Исследование свойств низковязкого высококристаллического полиэтилентерефталата при производстве биаксиально ориентированных пленок

В статье рассматриваются основные отличия процессов производства низковязкого низкокристалличного и низковязкого высококристалличного ПЭТФ, основы производства биаксиально ориентированных пленок. Также рассматривается сравнительный анализ данных разновидностей ПЭТФ.

Аннотация статьи
пленка
ПЭТФ
кристалличность
подводное гранулирование
Ключевые слова

В последнее время, на рынке полимеров России увеличился спрос на сырье отечественного производства. Производители пленочной продукции, на основе полиэтилентерефталата, при переходе к импортозамещению столкнулись с нехваткой сырья. В ответ на поступающие вызовы была разработана технология производства гранулированного полиэтилентерефталата с уникальными характеристиками, предназначенного для производства биаксиально ориентированных пленок (БОПЭТ). Аналоги данной марки выпускаются многими мировыми производителями ПЭТФ. Отличительной особенностью исследуемого ПЭТФ является степень кристалличности продукции более 35%. Аналоги, выпускаемые в мире имеют кристалличность менее 5%.

При производстве БОПЭТ из низкокристалличного полимера, перед экструзией увеличивается степень кристаллизации, что связано с дополнительными затратами тепла и времени. Полимер с увеличенной степенью кристалличности исключает данный процесс, тем самым повышает энергоэффективность установки. Аналитический контроль полимера проводился в собственной лаборатории, а также в лаборатории Института живых систем на базе БФУ им. И.Канта г. Калининград.

БОПЭТ пленка – это биаксиально-ориентированная пленка, произведенная из пленочных сортов полиэтилентерефталата методом экструзии с литьём и последующим двухсторонним растяжением. По своему основному предназначению пленки БОПЭТ подразделяются на упаковочные, толщиной 6-50мкм, где наиболее востребованной толщиной для гибкой упаковки является 12 мкм, и промышленные, толщиной 23-350 мкм, с наиболее востребованными толщинами 23-125 мкм для электроизоляции и дисплеев. Популярность применения БОПЭТ пленок вызвана такими уникальными потребительскими свойствами, как: высокий показатель прочности на разрыв и прокол – более 1500 кгс/см2 при малой толщине пленки. Для сравнения - у полиэтилена низкой плотности (LDPE) этот показатель составляет всего 150 кг/см2. Отличная устойчивость к износу. Высокий процент удлинения при разрыве (130%), больший, чем у других биаксиально-ориентированных пленок. Отличная основа для печати (качество и восприятие печати на БОПЭТ с коронированным или химическим покрытием выше, чем на других материалах). Для качественного нанесения красок на поверхность пленок поверхностное натяжение материалов должна быть не менее 42-45 дин/см. Поверхностное натяжение БОПЭТ пленки с коронной или химической обработкой составляет не менее 54 дин/см. Высокая температурная стойкость. Максимальная усадка (150°С/30мин) составляет до 3%. Диапазон рабочих температур, обеспечивающий термическую стабильность размеров, находится пределах от -65 до +155°С. Абсолютная безопасность и высокая экологичность. Отсутствие запаха. Инертность по отношению ко многим жидким веществам: кислотам, щелочам, солям. Устойчивость к растворителям и другим химикатам. Высокая ударопрочность (90 кДж/м2) в широком диапазоне температур.

Основным видом необходимого сырья для производства БОПЭТ пленок являются гранулы полиэтилентерефталата (ПЭТ) пленочной марки. Полиэтилентерефталат - синтетический линейный термопластичный полимер, принадлежащий к классу полиэфиров. Продукт поликонденсации терефталевой кислоты и моноэтиленгликоля. Полиэтилентерефталат обладает способностью существовать в аморфном или кристаллическом состояниях, причем степень кристалличности определяется термической предысторией материала. При быстром охлаждении полиэтилентерефталат аморфен, при медленном - кристалличен. Аморфный полиэтилентерефталат - твердый прозрачный материал, кристаллический - твердый непрозрачный бесцветный. Товарный полиэтилентерефталат выпускается обычно в виде гранулята с размером гранул 2-4 миллиметра. В промышленном масштабе ПЭТ начал выпускаться, как волокнообразующий полимер, но вскоре занял одно из ведущих мест и в индустрии полимерной упаковки. По темпам роста потребления в настоящее время полиэтилентерефталат является наиболее быстрорастущим полимерным материалом. Главное отличие пленочного ПЭТ от бутылочного заключается в более низкой вязкости и более высокой температуре плавления. Пленочный ПЭТ характеризуется также большей влажностью и меньшим количеством карбоксильных групп. В последнее время для получения БОПЭТ пленок используют со-экструзионную технологию, позволяющую получать многослойные пленки с уникальными характеристиками.

Биаксиально-ориентированные ПЭТ пленки производят исключительно с помощью процесса ориентации, в котором аморфная поливная пленка обычно растягивается в продольном направлении при прохождении ее через нагретые валки, и затем направляется к ширильной раме для достижения деформации в поперечном направлении.

Полимер на проведение процесса ориентации может подаваться из экструдера или напрямую из непрерывного реактора синтеза. В экструзионных пленочных линиях подготовка полимера включает кристаллизацию и сушку. Сушка является необходимой для замкнутых (одношнековых) экструзионных систем, так как ПЭТ чувствителен к гидролизу, приводящему к снижению молекулярной массы. Перед стадией сушки полимер вначале кристаллизуется для предотвращения спекания гранул, а затем сушится в течение нескольких часов при 160–180 °С для уменьшения уровня влаги до 10–30 частей на миллион (ppm).

Полиэтилентерефталат, используемый для производства пленок, имеет конечную вязкость в диапазоне 0,62-0,67 дл/г, что является ограничением по способу гранулирования такого полимера. Для производства полимера используют два вида систем гранулирования: стренговые грануляторы, которые способны гранулировать полимер при низких температурах и невысокой вязкости, но гранулы имеют цилиндрическую форму с низкой температурой и высоким содержанием пыли и грануляторы подводного типа, позволяющие производить сферические гранулы с низким образованием пыли и более высокой температурой гранул.

Известные аналоги ПЭТФ, используемого для производства пленок, гранулируются на стренговых грануляторах при низких температурах и имеют низкую кристалличность (<5%) и повышенную влажность. При использовании таких гранул для производства пленок их необходимо просушить, а для предотвращения слипания при сушке, необходимо поднять степень кристалличности. Для осуществления данных процессов необходимо установить специализированное оборудование (кристаллизатор, осушитель), что влечет дополнительные энергетические затраты и увеличение производственных площадей.

Гранулы полимера низковязкого высококристалличного производятся в грануляторах подводного типа и имеют сферическую форму. Используемая технология не предполагает моментального охлаждения полимера, более того, произведенные гранулы проходят стадии кристаллизации и кондиционирования на заводе изготовителе, перед отправкой потребителям, тем самым исключая дополнительное оборудование из схемы производства пленок.

Таким образом, проведенное исследование не только выявило возможность получения в промышленных масштабах низковязкого высококристаллизованного полиэтилентерефталата, но и доказало успешное применение его в качестве сырья для производства пленок, которое экономически более оправдано, по сравнению с существующими аналогами за счет снижения энергетики процесса.

Текст статьи
  1. Основы химии и технологии производства полиэтилентерефталата. Урманцев У.Р., Табаев Б.В., Грудников И.Б., Лакеев С.Н., Ишалина О.В. Санкт-петербург: Недра, 2016. - 156 с.
  2. Получение стабилизированного полиэтилентерефталата и исследование его свойств / Алакаева З.Т., Микитаев М.А., Хупова М.М., Козуб В.В., Цуров А.Х., Хаширова С.Ю., Борукаев Т.А. Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3.
  3. Производство упаковки из ПЭТ / Д.Брукс, Дж. Джайлс (ред.); пер. с англ. Под ред. О.Ю. Сабсай – СПб: ЦОП «Профессия», 2010. – 368 стр., ил.
  4. Российский и мировой рынок пленки BOPET, 2013-2017 гг. Текст электронный. https://www.megaresearch.ru/work_examples/issledovaniya/1096
Список литературы