Полиэстер - Polyester

О фильме 1981 года см. Полиэстер (пленка).
SEM изображение изгиба на большой площади полиэстер волокно с семилопастным поперечным сечением
Крупный план рубашки из полиэстера
Эластичная полиэфирная ткань

Полиэстер это категория полимеры которые содержат сложный эфир функциональная группа в их основной цепочке. В качестве конкретного материал, это чаще всего относится к типу, называемому полиэтилентерефталат (ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ). Полиэфиры включают природные химические вещества, например, в Cutin из кутикула растений, а также синтетику, такую ​​как полибутират. Натуральные полиэфиры и некоторые синтетические биоразлагаемый, но большинство синтетических полиэфиров - нет. Материал широко используется в одежде.

Иногда полиэфирные волокна прядут вместе с натуральными волокнами, чтобы получить ткань со смешанными свойствами. Хлопок Смеси полиэстера могут быть прочными, устойчивыми к образованию складок и разрывов, а также уменьшать усадку. Синтетические волокна полиэфирные волокна обладают высокой устойчивостью к воде, ветру и окружающей среде по сравнению с волокнами растительного происхождения. Они меньше огнеустойчивый и может плавиться при воспламенении.[1]

Жидкокристаллические полиэфиры являются одними из первых, используемых в промышленности. жидкокристаллические полимеры. Их используют из-за их механических свойств и термостойкости. Эти свойства также важны при их применении в качестве истираемого уплотнения в реактивных двигателях.[2]

Натуральные полиэфиры могли сыграть значительную роль в истоки жизни.[3] Известно, что длинные гетерогенные полиэфирные цепи и безмембранные структуры легко образуются в однореакторной реакции без катализатора в простых пребиотических условиях.[4][5]

Типы

В зависимости от химической структуры полиэстер может быть термопласт или же термореактивный. Это также полиэфирные смолы отверждается отвердителями; однако наиболее распространенными сложными полиэфирами являются термопласты.[6] Примеры термореактивных полиэфиров включают некоторые марки Desmophen от Bayer. Группа ОН реагирует с Изоцианат функциональное соединение в 2-х компонентной системе, дающей покрытия, которые могут быть необязательно пигментированы. Полиэфиры, как термопласты, могут изменять форму после воздействия тепла. Несмотря на то, что полиэфиры горючие при высоких температурах, они, как правило, сжимаются от огня и самозатухают при возгорании. Полиэфирные волокна имеют высокую упорство и Е-модуль а также низкое водопоглощение и минимальное усадка по сравнению с другими промышленными волокнами.

Ненасыщенные полиэфиры (УПР) термореактивные смолы. Они используются в жидком состоянии как Кастинг материалы, в листовые формовочные смеси, в качестве стекловолокно смолы для ламинирования и неметаллические наполнители для кузовов автомобилей. Они также используются как термореактивная полимерная матрица в pre-pregs. Ненасыщенные полиэфиры, армированные стекловолокном, находят широкое применение в кузовах яхт и кузовных деталях автомобилей.

По составу основной цепи полиэфиры могут быть:

Основная сеть
сочинение		ТипПримеры
ПолиэфирыМетоды изготовления
АлифатическийГомополимерПолигликолид или полигликолевая кислота (PGA)Поликонденсация из гликолевая кислота
Полимолочная кислота (PLA)Полимеризация с раскрытием кольца из лактид
Поликапролактон (PCL)Полимеризация с раскрытием кольца капролактон
Полигидроксиалканоат (PHA)
Полигидроксибутират (PHB)
СополимерПолиэтилен адипинат (PEA)
Полибутилен сукцинат (PBS)Поликонденсация Янтарная кислота с 1,4-бутандиол
Поли (3-гидроксибутират-со-3-гидроксивалерат) (PHBV)Сополимеризация из 3-гидроксибутановая кислота и 3-гидроксипентановая кислота,
бутиролактон, и валеролактон (олигомерный алюмоксан как катализатор)
ПолуароматическийСополимерПолиэтилентерефталат (ДОМАШНИЙ ПИТОМЕЦ)Поликонденсация терефталевая кислота с этиленгликоль
Полибутилентерефталат (PBT)Поликонденсация терефталевой кислоты с 1,4-бутандиол
Политриметилентерефталат (PTT)Поликонденсация терефталевой кислоты с 1,3-пропандиол
Полиэтиленнафталат (РУЧКА)Поликонденсация не менее одного нафталин дикарбоновая кислота с этиленгликолем
АроматныйСополимерВектранПоликонденсация 4-гидроксибензойная кислота и 6-гидроксинафталин-2-карбоновая кислота

Увеличение ароматической составляющей полиэфиров увеличивает их температура стеклования, температура плавления, термостойкость, химическая стабильность ...

Полиэфиры также могут быть Telechelic олигомеры как поликапролактондиол (PCL) и полиэтиленадипатдиол (PEA). Затем они используются как форполимеры.

Использование и приложения

Ткани сотканные или связанные из полиэфирной нити или пряжи широко используются в одежде и предметах интерьера, от рубашек и брюк до курток и шляп, простыней, одеял, мягкой мебели и ковриков для компьютерных мышек. Промышленные полиэфирные волокна, пряжа и канаты используются в армировании автомобильных шин, тканях для конвейерных лент, ремнях безопасности, тканях с покрытием и пластмассовых армирующих материалах с высоким энергопоглощением. Полиэфирное волокно используется в качестве амортизирующего и изоляционного материала для подушек, стеганых одеял и обивки. Ткани из полиэстера очень устойчивы к пятнам - это фактически единственный класс красителей, которые может использоваться для изменения цвета полиэфирной ткани, так называемые дисперсные красители.[7]

Полиэфиры также используются для изготовления бутылок, пленок, брезент, паруса (Дакрон), каноэ, жидкокристаллические дисплеи, голограммы, фильтры, диэлектрик фильм для конденсаторы, пленочная изоляция за провод и изоляционные ленты. Полиэфиры широко используются в качестве отделочного материала для высококачественных изделий из дерева, таких как гитары, пианино и интерьеры автомобилей / яхт. Тиксотропный Свойства наносимых распылением полиэфиров делают их идеальными для использования на древесине с открытой структурой, так как они могут быстро заполнять структуру древесины с большой толщиной пленки на один слой. Затвердевшие полиэфиры можно шлифовать и отполировать до глянцевого и прочного покрытия.

Промышленность

Основы

Полиэстер - это синтетический полимер, изготовленный из очищенная терефталевая кислота (PTA) или его диметиловый эфир диметилтерефталат (ДМТ) и моноэтиленгликоль (МЭГ). Имея 18% рынка всех производимых пластиковых материалов, он занимает третье место после полиэтилен (33.5%)[нужна цитата ] и полипропилен (19.5%).

Основное сырье описывается следующим образом:

Очищенная терефталевая кислота (PTA) CAS-No: 100-21-0
Синоним: 1,4-бензолдикарбоновая кислота,
Формула суммы: C6ЧАС4(COOH)2, мол. вес: 166,13
Диметилтерефталат (DMT) Номер CAS: 120-61-6
Синоним: диметиловый эфир 1,4 бензолдикарбоновой кислоты,
Формула суммы: C6ЧАС4(КУХНЯ3)2, мол. вес: 194,19
Моноэтиленгликоль (МЭГ) Номер CAS: 107-21-1
Синоним: 1,2 этандиол,
Формула суммы: C2ЧАС6О2 , мол. вес: 62.07

Сделать полимер высокой молекулярный вес нужен катализатор. Самый распространенный катализатор - это триоксид сурьмы (или триацетат сурьмы):

Трехокись сурьмы (ATO) Номер CAS: 1309-64-4
мол. вес: 291,51,
Формула суммы: Sb2О3

В 2008 г. около 10 тыс. Т Sb2О3 были использованы для производства около 49 миллионов тонн полиэтилентерефталата.[нужна цитата ]

Полиэстер описывается следующим образом:

Полиэтилентерефталат CAS-No: 25038-59-9
Синонимы / сокращения: полиэстер, ПЭТ, ПЭС,
Формула суммы: H- [C10ЧАС8О4] -n = 60–120 OH, мол. вес единицы: 192,17

Существует несколько причин важности полиэстера:

  • Относительно легкодоступное сырье PTA или DMT и MEG
  • Очень хорошо понятый и описанный простой химический процесс синтеза полиэфира.
  • Низкий уровень токсичности всего сырья и побочных продуктов при производстве и переработке полиэстера.
  • Возможность производства ПЭТ в замкнутом цикле с низкими выбросами в окружающую среду.
  • Выдающиеся механические и химические свойства полиэстера
  • Возможность вторичной переработки
  • Широкий выбор промежуточных и готовых изделий из полиэстера.

В следующей таблице показано примерное мировое производство полиэстера. Основные приложения текстиль полиэстер, полиэфирная смола для бутылок, полиэфирная пленка в основном для упаковка и специальные полиэфиры для инженерных пластиков. Согласно этой таблице, общее производство полиэфира в мире может превысить 50 миллионов тонн в год до 2010 года.

Мировое производство полиэстера по годам
Тип продукта2002 (млн т / год)2008 (млн т / год)
Текстиль-ПЭТ2039
Смола, бутылка / A-PET916
Пленка-ПЭТ1.21.5
Специальный полиэстер12.5
Общий31.259

Производитель сырья

Сырье PTA, DMT и MEG в основном производятся крупными химическими компаниями, которые иногда интегрируются на нефтеперерабатывающий завод, где п-Ксилол является основным материалом для производства ПТА и сжиженный газ (СНГ) является основным материалом для производства МЭГ.[нужна цитата ]

Обработка полиэстера

После первой стадии производства полимера в фазе расплава поток продукта делится на две различные области применения, которые в основном представляют собой текстильную промышленность и упаковку. В следующей таблице перечислены основные области применения текстиля и упаковки из полиэстера.

Список приложений для текстильных и упаковочных полиэфиров (расплав или гранулы)
ТекстильУпаковка
Штапельное волокно (PSF)Бутылки для CSD, воды, пива, сока, моющих средств и т. Д.
Нити POY, DTY, FDYПленка A-PET
Техническая пряжа и шинный кордТермоформование
Флизелин и спанбонддвухосно-ориентированная пленка (BO-PET)
МононитьОбвязка

Сокращения:

PSF
Полиэфирно-штапельное волокно;
POY
Частично ориентированная пряжа;
DTY
Тянутая фактурная пряжа;
FDY
Полностью вытянутая пряжа;
CSD
Газированный безалкогольный напиток;
ДОМАШНЕЕ ЖИВОТНОЕ
Аморфная полиэфирная пленка;
БО-ПЭТ
Двухосно-ориентированная полиэфирная пленка;

Сравнимый небольшой рыночный сегмент (намного менее 1 миллиона тонн в год) полиэстера используется для производства инженерных пластмасс и маточная смесь.

Для производства расплава полиэстера с высокой эффективностью необходимы такие высокопроизводительные технологические операции, как штапельное волокно (50–300 тонн / день на прядильную линию) или POY / FDY (до 600 тонн / день, разделенных примерно на 10 прядильных машин). Между тем все больше и больше вертикально интегрированных прямых процессов. Это означает, что расплав полимера напрямую превращается в текстильные волокна или нити без общей стадии гранулирование. Речь идет о полном вертикальная интеграция когда полиэфир производится на одном предприятии, начиная с сырой нефти или дистилляция продукты в цепи: масло → бензол → PX → PTA → расплав ПЭТ → волокно / нить или смола бутылочного сорта. Между тем такие интегрированные процессы внедряются в более или менее прерванные процессы на одной производственной площадке. Компания Eastman Chemicals была первой, кто предложил замкнуть цепочку от полимера PX до полимера PET с помощью так называемого процесса INTEGREX. Мощность таких вертикально интегрированных производственных площадок составляет> 1000 тонн в день и может легко достигать 2500 тонн в день.

Помимо вышеупомянутых крупных перерабатывающих установок для производства штапельного волокна или пряжи, существует десять тысяч малых и очень маленьких перерабатывающих предприятий, так что можно оценить, что полиэфир перерабатывается и перерабатывается на более чем 10 000 заводов по всему миру. И это без учета всех компаний, занимающихся поставками, начиная с инженерных и обрабатывающих машин и заканчивая специальными добавками, стабилизаторами и красителями. Это гигантский промышленный комплекс, который продолжает расти на 4–8% в год, в зависимости от региона мира.

Синтез

Синтез сложных полиэфиров обычно осуществляется реакцией поликонденсации. Видеть "реакции конденсации в химии полимеров ». Общее уравнение реакции диола с двухосновной кислотой:

(п + 1) R (ОН)2 + n R´ (COOH)2 → HO [ROOCR´COO]пROH + 2н H2О

Этерификация азеотропа

В этом классическом методе алкоголь и карбоновая кислота реагируют с образованием сложного эфира карбоновой кислоты.Для сборки полимера вода, образованная в результате реакции, должна постоянно удаляться путем азеотроп дистилляция.

Алкогольная переэтерификация

Основная статья: Переэтерификация
Переэтерификация: Олигомер с концевой спиртовой группой и олигомер с концевой сложноэфирной группой конденсируются с образованием сложноэфирной связи с потерей спирта. R и R 'представляют собой две цепи олигомера, R' 'представляет собой жертвенную единицу, такую ​​как метильная группа (метанол является побочным продуктом реакции этерификации).

Ацилирование (метод HCl)

Кислота начинается как хлорангидрид, поэтому поликонденсация протекает с выделением соляная кислота (HCl) вместо воды. Этот метод можно проводить в растворе или в виде эмаль.

Силиловый метод
В этом варианте метода HCl хлорид карбоновой кислоты превращается в триметилсилиловый эфир спиртового компонента, и получается триметилсилилхлорид.

Ацетатный метод (этерификация)

Силилацетатный метод

Полимеризация с раскрытием кольца

Алифатический полиэфиры можно собрать из лактоны в очень мягких условиях, катализируется анионно, катионно или же металлоорганически.Кроме того, недавно было показано, что ряд каталитических методов сополимеризации эпоксидов с циклическими ангидридами позволяет получить широкий спектр функционализированных сложных полиэфиров, как насыщенных, так и ненасыщенных.

История

В 1926 г. в США Э. du Pont de Nemours and Co. начал исследования больших молекул и синтетических волокон. Это раннее исследование, возглавляемое W.H. Карозерс, сосредоточенный на том, что стало нейлон, которое было одним из первых синтетических волокон.[8] В то время Карозерс работал на DuPont. Исследования Каротера были неполными и не касались изучения полиэфира, образующегося при смешивании этиленгликоля и терефталевой кислоты. В 1928 году полиэстер был запатентован в Великобритании международной компанией General Electric.[9] Проект Карозерса возродили британские ученые Whinfield и Диксон, запатентовавший полиэтилентерефталат (ПЭТ) или ПЭТФ в 1941 году. Полиэтилентерефталат составляет основу синтетических волокон, таких как Дакрон, Терилен и полиэстер. В 1946 году DuPont выкупила все законные права у Imperial Chemical Industries (ICI).[10]

Биоразложение

Основная статья: Биоразложение

В футуро дом сделан из полиэфирного пластика, армированного стекловолокном; полиэфир-полиуретан и поли (метилметакрилат), один из них разлагается Цианобактерии и Археи.[11][12]

Сшивание

Ненасыщенные полиэфиры - это термореактивные смолы. Обычно они представляют собой сополимеры, полученные полимеризацией одного или нескольких диол с насыщенными и ненасыщенными дикарбоновыми кислотами (малеиновая кислота, фумаровая кислота...) или их ангидриды. Двойная связь ненасыщенных полиэфиров реагирует с винил мономер, обычно стирол, что приводит к образованию трехмерной поперечно-сшитой структуры. Эта структура действует как термореактивный материал. В экзотермический сшивание реакция инициируется через катализатор, обычно органический пероксид Такие как пероксид метилэтилкетона или же перекись бензоила.

Проблемы окружающей среды

Загрязнение пресноводных и морских местообитаний

Команда из Плимутского университета в Великобритании провела 12 месяцев, анализируя, что произошло, когда некоторые синтетические материалы были промыты при разных температурах в домашних стиральных машинах с использованием различных комбинаций моющих средств, чтобы количественно определить объем микроволокон. Они обнаружили, что при средней загрузке белья в 6 кг может высвободиться примерно 137 951 волокна из ткани из смеси полиэстера и хлопка, 496 030 волокон из полиэстера и 728 789 волокон из акрила. Эти волокна добавляют к общему микропластик загрязнение.[13][14][15]

Невозобновляемый

Полиэстер представляет собой синтетическое волокно на нефтяной основе и, следовательно, является невозобновляемым углеродоемким ресурсом.[16] Около 70 миллионов баррелей нефти используется каждый год во всем мире для производства полиэстера, который в настоящее время является наиболее часто используемым волокном для изготовления одежды. Но для разложения требуется более 200 лет.[17]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Мендельсон С (17 мая 2005 г.). Домашний комфорт: искусство и наука ведения домашнего хозяйства. Саймон и Шустер. ISBN  9780743272865.
  2. ^ «Термически истираемые покрытия». www.gordonengland.co.uk. Получено 12 декабря 2018.
  3. ^ Чандру К., Мамаджанов И., Кливз Х.Д., Цзя Т.З. (январь 2020 г.). «Полиэфиры как модельная система для построения примитивных биологических препаратов из химии небиологических пребиотиков». Жизнь. 10 (1): 6. Дои:10.3390 / life10010006. ЧВК  7175156. PMID  31963928.
  4. ^ Jia TZ, Chandru K, Hongo Y, Afrin R, Usui T, Myojo K, Cleaves HJ (август 2019). «Безмембранные микрокапли полиэстера как изначальные компартменты у истоков жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 116 (32): 15830–15835. Дои:10.1073 / пнас.1902336116. ЧВК  6690027. PMID  31332006.
  5. ^ Чандру К., Гуттенберг Н., Гири К., Хонго И., Бутч С., Мамаджанов И., Кливз Х. Дж. (31 мая 2018 г.). «Простой пребиотический синтез разнообразных динамических комбинаторных полиэфирных библиотек». Коммуникационная химия. 1 (1). Дои:10.1038 / с42004-018-0031-1.
  6. ^ Розато Д.В., Розато Д.В., Розато М.В. (2004). Руководство по выбору материалов и процессов из пластмассы. Эльзевир. п. 85. ISBN  978-1-85617-431-2.
  7. ^ Шулер MJ (1981). «Часть 8: Крашение дисперсными красителями». Крашение Грунтовка. AATCC. п. 21. GGKEY: SK3T00EYAFR.
  8. ^ «Как производится полиэстер - материал, производство, изготовление, история, использование, структура, этапы, продукт, история». www.madehow.com. Получено 4 декабря 2018.
  9. ^ Loasby G (1951). «Развитие синтетических волокон». Журнал Труды Текстильного института. 42 (8): P411 – P441. Дои:10.1080/19447015108663852.
  10. ^ «История полиэстера | Что такое полиэстер». www.whatispolyester.com. Получено 4 декабря 2018.
  11. ^ Cappitelli F, Principi P, Sorlini C (август 2006 г.). «Биоразрушение современных материалов в современных коллекциях: может ли помочь биотехнология?». Тенденции в биотехнологии. 24 (8): 350–4. Дои:10.1016 / j.tibtech.2006.06.001. PMID  16782219.
  12. ^ Ринальди А. (ноябрь 2006 г.). «Спасение хрупкого наследия. Биотехнология и микробиология все чаще используются для сохранения и восстановления мирового культурного наследия». Отчеты EMBO. 7 (11): 1075–9. Дои:10.1038 / sj.embor.7400844. ЧВК  1679785. PMID  17077862.
  13. ^ O'Connor MC (27 октября 2014 г.). «Внутри одинокой борьбы против самой большой экологической проблемы, о которой вы никогда не слышали». Хранитель.
  14. ^ Уильямс А. «При стирке одежды в окружающую среду попадают тысячи частиц микропласта, - показывают исследования». Плимутский университет. Получено 9 октября 2016.
  15. ^ Napper IE, Thompson RC (ноябрь 2016 г.). «Выброс синтетических микропластических пластиковых волокон из бытовых стиральных машин: влияние типа ткани и условий стирки». Бюллетень загрязнения морской среды. 112 (1–2): 39–45. Дои:10.1016 / j.marpolbul.2016.09.025. HDL:10026.1/8163. PMID  27686821.
  16. ^ «Воздействие полиэстера на окружающую среду». черепаха и леди грей. 29 августа 2016 г.. Получено 12 декабря 2018.
  17. ^ Конка Дж. «Сделать изменение климата модным - швейная промышленность берет на себя глобальное потепление». Forbes. Получено 12 декабря 2018.

дальнейшее чтение

  • Текстиль, Сары Кадольф и Анны Лэнгфорд. 8-е издание, 1998 г.

внешняя ссылка