para requisitos de soporte estructural a temperatura ambiente.

4、Áreas de aplicación diversificadas

El PETG, con sus amplias ventajas de rendimiento, ha reemplazado a los materiales tradicionales en múltiples campos y ha demostrado amplias perspectivas de aplicación, especialmente en escenarios con altos requisitos de transparencia, tenacidad y respeto al medio ambiente.

El sector del envasado es el principal mercado de aplicación del PETG, ocupando una posición destacada en el sector de envases de alta gama. En el sector de los cosméticos, las botellas y mangueras de PETG presentan una textura transparente cristalina y un alto brillo que resalta la calidad del producto, además de una excelente resistencia química. Pueden contener productos para el cuidado de la piel, perfumes y otros productos con ingredientes complejos. Además, ofrecen una gran resistencia al impacto, son difíciles de romper y reducen las pérdidas durante el transporte.

En el sector de los envases de alimentos, el PETG cumple con las normas para materiales en contacto con alimentos (como la FDA 21 CFR 177.1310), es inodoro y resistente a bajas temperaturas (apto para refrigeración). Se puede utilizar para fabricar latas de alimentos, vasos para bebidas, cajas de frescura, etc. Su buen sellado y resistencia química protegen el sabor de los alimentos, y su transparencia facilita la observación del contenido. La película de PETG se puede convertir en película de embalaje compuesta y película retráctil, con buenas propiedades de termosellado, ideal para envases irregulares.

En el ámbito sanitario, el PETG de grado médico se ha convertido en un material ideal para dispositivos médicos gracias a su buena biocompatibilidad, resistencia a la esterilización y facilidad de procesamiento. Se puede utilizar para fabricar equipos de infusión, carcasas de jeringas, catéteres médicos, frascos para envases de medicamentos, etc. Su transparencia facilita la observación del estado del flujo del líquido, y su resistencia a la esterilización por rayos gamma garantiza la esterilidad de los suministros médicos. Además, el PETG también se utiliza para fabricar modelos dentales, carcasas protésicas, etc., ofreciendo un equilibrio entre comodidad y durabilidad.

En el campo de la arquitectura y la decoración, los paneles de PETG se utilizan para fabricar paneles de iluminación, cubiertas protectoras, paneles decorativos, etc., gracias a su alta transparencia, resistencia a la intemperie y a los impactos. En comparación con el vidrio, las láminas de PETG son más ligeras (densidad de 1,23-1,27 g/cm³, aproximadamente la mitad que el vidrio), menos propensas a la rotura y mayor seguridad. En comparación con el acrílico, el PETG presenta mayor resistencia química, menor tendencia al amarilleo y al envejecimiento, y una mayor vida útil. El PETG también se puede utilizar para fabricar películas decorativas y chapas para muebles, logrando diversas apariencias mediante impresión, recubrimiento y otros procesos.

En el sector de la electrónica de consumo, el PETG se utiliza para fabricar carcasas de dispositivos electrónicos, cubiertas protectoras, marcos para pantallas, etc. Su excelente estabilidad dimensional y procesabilidad permiten satisfacer las necesidades de producción de componentes de precisión, y su resistencia al desgaste y al rayado se puede mejorar mediante tratamientos superficiales (como recubrimientos endurecidos). En el envasado de productos 3C, las cajas de PETG conformadas al vacío permiten una presentación clara de los productos y ofrecen una buena amortiguación.

En otros campos, la película PETG se puede utilizar para impresión, estampado en caliente, etiquetas anti-falsificación, etc., con un excelente rendimiento de posprocesamiento; Las tuberías PETG se utilizan para el transporte de fluidos industriales y tuberías de dispositivos médicos debido a su buena flexibilidad y resistencia a la corrosión química; En el campo de los juguetes, los juguetes transparentes hechos de PETG son seguros, no tóxicos y tienen una fuerte resistencia al impacto, lo que los hace adecuados para el uso de los niños.

5. Tendencias de desarrollo y protección ambiental

Las características ambientales del PETG le otorgan una ventaja en la tendencia del desarrollo sostenible, mientras que la industria promueve constantemente la innovación tecnológica, ampliando sus límites de rendimiento y escenarios de aplicación.

En términos de protección ambiental, el PETG presenta una buena reciclabilidad, y los residuos de PETG pueden reciclarse mediante reciclaje físico o químico. El reciclaje físico consiste en clasificar, limpiar y triturar los materiales de desecho antes de fundirlos y transformarlos. El PETG reciclado puede utilizarse para producir productos que no entran en contacto con alimentos (como materiales de embalaje y componentes industriales). El reciclaje químico descompone el PETG en monómeros mediante una reacción de despolimerización, que se reutilizan en la producción de polimerización para lograr un ciclo cerrado. En comparación con plásticos clorados como el PVC, el PETG no produce gases tóxicos durante la combustión y presenta menores riesgos ambientales.

La investigación y el desarrollo de PETG de origen biológico son una dirección importante para el desarrollo sostenible. Mediante la adopción de PTA, EG y CHDM de origen biológico, se puede reducir significativamente la dependencia de los recursos fósiles y las emisiones de carbono de los productos durante su ciclo de vida en más de un 30 % en comparación con el PETG tradicional. Actualmente, varias empresas han lanzado productos de PETG de origen biológico. Con la reducción de los costos de las materias primas de origen biológico, se acelerará la industrialización del PETG 100 % biológico.

La tendencia de desarrollo del PETG se refleja principalmente en tres áreas: alto rendimiento, funcionalización y expansión de aplicaciones. En cuanto a alto rendimiento, al optimizar la proporción de CHDM mediante diseño molecular, la introducción de cuartos monómeros (como dioles de cadena larga) o compuestos con nanomateriales (como grafeno y nanocarbonato de calcio), se mejoran la resistencia térmica (como temperaturas de deformación térmica superiores a 80 °C), la resistencia al desgaste y la resistencia mecánica del PETG, expandiéndose al campo de los componentes estructurales de ingeniería.

En términos de funcionalización, desarrolle variedades de PETG con funciones especiales, como PETG antibacteriano (agregando agentes antibacterianos como nano iones de plata y zinc) para envases médicos y de alimentos, que pueden inhibir el crecimiento microbiano; PETG retardante de llama cumple con los requisitos de protección contra incendios en los campos de la electrónica y la construcción al agregar retardantes de llama libres de halógenos; PETG de respuesta inteligente (como cambio de color sensible a la temperatura y respuesta de pH) se utiliza para empaquetado de alta gama y monitoreo médico para lograr una regulación dinámica de funciones.

En cuanto a la expansión de aplicaciones, el PETG tiene un enorme potencial en el campo de las nuevas energías, como la producción de placas traseras transparentes para módulos fotovoltaicos (con excelente resistencia a la intemperie y aislamiento). En el campo de la impresión 3D, el alambre de PETG se ha convertido en uno de los materiales preferidos para la impresión FDM gracias a su alta precisión y resistencia a la deformación. Permite crear modelos complejos y componentes funcionales. En el campo de la electrónica flexible, la película de PETG puede utilizarse como sustrato y combinarse con materiales conductores para preparar circuitos y sensores flexibles.

En términos de innovación tecnológica, la optimización del proceso de polimerización continua puede mejorar la eficiencia de producción y la estabilidad de la calidad del PETG y reducir los costos de producción; el desarrollo de nuevos catalizadores (como catalizadores ecológicos no basados en antimonio) puede reducir los residuos de metales pesados ​​y mejorar la seguridad del producto; la tecnología de modificación de mezcla (como la mezcla de PETG con PC y PMMA) puede integrar las ventajas de varios materiales para desarrollar productos compuestos con un rendimiento más completo.

Como material de poliéster copolímero de alto rendimiento, el desarrollo del PETG refleja el progreso de la tecnología de modificación de materiales poliméricos. Mediante la regulación precisa de su estructura molecular, el PETG supera las limitaciones de rendimiento de los poliésteres tradicionales, manteniendo una excelente transparencia y procesabilidad, a la vez que ofrece flexibilidad, respeto al medio ambiente y seguridad. Con el avance de la tecnología de fabricación ecológica y la expansión de sus aplicaciones, el PETG desempeñará un papel cada vez más importante en la fabricación de alta gama, el envasado sostenible y la salud médica, convirtiéndose en uno de los materiales clave que impulsan la modernización de la industria de los materiales poliméricos.