От изобретения к глобальному использованию: изучение истории и развития ПЭТ

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) выделяется среди пластиковых полимеров, ценится за свою исключительную химическую стабильность, широкий потенциал применения и значительную возможность вторичной переработки. 

ПЭТ был впервые синтезирован в 1941 году

На протяжении всей истории люди использовали природные полимеры, такие как смолы, натуральный каучук и целлюлозу, для создания инструментов, посуды и украшений. Однако эти материалы имели ограничения по производительности и поставкам, что побудило к поиску синтетических альтернатив.

В начале 20-го века, в связи с быстрым развитием науки и техники, возникла острая потребность в новых материалах для удовлетворения промышленных и повседневных потребностей. В 1907 году бельгийский химик Лео Бакеланд изобрел бакелит, первый полностью синтетический пластик. Бакелит широко использовался в электроприборах, автомобильных деталях и предметах домашнего обихода, преодолевая ограничения натуральных материалов. Это изобретение положило начало индустрии пластмасс и рассвету синтетических полимеров.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ), ныне один из трех основных синтетических полимеров, был успешно синтезирован в 1941 году британскими учеными Дж. Рексом Уинфилдом и Джеймсом Т. Диксоном в лаборатории Ассоциации принтеров Калико. Они опирались на более раннюю работу Уоллеса Карозерса, американского химика, который определил семейство полиэфиров в 1930-х годах. Прорыв Уинфилда и Диксона заключался в полимеризации этиленгликоля с терефталевой кислотой, что привело к созданию ПЭТ, полимера, который позже стал широко использоваться в волокнах для одежды, контейнерах для жидкостей и пищевых продуктов, а также в термоформовании в производстве.

Первоначально исследования и применение ПЭТ были сосредоточены в первую очередь на текстиле, оценивая его характеристики и пригодность в качестве волокна. Результаты показали, что ПЭТ-волокна обладают превосходными механическими свойствами и химической стабильностью, что быстро сделало компанию важным игроком на рынке синтетических волокон и открыло путь для ее расширения в других областях применения.

Прорыв от текстиля к упаковке

По мере того, как ученые исследовали и разрабатывали ПЭТ для текстиля, они получили глубокое понимание его превосходных физических и химических свойств, таких как химическая стабильность, простота формования, высокая прочность и ударная вязкость. 

В 1965 году ПЭТ совершил прорыв в производстве бутылок, когда швейцарская компания Vetrotex впервые применила его для тары для бутилированной воды, продемонстрировав потенциал ПЭТ в упаковочной промышленности, особенно его легкие, прочные и прозрачные характеристики. В 1973 году Натаниэль Уайет изобрел ПЭТ-бутылку и получил патент США, что стало важным поворотным моментом в применении ПЭТ в упаковке. ПЭТ-бутылки стали привлекать всеобщее внимание и постепенно поступили в промышленное производство.

Традиционные стеклянные бутылки были склонны к поломке во время транспортировки и использования, тогда как высокая механическая прочность и ударная вязкость ПЭТ сделали его идеальным альтернативным упаковочным материалом, сокращая потери при транспортировке и риски безопасности.

В 1980-х годах благодаря совершенствованию технологий производства, растущему спросу на легкую и прочную упаковку, а также достижениям в технологии выдувного формования, началось крупномасштабное производство и широкое использование ПЭТ-бутылок. Эти факторы глубоко изменили ситуацию в индустрии упаковки напитков, сделав ПЭТ-бутылки основным материалом для упаковки напитков.

Во всем мире производство ПЭТ превышает 70 миллионов тонн в год. Более половины напитков в мире упаковываются в ПЭТ-бутылки, что подчеркивает его ключевую роль в упаковочных решениях. Кроме того, во многих странах уровень переработки ПЭТ-бутылок превышает 50 %, а в некоторых странах этот показатель превышает 80 %.

Текущие тенденции развития

В условиях растущих глобальных экологических проблем ПЭТ неуклонно движется к высокой производительности, многофункциональности и устойчивому развитию.

Производственные мощности сосредоточены в Азии, особенно в Китае

Азия является ведущим мировым регионом по производству ПЭТ и имеет самые большие мощности в мире. Китай, в частности, удерживает титул крупнейшего в мире производителя ПЭТ: его мощности по производству бутылочного ПЭТ составляют примерно 40% от общемирового объема. Прогнозы показывают, что Китай продолжит возглавлять глобальное расширение мощностей по производству ПЭТ, при этом ожидается, что к 2028 году на его долю будет приходиться 40% строительства и расширения новых заводов.

Значительный рост мощностей Китая подчеркивает его доминирующее положение на мировом рынке ПЭТ как одного из крупнейших производителей. Страна играет ключевую роль в международной торговле ПЭТ-смолой для бутылок, используя эффект масштаба и конкурентоспособные цены для поддержания позиций на мировых рынках. В то же время китайская промышленность ПЭТ продвигается к более высоким стандартам качества, укрепляя свою международную конкурентоспособность за счет повышения эффективности производства и качества продукции.

Постоянные исследования, разработки и инновации в области ПЭТ-материалов

Модификация ПЭТ приводит к значительному повышению производительности и более широкому потенциалу применения, что делает практику модификации ключевой отраслевой тенденцией. Совершенствуя свойства ПЭТ, производители могут достичь целевых показателей производительности, стимулируя инновации и удовлетворяя специализированные потребности различных секторов. 

Исследовательская группа Wankai New Materials Co., Ltd. обнаружила, что высокий свободный объем полимерных цепей ПЭТ ограничивает его барьерные характеристики по сравнению с металлами и керамикой, что облегчает проникновение веществ. В настоящее время ПЭТ не отвечает строгим требованиям по барьерности для таких применений, как пиво, напитки, электроника, светодиоды и вакуумная упаковка от кислорода и водяного пара. Чтобы улучшить барьерные свойства, команда использует полимеризацию in-situ, чтобы лучше диспергировать неорганические наночастицы в матрице. Это уменьшает свободный объем цепи ПЭТ, усиливает пути проникновения газа и улучшает барьерные свойства материала. Они также оптимизируют обработку, регулируя концентрацию наночастиц, вязкость полиэфира и концевые карбоксильные группы, улучшая кристаллизацию для растяжения полиэфирной пленки и термического формования. Кроме того, Ванкай также добился значительных успехов в модификации других аспектов полиэстера.

Посредством модификации ПЭТ с целью использования присущих ему сильных сторон и устранения ограничений цель состоит в том, чтобы стимулировать его внедрение в новых приложениях. В автомобильном секторе, движимом тенденцией к уменьшению веса, за счет армирования стекловолокном можно значительно повысить прочность и жесткость ПЭТ, что делает его пригодным для высокопрочных и износостойких изделий, таких как детали кузова автомобиля и капоты двигателей. тем самым повышая топливную экономичность и безопасность транспортного средства. В области электроники обработка поверхности или добавление средств для подавления статического электричества могут улучшить электроизоляционные свойства ПЭТ в электронных продуктах, защитить компоненты от статического электричества и повысить стабильность и долговечность устройств, например, корпусов электронных устройств и печатных плат.

Новые ПЭТ-композиты значительно расширили сферу применения в секторах передовых технологий, демонстрируя исключительные характеристики в условиях высоких температур, высокого давления и агрессивных сред.

В Boeing 787 Dreamliner используются композитные материалы из ПЭТ во внутренних конструкциях и внешних компонентах, что способствует снижению веса самолета, повышению топливной эффективности и обеспечению превосходной коррозионной стойкости для удовлетворения требований длительных полетов. Кроме того, в атомной энергетике композиционные материалы ПЭТ используются при производстве защитных оболочек ядерных реакторов, оборудования радиационной защиты и контейнеров для хранения ядерного топлива. Эти материалы обеспечивают необходимую радиационную защиту и химическую стабильность, необходимые для безопасных ядерных операций.

Устойчивое развитие как ключевое направление ПЭТ

Баланс экономического развития и защиты окружающей среды имеет первостепенное значение. Руководствуясь глобальными целями устойчивого развития, индустрия ПЭТ активно стремится к эффективному использованию ресурсов и внедрению моделей экономики замкнутого цикла.

Различные методы переработки ПЭТ продолжают появляться, а технологии химической переработки позволяют модернизировать и регенерировать ПЭТ. Такие инновации, как ферменты и микроорганизмы, представляют значительный потенциал для продвижения экологически устойчивых и эффективных процессов переработки ПЭТ. Эти сложные технологии переработки и регенерации преобразуют выброшенные ПЭТ-материалы в переработанные ПЭТ-волокна, материалы для ПЭТ-бутылок или другое ценное химическое сырье, эффективно продлевая жизненный цикл материалов и уменьшая воздействие на окружающую среду.

Недавно Zhink Group, материнская компания Wankai New Materials, заключила партнерское соглашение с французской компанией Carbios для разработки rPET с использованием технологии ферментативной деполимеризации Carbios. Они планируют создать в Китае завод по переработке отходов ПЭТ с годовой мощностью переработки, превышающей 50 000 тонн. Эта стратегическая инициатива, использующая передовые технологии биологической переработки, направлена ​​на развитие экономики замкнутого цикла в пластике и текстиле, обеспечивая существенные преимущества глобальным рынкам упаковки и текстиля.

Производство ПЭТ активно переходит к экологически устойчивым практикам с упором на экологические цели и цели с низким уровнем выбросов углерода.

Использование чистой и возобновляемой энергии обеспечивает важную зеленую энергию для производства полиэстера. Компания Wankai New Materials использует фотоэлектрическую выработку энергии на крыше, рекуперацию отходящего тепла этерификации, утилизацию биогаза и комплексные системы природного газа для существенного снижения выбросов углерода в процессе производства полиэстера. Кроме того, развитие энергосберегающих технологий способствует дальнейшей экономии энергии и снижению воздействия производства на окружающую среду. Например, очистка отходящих газов компании Wankai этиленгликолем (ЭГ) играет ключевую роль в сохранении энергии и минимизации воздействия производства на окружающую среду. 

Развитие ПЭТ на биологической основе и биоразлагаемого ПЭТ означает переход к более экологически чистым и устойчивым материалам из ПЭТ, отвечая насущному требованию устойчивого развития в обществе. 

Заключение

Эволюция ПЭТ подчеркивает его устойчивость и универсальность в различных отраслях. Первоначально ценившийся за свою химическую стабильность и возможность вторичной переработки, ПЭТ произвел революцию в упаковочном секторе и расширился до высокотехнологичных применений благодаря достижениям в производстве. Поскольку отрасли внедряют экологически чистые методы, а глобальный спрос на экологически чистые материалы растет, будущее ПЭТ связано с дальнейшими инновациями в сторону более зеленого мира.