matières premières PET

Matières premières PET : matériaux polyester hautes performances et leurs diverses applications

Le polyéthylène téréphtalate (PET) est un polyester aromatique linéaire issu de la réaction de condensation de l'acide téréphtalique et de l'éthylène glycol. Figurant parmi les cinq plastiques techniques les plus courants, le PET est devenu un matériau polymère incontournable dans l'industrie moderne depuis sa production industrielle dans les années 1940, grâce à ses excellentes performances, à sa large gamme de matières premières et à la maturité de ses procédés de production. Des bouteilles d'eau minérale aux vêtements en polyester, des films d'emballage alimentaire aux composants automobiles, le PET a pénétré divers secteurs de la production et de la vie quotidienne grâce à ses avantages uniques, favorisant ainsi le développement durable de l'industrie des matériaux.

1. Structure moléculaire et caractéristiques principales du PET

La structure moléculaire du PET est le facteur fondamental qui détermine ses performances. Son unité répétitive est OC-C₆H₄-COO-CH₂CH₂-, et sa chaîne moléculaire contient des cycles benzéniques rigides et des segments méthylène flexibles. Cette structure confère au PET à la fois rigidité et une certaine ténacité.

En termes de propriétés mécaniques, le PET présente une résistance à la traction et un module d'élasticité élevés, un allongement à la rupture modéré et une meilleure résistance aux chocs que les plastiques cassants comme le polystyrène. Le PET non traité présente une bonne rigidité et, après un étirage biaxial, sa résistance peut être considérablement améliorée. Par exemple, la résistance à la traction d'un film PET étiré biaxial peut atteindre 150 à 200 MPa, soit près de 1/10 de celle de l'acier. Cette haute résistance le rend particulièrement adapté aux matériaux d'emballage et de structure.

En termes de performances thermiques, la température de transition vitreuse du PET est d'environ 70-80 °C, avec un point de fusion compris entre 240 et 260 °C. Sa température d'utilisation à court terme peut atteindre 120 °C et sa température d'utilisation à long terme est comprise entre 80 et 100 °C, ce qui permet de répondre aux exigences de température de la plupart des applications quotidiennes et industrielles. Cependant, sa température de déformation thermique est relativement basse et il est sujet à la déformation à haute température sous contrainte. Par conséquent, le PET pur est principalement utilisé pour les applications non porteuses ou à faible charge et à haute température. Pour améliorer sa résistance à la chaleur, une modification renforcée est nécessaire.

La performance barrière est l'un des principaux avantages du PET. Il offre une excellente barrière contre l'oxygène, le dioxyde de carbone, la vapeur d'eau, etc., et peut retarder efficacement la détérioration par oxydation et la perte d'humidité du contenu. En particulier pour le PET de qualité bouteille, après étirage biaxial, la chaîne moléculaire est plus régulière et les propriétés barrières sont encore améliorées, ce qui en fait le matériau de prédilection pour l'emballage des boissons, des aliments, des cosmétiques, etc. Par exemple, les bouteilles de boissons gazeuses doivent résister à une certaine pression interne, et les propriétés barrières du PET peuvent efficacement empêcher les fuites de dioxyde de carbone.

En termes de résistance chimique, le PET présente une bonne tolérance à la plupart des solvants organiques, acides et bases, et ne se corrode pas facilement à température ambiante. Cependant, des réactions d'hydrolyse peuvent se produire en milieu fortement alcalin ou à haute température. Cette caractéristique le rend adapté au stockage de boissons acides (comme les jus), d'eau neutre, etc., mais pas au stockage à long terme de liquides fortement alcalins.

De plus, le PET présente une bonne transparence et une bonne brillance, avec une transmission de la lumière de plus de 90 % après traitement, ce qui permet d'afficher clairement le contenu et d'améliorer l'attrait visuel du produit ; Dans le même temps, le PET est facile à traiter et peut être transformé en diverses formes de produits tels que des bouteilles, des films, des feuilles, des fibres, etc. par moulage par injection, moulage par soufflage, extrusion et autres procédés.

2、 Processus de production et sources de matières premières du PET

La production industrielle de PET utilise principalement de l'acide téréphtalique (PTA) et de l'éthylène glycol (EG) comme matières premières, issus d'une réaction de condensation. Son procédé de production repose sur un système technique mature et stable, dont l'objectif principal est de contrôler précisément la réaction de polymérisation afin d'obtenir des produits aux propriétés spécifiques.

Concernant les matières premières, l'acide téréphtalique (PTA) est principalement produit par oxydation du xylène (PX), issu de l'extraction d'hydrocarbures aromatiques lors du raffinage du pétrole. L'éthylène glycol (EG) est principalement produit par oxydation de l'éthylène pour produire de l'époxyéthane, qui est ensuite hydraté. L'éthylène provient également du craquage du pétrole ou du gaz naturel. Face à la demande croissante en matière de protection de l'environnement et de développement durable, la recherche et le développement de matières premières biosourcées ont progressé. L'éthylène glycol biosourcé peut être produit par fermentation de biomasse, puis polymérisé avec du PTA pour produire du PET biosourcé, réduisant ainsi la dépendance aux ressources fossiles.

Le processus de production du PET comprend principalement deux étapes principales : l'estérification et la condensation. Selon l'échelle de production et la demande, il peut être divisé en deux procédés : la polymérisation par lots et la polymérisation en continu.

L'étape d'estérification implique la réaction d'estérification entre le PTA et l'EG à haute température et pression, entraînant la formation de téréphtalate de dihydroxyéthyle (BHET) et d'eau. La température de réaction est généralement contrôlée entre 220 et 260 °C et la pression entre 0,2 et 0,5 MPa. La réaction est accélérée par des catalyseurs tels que l'antimoine et le titane. La réaction d'estérification est réversible et l'eau générée doit être éliminée rapidement pour favoriser la réaction directe et garantir un taux d'estérification supérieur à 95 %.

L'étape de condensation consiste à condenser le BHET à haute température et sous vide, éliminant ainsi l'éthylène glycol et formant des chaînes polymères PET. La température de réaction est portée à 270-290 °C et la pression est abaissée à moins de 100 Pa. Les petites molécules (éthylène glycol) sont éliminées sous vide afin de favoriser la croissance des chaînes moléculaires. La durée et les paramètres de la réaction de condensation influencent directement la masse moléculaire et la distribution de la masse moléculaire du PET, déterminant ainsi les performances du produit. Le procédé de polymérisation continue permet une production continue grâce à plusieurs réacteurs en série, ce qui présente les avantages d'une grande efficacité de production et d'une qualité de produit stable, et convient à la production industrielle à grande échelle. La polymérisation intermittente offre une grande flexibilité et convient à la production à petite échelle et multivariée.

Une fois la réaction de polymérisation terminée, le PET fondu est coulé et découpé en tranches de PET, qui constituent la matière première solide. Les tranches doivent être séchées pour éliminer l'humidité (teneur en humidité inférieure à 0,005 %) afin d'éviter une perte de masse moléculaire due à l'hydrolyse lors du traitement ultérieur. Selon les exigences des différentes applications, la viscosité intrinsèque (valeur IV) des tranches de PET peut être contrôlée en ajustant les paramètres du procédé. La valeur IV des tranches de PET de qualité bouteille est généralement de 0,7 à 0,8 dL/g, celle de qualité membrane de 0,6 à 0,7 dL/g et celle de qualité fibre de 0,6 à 0,9 dL/g.

La modification par copolymérisation est un moyen important d'élargir les performances du PET. L'introduction de monomères tiers (tels que le cyclohexanediméthanol et l'acide isophtalique) pendant le processus de polymérisation permet de modifier la structure de la chaîne moléculaire et d'obtenir des produits en PET modifié. Par exemple, le PET est copolymérisé avec le cyclohexanediméthanol pour produire du PETG, ce qui améliore considérablement sa flexibilité, sa résistance aux chocs et son aptitude à la transformation, le rendant ainsi adapté aux emballages haute transparence et aux dispositifs médicaux. L'ajout d'acide isophtalique peut réduire la cristallinité du PET et améliorer ses performances de transformation et sa résistance chimique.

3、 Classification et différences de performance du PET

Selon le domaine d'application et les exigences de performance, le PET peut être divisé en quatre catégories : PET pour bouteilles, PET pour films, PET pour fibres et PET pour applications techniques. Les différents types de PET présentent des différences significatives en termes de poids moléculaire, de cristallinité, de performances de traitement, etc., afin de répondre aux besoins de différents scénarios.

Le PET pour bouteille est le PET le plus largement produit, principalement utilisé pour la production de diverses bouteilles en plastique. Il présente une viscosité intrinsèque élevée (0,7-0,8 dL/g), une excellente transparence, une résistance mécanique et des propriétés barrières, ainsi qu'une excellente résistance aux chocs et à la pression interne. Pour répondre aux exigences du moulage par soufflage, les chips de PET pour bouteille doivent présenter une bonne fluidité à chaud et une bonne stabilité de mise en œuvre. Après moulage par injection en préformes, elles sont ensuite transformées en bouteilles par soufflage biaxial. Ce processus d'étirage oriente les chaînes moléculaires, améliorant ainsi la résistance et les propriétés barrières. Le PET pour bouteille se divise en bouteilles d'eau, de boissons gazeuses et de bouteilles remplies à chaud. Selon ses applications, le PET pour bouteille remplie à chaud peut améliorer sa résistance à la chaleur grâce à une modification par copolymérisation et supporter des processus de remplissage à chaud à 85-95 °C.

Le PET de qualité film est principalement utilisé pour la production de divers films minces. Sa viscosité intrinsèque est légèrement inférieure à celle du PET de qualité bouteille (0,6-0,7 dL/g). Il présente de bonnes propriétés mécaniques, une bonne résistance à la chaleur et une bonne isolation. Le film PET est fabriqué par extrusion-coulée ou par étirage bi-orienté. Après étirage longitudinal et transversal, la résistance, la transparence et les propriétés barrières du film PET bi-orienté (BOPET) sont considérablement améliorées. Il est largement utilisé dans les films d'emballage alimentaire (tels que les sachets vapeur), les films isolants (tels que les films pour condensateurs), les films de protection de cartes, les films de fond photovoltaïques, etc. Le PET de qualité film peut améliorer ses performances grâce à l'ajout de lubrifiants et d'agents anti-adhérents, notamment en réduisant le coefficient de frottement pour faciliter l'enroulement et le traitement.

Le PET fibre est la matière première principale du secteur textile. Il s'agit du polyester (fibre de polyester). Sa viscosité intrinsèque est très variable (0,6-0,9 dL/g), et ses paramètres sont ajustés en fonction de la variété de fibre (filament, fibre discontinue). Le PET fibre est transformé en fibres de polyester par filage à chaud, ce qui lui confère une grande résistance, une grande résistance à l'usure, une bonne infroissabilité et un lavage facile. Il est largement utilisé dans l'habillement, le linge de maison et les textiles industriels (tels que les géotextiles et les toiles filtrantes). L'ajustement du procédé de filage permet de produire des fibres de polyester aux propriétés variées, telles que des fibres à haute résistance et à faible allongement pour un usage industriel, et des fibres ultrafines pour les tissus haut de gamme.

Le PET haute performance, obtenu par renforcement, trempe et autres traitements de modification, est principalement utilisé pour remplacer les métaux et autres plastiques techniques dans la production de composants structurels. L'ajout de matériaux de renforcement tels que la fibre de verre et la fibre de carbone permet d'améliorer considérablement la résistance, la rigidité et la résistance à la chaleur du PET. La résistance à la traction du PET renforcé de fibres de verre peut atteindre plus de 150 MPa et sa température de déformation thermique peut dépasser 200 °C. Il est adapté aux pièces automobiles (poignées de porte, tableaux de bord, etc.), aux boîtiers électroniques et électriques, aux pièces mécaniques, etc. Le PET haute performance peut également améliorer sa résistance aux chocs grâce à l'ajout d'agents de renforcement (tels que des élastomères) ou de retardateurs de flamme pour répondre aux exigences de protection incendie.

4、 Les divers domaines d'application du PET

Le PET, avec ses excellentes performances globales et ses diverses méthodes de traitement, a été largement utilisé dans divers domaines tels que l'emballage, les textiles, l'électronique, l'automobile et la construction, devenant un matériau indispensable dans l'industrie moderne et la vie quotidienne.

Le secteur de l'emballage est l'un des plus utilisés pour le PET, le PET étant principalement destiné aux bouteilles. Dans le secteur des boissons, les bouteilles en PET sont devenues le contenant privilégié pour l'eau minérale, les boissons gazeuses, les jus de fruits, les thés, etc., grâce à leur transparence, leur légèreté, leur résistance aux chocs et leurs excellentes propriétés barrières. Plus de 500 milliards de bouteilles en PET sont produites chaque année dans le monde. Grâce à leur légèreté, les bouteilles en PET réduisent continuellement la consommation de matériaux et offrent une excellente recyclabilité, favorisant ainsi le développement de l'économie circulaire. Dans le secteur alimentaire, le film BOPET est utilisé pour la fabrication de sachets de cuisson et de films d'emballage sous vide, capables de résister à une stérilisation à haute température (121 °C) et de prolonger la durée de conservation des aliments. Les feuilles de PET sont thermoformées en boîtes sous vide pour l'emballage de viande, de fruits, de pâtisseries, etc., alliant transparence et protection.

Dans l'industrie textile, les fibres de polyester issues de PET de qualité fibreuse sont les fibres synthétiques les plus produites, représentant plus de 60 % de la production mondiale de fibres. Le filament de polyester est utilisé pour la fabrication de tissus d'habillement tels que des chemises, des robes et des vêtements de sport. Il se caractérise par sa rigidité et sa facilité d'entretien. Le mélange de fibres discontinues de polyester avec des fibres naturelles comme le coton et la laine améliore la résistance à l'usure et la stabilité dimensionnelle du tissu. La fibre de polyester industrielle est utilisée pour la fabrication de géotextiles (pour renforcer les sols), de matériaux filtrants (tels que les filtres à air), de ceintures de sécurité, de tentes, etc. Sa grande résistance et sa résistance aux intempéries répondent aux besoins industriels.

Dans le domaine des appareils électroniques, le film PET joue un rôle important. Grâce à ses excellentes performances d'isolation et à sa résistance à la chaleur, le film BOPET est utilisé pour la fabrication de films pour condensateurs, de films isolants pour moteurs et de substrats de circuits imprimés flexibles. Les feuilles de PET sont imprimées et estampées pour la fabrication de panneaux décoratifs, de plaques signalétiques et d'autres appareils électroniques. Après modification, le PET de qualité technique est utilisé pour fabriquer des composants tels que des connecteurs, des boîtiers d'interrupteurs, des supports d'écran, etc., alliant isolation et résistance mécanique.

Dans l'industrie automobile, le PET de qualité technique est renforcé et modifié pour la production de pièces intérieures (tableaux de bord et panneaux de porte), de pièces extérieures (boîtiers de rétroviseurs, par exemple) et de composants fonctionnels (calandres, par exemple). Sa légèreté permet de réduire la consommation de carburant, et sa résistance aux produits chimiques et aux intempéries répond aux besoins à long terme de l'automobile. Le PET est également utilisé pour l'isolation des faisceaux de câbles automobiles et des tissus de sièges (polyester), élargissant ainsi son champ d'application dans le secteur automobile.

Dans le domaine de l'architecture, le matériau PET est utilisé pour produire des matériaux d'isolation thermique (tels que le coton isolant PET), des membranes d'étanchéité, des films décoratifs, etc. Le coton isolant PET a les caractéristiques d'être léger, ignifuge et d'avoir un bon effet isolant, et convient à l'isolation des murs extérieurs des bâtiments ; la membrane d'étanchéité PET est résistante au vieillissement et à la perforation, utilisée pour les projets d'étanchéité des toits et des sous-sols ; un film décoratif PET est appliqué sur la surface du panneau pour améliorer son esthétique et sa résistance à l'usure.

De plus, le PET est utilisé dans le domaine médical pour fabriquer des flacons de perfusion, des boîtiers de seringues, etc. Sa stabilité chimique et son hygiène répondent aux normes médicales ; Dans le domaine de l'impression 3D, le fil PET est utilisé pour la technologie d'impression FDM pour produire des modèles et des pièces à haute résistance.

5、 Tendances en matière de protection de l'environnement et de développement du PET

Avec la prise de conscience mondiale croissante de la protection de l'environnement, le respect de l'environnement et le développement durable du PET sont devenus des préoccupations majeures de l'industrie. Ses technologies de recyclage et de production écologique continuent de progresser, favorisant la transformation de l'industrie du PET vers une économie circulaire.

L'avantage environnemental du PET réside dans sa bonne recyclabilité et sa valeur de recyclage élevée. Les déchets de PET (tels que les bouteilles, les films et les fibres) peuvent être recyclés selon deux méthodes : le recyclage physique et le recyclage chimique. Le recyclage physique consiste à trier, nettoyer, broyer et fondre les déchets de PET en tranches de PET recyclé. Le PET recyclé peut être utilisé pour produire des bouteilles, des films, des fibres et d'autres produits. Par exemple, les bouteilles en PET recyclées sont utilisées pour les emballages non alimentaires, et les fibres recyclées pour la fabrication de tapis et de tissus d'habillement (tels que les tissus en polyester recyclé). Le recyclage chimique décompose le PET en monomères PTA et EG par hydrolyse, alcoolyse et autres technologies, et les utilise comme matières premières pour produire du nouveau PET, assurant ainsi une circulation en circuit fermé. Le recyclage chimique permet de traiter les déchets PET complexes et pollués, et les performances des matières premières recyclées sont proches de celles des matières premières utilisables en contact avec les aliments.

À l'heure actuelle, le principal défi du recyclage du PET réside dans l'imperfection du système de recyclage. Le taux mondial de recyclage des bouteilles en PET est d'environ 50 %, et certaines régions affichent de faibles taux de recyclage en raison d'une méconnaissance du recyclage classifié et de coûts de recyclage élevés. Par ailleurs, la stabilité des performances et l'hygiène du PET recyclé doivent être rigoureusement contrôlées afin d'éviter toute impureté affectant la qualité du produit.

À l'avenir, le développement du PET s'orientera vers des solutions hautes performances, écologiques et fonctionnelles. En termes de hautes performances, la conception moléculaire et les technologies de modification sont utilisées pour améliorer la résistance à la chaleur, la résistance aux chocs et les propriétés barrières du PET. Par exemple, le PET résistant aux hautes températures est développé pour le remplissage à chaud et l'ingénierie, et le PET haute barrière pour le conditionnement de produits à forte valeur ajoutée.

En termes d'écologisation, la recherche et le développement du PET biosourcé s'accélèrent, avec pour objectif d'atteindre une production de matières premières 100 % biosourcées et de réduire l'empreinte carbone ; dans le même temps, l'optimisation de la technologie de recyclage, l'amélioration de la pureté et de l'efficacité du recyclage physique, l'expansion de l'échelle industrielle du recyclage chimique et la construction d'un système de cycle complet de "production consommation recyclage régénération".

En termes de fonctionnalisation, développer des matériaux PET aux fonctions spécifiques, tels que le PET antibactérien pour l'emballage alimentaire, le PET ignifuge pour l'électronique et la construction, et le PET intelligent et réactif (changement de couleur thermosensible et dégradation contrôlable, par exemple) pour l'emballage haut de gamme et le secteur médical. De plus, la technologie composite du PET avec d'autres matériaux (tels que les composites PET/graphène) permettra de repousser encore les limites de ses performances et de répondre aux besoins des secteurs émergents.

Le PET, matériau polymère haute performance, reflète l'étroite intégration de la science des matériaux et de la demande industrielle dans son processus de développement. Des emballages quotidiens aux applications industrielles haut de gamme, le PET contribue au fonctionnement de la société moderne grâce à ses atouts uniques. Grâce aux progrès des technologies de protection de l'environnement et à la promotion de l'économie circulaire, le PET permettra un développement durable tout en conservant son côté pratique, contribuant ainsi à une société verte et sobre en carbone.