Полиэтилентерефталат

Полиэтилентерефталат (сокращённо ПЭТФ, ПЭТ, англ. PET) — это термопластичный полимер, относящийся к классу сложных полиэфиров. Представляет собой продукт поликонденсации терефталевой кислоты (или её диметилового эфира) и этиленгликоля. Полиэтилентерефталат обладает высокой прочностью, прозрачностью, химической стойкостью и газонепроницаемостью, что обусловило его широкое применение, прежде всего в производстве пластиковых бутылок для напитков, а также упаковки, текстильных волокон (полиэстер) и технических изделий. Является одним из наиболее распространённых синтетических полимеров в мире.

История

Впервые полиэтилентерефталат был синтезирован в 1941 году британскими химиками Джоном Уинфилдом и Джеймсом Диксоном, работавшими в компании Calico Printers' Association. Они получили полимер путём взаимодействия терефталевой кислоты и этиленгликоля. Первоначально материал разрабатывался для производства синтетических волокон, которые были запатентованы под названием «терилен» (Terylene). В 1940-х годах технологию лицензировала американская компания DuPont, которая в 1950-х годах начала промышленный выпуск волокна под торговой маркой «дакрон» (Dacron).

Массовое применение ПЭТФ в упаковке началось в 1970-х годах. В 1973 году американский инженер Натаниэль Уайет запатентовал технологию выдувного формования ПЭТ-бутылок, что позволило создавать лёгкую, прозрачную и ударопрочную тару. К середине 1980-х годов ПЭТ-бутылки почти полностью вытеснили стеклянную тару для газированных напитков и минеральной воды на многих рынках.

Химическое строение и получение

Полиэтилентерефталат является линейным полимером, макромолекулы которого состоят из повторяющихся звеньев — этилентерефталата: [-O-CH₂-CH₂-O-CO-C₆H₄-CO-]ₙ. Молекулярная масса промышленных марок ПЭТФ обычно составляет от 15 000 до 30 000 г/моль.

Сырьё

Основными мономерами для синтеза являются:

• Терефталевая кислота (ТФК) — ароматическая двухосновная кислота;
• Этиленгликоль — двухатомный спирт.

В качестве альтернативы может использоваться диметиловый эфир терефталевой кислоты (ДМТ), который вступает в реакцию переэтерификации.

Методы синтеза

Промышленный синтез ПЭТФ осуществляется в две стадии:

1. Реакция этерификации (или переэтерификации): при нагревании (150–250 °C) терефталевой кислоты с этиленгликолем образуется олигомер — бис-(2-гидроксиэтил)терефталат (БГЭТ) и побочный продукт — вода.
2. Поликонденсация: олигомер нагревают до 270–290 °C в вакууме в присутствии катализаторов (например, сурьмы, титана или германия). При этом выделяется этиленгликоль, и образуется высокомолекулярный полимер.

Полученный расплав ПЭТФ гранулируют. Для пищевого применения гранулы дополнительно подвергают твёрдофазной поликонденсации (SSP) при 200–220 °C для повышения молекулярной массы и удаления низкомолекулярных примесей.

Физические и химические свойства

Физические свойства

• Плотность: аморфный ПЭТФ — около 1,33–1,34 г/см³; кристаллический — до 1,41 г/см³.
• Температура стеклования: 67–80 °C (зависит от степени кристалличности).
• Температура плавления: 250–265 °C.
• Прочность на разрыв: 50–80 МПа (для волокон до 1000 МПа).
• Относительное удлинение при разрыве: 20–150% (зависит от ориентации).
• Водопоглощение: менее 0,7% за 24 часа.
• Прозрачность: в аморфном состоянии — прозрачен; при кристаллизации мутнеет.

Химические свойства

ПЭТФ устойчив к воздействию разбавленных кислот, щелочей, масел, жиров, спиртов и углеводородов. Разрушается под действием концентрированных кислот (серной, азотной) и сильных оснований. Обладает низкой газопроницаемостью: коэффициент проницаемости для CO₂ составляет около 10–20 см³·мм/(м²·сут·атм), что делает его пригодным для хранения газированных напитков. Полимер не токсичен при нормальных условиях эксплуатации, однако при нагреве выше 300 °C может выделять небольшие количества ацетальдегида и других летучих соединений.

Классификация и виды

По степени кристалличности различают:

• Аморфный ПЭТФ — прозрачный, используется для бутылок и плёнок;
• Кристаллический ПЭТФ — непрозрачный, более жёсткий, применяется для термостойких изделий (лотки для разогрева пищи).

По назначению выделяют:

• Бутылочный ПЭТФ — с высокой вязкостью расплава (IV 0,75–0,85 дл/г);
• Волоконный ПЭТФ — с меньшей вязкостью (IV 0,55–0,65 дл/г);
• Плёночный ПЭТФ — для упаковочных и технических плёнок;
• Инженерный ПЭТФ — армированный стекловолокном или модифицированный для повышения механических свойств.

Применение

Упаковка

Основная сфера потребления ПЭТФ (около 30% мирового производства) — производство преформ и выдувных бутылок для напитков: воды, газировки, соков, пива, растительного масла. Также из ПЭТФ изготавливают банки, флаконы для косметики и бытовой химии, термоусадочные этикетки и многослойные упаковочные плёнки.

Текстильная промышленность

Волокна из ПЭТФ известны как полиэстер (лайкра, лавсан, дакрон). Они составляют около 50% мирового производства синтетических волокон. Используются для изготовления одежды, технических тканей, нетканых материалов (геотекстиль, фильтры), наполнителей для одеял и подушек.

Технические изделия

Из ПЭТФ производят:

• Электроизоляционные плёнки (в конденсаторах, трансформаторах);
• Магнитные ленты и фотоплёнки (в прошлом);
• Ёмкости для агрессивных жидкостей;
• Детали автомобильной и авиационной техники (корпуса, панели);
• 3D-нить для FDM-печати.

Переработка и экология

Полиэтилентерефталат является одним из наиболее перерабатываемых пластиков. Вторичная переработка (рециклинг) осуществляется двумя основными способами:

• Механический: отходы ПЭТФ (бутылки, плёнки) очищают, дробят, моют и переплавляют в гранулы. Вторичный ПЭТФ используется для производства волокон, нетканых материалов, строительных изделий и новых бутылок (при условии соблюдения пищевых стандартов).
• Химический: полимер деполимеризуют до мономеров (терефталевой кислоты и этиленгликоля) с помощью гидролиза, метанолиза или гликолиза, после чего мономеры снова полимеризуют. Этот метод позволяет получать ПЭТФ, не уступающий первичному по качеству.

Проблемы экологии связаны с тем, что значительная часть ПЭТФ-отходов попадает на свалки или в окружающую среду, где полимер разлагается крайне медленно (по разным оценкам, от 100 до 450 лет). В океанах ПЭТФ-фрагменты составляют заметную долю пластикового мусора. Для снижения негативного воздействия разрабатываются биоразлагаемые модификации ПЭТФ (например, ПЭТФ с добавлением компонентов, ускоряющих гидролиз), а также внедряются системы депозитно-залоговой стоимости и раздельного сбора отходов.

Интересные факты

• В СССР ПЭТФ был известен под названием лавсан (по аббревиатуре Лаборатории высокомолекулярных соединений Академии наук СССР, где он был впервые синтезирован в 1949 году).
• ПЭТФ-бутылка весит примерно в 10–15 раз меньше стеклянной бутылки аналогичного объёма, что существенно снижает транспортные расходы.
• В 2016 году японские учёные обнаружили бактерию Ideonella sakaiensis, способную разлагать ПЭТФ на мономеры, что открывает перспективы биологической переработки пластика.
• Мировое производство ПЭТФ превышает 80 миллионов тонн в год (данные на 2023 год).

Источники

• Г. О. Пиментел, А. Л. Макклеллан. «Водородная связь». — М.: Мир, 1964.
• В. А. Кабанов, В. П. Зубов, Ю. Д. Семчиков. «Практикум по высокомолекулярным соединениям». — М.: Химия, 1988.
• J. Scheirs, T. E. Long. «Modern Polyesters: Chemistry and Technology of Polyesters and Copolyesters». — Wiley, 2003.
• Данные Ассоциации переработчиков пластмасс (APR) и PlasticsEurope за 2020–2023 гг.