Ключевое достижение компании Wankai в производстве в тоннах ПЭФ на 100% биологической основе

Разработка ПЭТ на 100% биологической основе с превосходящими характеристиками по сравнению с традиционным ПЭТ всегда была основным направлением деятельности компании Wanke, и этот прорыв является ключом к будущему прогрессу отрасли.

ПЭФ: 100% биооснованная альтернатива ПЭТ

Смола ПЭТ (полиэтилентерефталат) на основе нефти производится из 30% этиленгликоля (МЭГ) и 70% очищенной терефталевой кислоты (ТФК). Однако рост спроса на экологически чистые пластмассы побудил отрасль исследовать альтернативы на биологической основе. Хотя ТФК на биологической основе коммерчески доступна, эффективное производство МЭГ на биологической основе остается ключевой проблемой для крупномасштабного использования пластика ПЭТ на биологической основе.

Введите PEF, перспективный биополиэстер. Мономеры PEF, фурандикарбоновая кислота (FDCA) и этиленгликоль (EG), могут быть получены из возобновляемых растительных сахаров, что обеспечивает более устойчивое снабжение сырьем.

PEF быстро привлек внимание лидеров отрасли, предложив мощное новое решение для сектора экологичных пластиков. С глобальным движением к Целям устойчивого развития ООН (ЦУР), особенно в плане сокращения выбросов углерода и загрязнения пластиком, будущее PEF на рынке выглядит весьма многообещающим.

В феврале 2023 года голландская компания Avantium подписала патентное лицензионное соглашение с Eastman для ускорения коммерциализации PEF и FDCA. Avantium планирует запустить свой флагманский завод FDCA в 2023 году, открыв двери для крупномасштабного производства PEF.

ПЭТ против ПЭФ: сравнение производительности

1. Исключительные барьерные свойства  

PEF превосходит PET по барьерным свойствам. Исследования Eerhart et al. (2012) показывают, что PEF имеет в 10 раз лучший барьер для кислорода, в 6–10 раз лучший барьер для углекислого газа и в два раза лучший барьер для водяного пара по сравнению с PET. Это делает PEF отличным выбором для упаковки, увеличивая срок годности и сокращая отходы ресурсов.

2. Превосходные тепловые характеристики  

ПЭФ имеет температуру стеклования (Tg) 86°C, что выше, чем у ПЭТ (74°C), и температуру плавления (Tm) 235°C, что немного ниже, чем у ПЭТ (265°C). Тем не менее, он по-прежнему соответствует требованиям к термостойкости для большинства применений, особенно в высокотемпературных средах.

3. Устойчивость: PEF с меньшим углеродным следом  

Углеродный след PEF на 50%-70% ниже, чем у PET, что подтверждено Министерством энергетики США. Его ключевое сырье, фурандикарбоновая кислота (FDCA), имеет биологическую основу и может производить высокопроизводительные пластики, причем FDCA признана одним из самых перспективных биохимических веществ.

4. Пригодность для вторичной переработки и разложения

ПЭФ является как перерабатываемым, так и биоразлагаемым. Исследования Avantium и Амстердамского университета (2019-2020) показали, что ПЭФ может использоваться в ПЭТ-бутылках до пяти циклов повторного использования. Он отлично подходит для многослойной и небольшой упаковки, заменяя трудноперерабатываемый пластик. ПЭФ также разлагается быстрее, чем традиционный пластик в условиях промышленного компостирования, и демонстрирует значительную биоразлагаемость в естественных условиях.

Проблемы PEF: низкая прочность и желтый цвет

В настоящее время PEF сталкивается с двумя основными проблемами: плохой прочностью и пожелтением. Основное сырье, FDCA (фурандикарбоновая кислота), представляет собой биомономер, полученный из биомассы, такой как крахмал и целлюлоза. 

По сравнению с традиционным PTA на основе нефти, FDCA имеет похожую структуру, но с атомами кислорода в ароматическом кольце, что делает его более полярным и более жестким из-за меньшего угла связи между кольцом и карбоксильной группой. В то время как PEF, изготовленный из FDCA и этиленгликоля, превосходит PET по термостойкости, механической прочности и газобарьерным свойствам, фурановое кольцо ограничивает подвижность молекулярных цепей, что приводит к снижению прочности.

ПЭФ производится двумя способами: прямой этерификацией и переэтерификацией. При прямой этерификации FDCA реагирует с гликолем при высоких температурах (180-220°C), но этот процесс приводит к потере FDCA углекислого газа, что приводит к более темному, коричневато-желтому цвету. Метод переэтерификации, который включает в себя эфирный обмен с последующей вакуумной поликонденсацией, улучшает цвет, но не решает проблему полностью.

Инновационный метод Ванкая по производству малоокрашенного, прочного ПЭФ

Компания Wankai New Materials разработала простой, но высокоэффективный процесс создания слабоокрашенного, упрочненного PEF, решая проблемы традиционных методов, которые полагаются на боковые цепи или увеличенное время полимеризации. Этот метод предлагает значительные технические преимущества. Процесс включает следующие этапы:

Сначала реакционная система, содержащая 2,5-фурандикарбоновую кислоту (FDCA), эпоксид, щелочной катализатор и смешанный растворитель, используется для инициирования реакции, образуя промежуточное соединение. Затем промежуточное соединение объединяется с катализатором полимеризации, стабилизаторами и антиоксидантами и подвергается поликонденсации в вакууме при температурах от 220°C до 270°C, что приводит к образованию PEF.

В ходе этого процесса эпоксид быстро реагирует с FDCA при более низких температурах, сводя к минимуму реакции декарбоксилирования и улучшая качество цвета полиэфира. Кроме того, алкилмодифицированный эпоксид вводит боковые группы в молекулярные цепи, увеличивая расстояние между молекулами и повышая их подвижность, что значительно улучшает прочность конечного полиэфира.

Сравнение тестовых образцов: улучшенный цвет и прочность в PEF

Эфиры полифурандикарбоновой кислоты (например, эфир полифурандикарбоновой кислоты 1,2-пропиленгликоля (PF-1,2-PG), эфир полифурандикарбоновой кислоты 1,2-бутандиола (PF-1,2-BD), эфир полифурандикарбоновой кислоты 1,2-пентандиола (PF-1,2-PeD), эфир полифурандикарбоновой кислоты этиленгликоля (PF-EG)) получаются в результате реакции FCDA с различными спиртами. Эти эфиры могут функционировать как промежуточные продукты или модификаторы при производстве PEF.

По сравнению с методом этерификации плавлением, использованным в сравнительных примерах 1 и 2, метод приготовления в этом варианте исполнения выделяется своей способностью значительно снижать значение цвета PEF. Значение b заметно ниже, что доказывает, что этот метод эффективно улучшает качество цвета полиэфира.

Кроме того, благодаря включению более длинных боковых цепей синтезированный полиэфир на основе фурана демонстрирует улучшенное удлинение при разрыве, что приводит к существенному повышению прочности. По сравнению с PEF, полученным в Сравнительном примере 1, этот метод повышает как прочность, так и долговечность полиэфира, подчеркивая явные преимущества изобретения.