Matières premières PETG

Matières premières PETG : caractéristiques et applications des matériaux copolyesters hautes performances

Le PETG (polyéthylène téréphtalate cyclohexanediméthanol ester) est un polyester thermoplastique non cristallin modifié par copolymérisation ternaire d'acide téréphtalique (PTA), d'éthylène glycol (EG) et de cyclohexanediméthanol (CHDM). Variété modifiée importante du PET, le PETG a dépassé les limites de performance du PET traditionnel grâce à son excellente transparence, sa flexibilité, sa transformabilité et son respect de l'environnement. Il a démontré des avantages uniques dans les domaines de l'emballage, du médical, de la construction, de l'électronique grand public et d'autres domaines, devenant ces dernières années un matériau hautes performances et à haut poids moléculaire en plein essor.

1. Structure moléculaire et caractéristiques principales

La structure moléculaire du PETG est à l'origine de ses avantages en termes de performances. Comparé au PET cristallin, le PETG introduit du monomère cyclohexanediméthanol (CHDM) dans la chaîne moléculaire, remplaçant ainsi une partie de l'éthylène glycol, rompant ainsi la régularité des chaînes moléculaires du PET, réduisant considérablement la capacité de cristallisation et formant des structures amorphes ou à faible cristallinité. Cette conception moléculaire offre d'excellentes caractéristiques.

La transparence est l'une des propriétés les plus remarquables du PETG, avec une transmission lumineuse supérieure à 90 %, un voile inférieur à 1 %, une brillance élevée et un niveau comparable à celui de matériaux transparents comme le polycarbonate (PC) et l'acrylique (PMMA). Sa structure amorphe évite la diffusion de la lumière due à la cristallisation du PET et permet de conserver une transparence élevée même dans les produits à parois épaisses, résolvant ainsi les problèmes de blanchiment et de diminution de la transparence des produits PET à parois épaisses classiques.

En termes de propriétés mécaniques, le PETG présente une excellente ténacité et une bonne rigidité. Sa résistance aux chocs est 3 à 5 fois supérieure à celle du PET ordinaire, et sa résistance aux chocs par entaille peut atteindre plus de 60 kJ/m², bien supérieure à celle du PET ordinaire cassant. Parallèlement, sa résistance à la traction atteint 30 à 50 MPa et son module de flexion 1 500 à 2 500 MPa, ce qui permet de répondre aux exigences mécaniques de la plupart des composants structurels. Le PETG offre une excellente flexibilité, avec un allongement à la rupture allant jusqu'à 200 à 300 %. Il peut être traité par pliage à froid, etc. sans rupture, ce qui le rend idéal pour la fabrication de produits nécessitant une certaine élasticité.

En termes de performances thermiques, la température de transition vitreuse (Tg) du PETG est d'environ 78-88 °C. Bien qu'inférieure au point de fusion de cristallisation du PET, sa température de déformation thermique est relativement élevée (65-75 °C) et il peut être utilisé de manière stable à température ambiante pendant une longue période. Il présente également une excellente résistance aux basses températures et conserve une bonne ténacité à -40 °C sans se fragiliser. Comparé au PC, le PETG présente une température de traitement plus basse (généralement 230-270 °C), une consommation énergétique plus faible et une moindre vulnérabilité à la dégradation à haute température.

En termes de stabilité chimique, le PETG présente une bonne résistance à l'eau, aux acides, aux alcalis, etc., et sa résistance à la corrosion chimique est supérieure à celle du PMMA et du PC. Il est peu sensible aux produits chimiques courants tels que l'alcool et les détergents, et sa surface offre une bonne résistance aux rayures, avec une dureté Shore D78-85, qui peut être encore améliorée par un revêtement. De plus, le PETG est inodore, non toxique et conforme aux normes relatives aux matériaux en contact avec les aliments, telles que la FDA et la directive UE 10/2011. Il a également obtenu des certifications de qualité médicale, comme l'USP Classe VI, et sa sécurité est largement reconnue.

Les performances de mise en œuvre constituent un autre avantage majeur du PETG. Matériau amorphe, le PETG présente une bonne fluidité à chaud, un faible taux de retrait au moulage (0,5 % - 1,5 %), une excellente stabilité dimensionnelle et convient au moulage de précision. Il peut être mis en œuvre par divers procédés tels que le moulage par injection, l'extrusion, le soufflage et le thermoformage, et offre une large plage de mise en œuvre, ce qui le rend peu sujet aux fissures sous contrainte. Il présente de bonnes propriétés de post-traitement (impression, collage et soudage, par exemple) et peut répondre aux besoins de production de produits complexes.

2、 Processus de production et sources de matières premières

Le procédé de production du PETG repose sur la technologie de polymérisation du polyester. L'objectif principal est de contrôler précisément le ratio et le processus de polymérisation des monomères ternaires afin de réguler la structure moléculaire. Ses principales matières premières sont l'acide téréphtalique (PTA), l'éthylène glycol (EG) et le cyclohexanediméthanol (CHDM), dont la pureté et la proportion de CHDM influencent directement les performances du PETG.

Concernant les sources de matières premières, les PETG traditionnels (PTA et EG) proviennent principalement de l'industrie pétrochimique et sont produits par des procédés tels que le craquage du naphta ; le CHDM est produit par des étapes telles que l'oxydation et l'hydrogénation du cyclohexane, et dépend également de ressources fossiles. Ces dernières années, des avancées ont été réalisées dans la recherche et le développement de matières premières biosourcées, et l'industrialisation du PTA biosourcé (issu de la fermentation de la biomasse), de l'EG biosourcé et du CHDM biosourcé a progressé progressivement, offrant la possibilité d'une production écologique de PETG et réduisant considérablement l'empreinte carbone des produits.

Le processus de production du PETG comprend principalement trois étapes principales : l'estérification, la copolymérisation et la polymérisation, et la granulation. Lors de cette étape, le PTA subit d'abord une réaction d'estérification avec de l'éthylène glycol et du chlorure de méthyle (CHDM) à une température de 180 à 220 °C et une pression de 0,2 à 0,5 MPa pour produire du téréphtalate de dihydroxyéthyle, du téréphtalate de cyclohexanediméthanol et de l'eau. La réaction est accélérée par un catalyseur (par exemple, à base de titane) et l'eau est éliminée rapidement pour favoriser la réaction directe. Le taux d'estérification doit être supérieur à 95 %.

L'étape de copolymérisation et de condensation repose sur le produit d'estérification, chauffé à 240-270 °C et réalisé sous vide (pression ≤ 100 Pa) pour la réaction de condensation. Cette réaction consiste à éliminer les petites molécules (principalement l'EG) afin d'augmenter la chaîne moléculaire. À ce stade, il est nécessaire de contrôler strictement la proportion de CHDM ajoutée (généralement 30 à 50 % de la quantité totale de diols). Une proportion trop élevée réduira la résistance thermique du matériau, tandis qu'une proportion trop faible n'endommagera pas efficacement la cristallinité. La durée et la température de la réaction de condensation affectent directement la viscosité intrinsèque (valeur IV) du PETG, qui est généralement contrôlée entre 0,7 et 1,2 dL/g pour équilibrer l'aptitude à la transformation et les propriétés mécaniques.

Une fois la polymérisation terminée, le PETG fondu est coulé et découpé en tranches granulaires blanches ou transparentes, qui doivent être soigneusement séchées (teneur en humidité ≤ 0,005 %) afin d'éviter toute perte de poids moléculaire due à l'hydrolyse lors du traitement ultérieur. Selon les exigences de l'application, des antioxydants, des lubrifiants, des absorbeurs d'UV et d'autres additifs peuvent être ajoutés pendant la granulation afin d'améliorer la stabilité thermique, la transformabilité et la résistance aux intempéries du produit. Le choix des additifs doit être conforme aux normes de contact alimentaire ou de qualité médicale.

Durant le processus de production, des technologies avancées de surveillance en ligne, telles que la spectroscopie infrarouge et les viscosimètres, sont nécessaires pour suivre en temps réel l'avancement de la réaction et les performances du produit, garantissant ainsi la stabilité du lot. Comparé au PET, le procédé de polymérisation du PETG exige une précision accrue des équipements et un contrôle du procédé, notamment en ce qui concerne la mesure et l'uniformité de la dispersion du CHDM, ce qui affecte directement la transparence et la constance des performances mécaniques du produit.

3、 Classification et différences de performance

Selon la viscosité caractéristique, la teneur en CHDM et les scénarios d'application, le PETG peut être divisé en plusieurs catégories, et différents types de PETG présentent des différences de performances pour répondre à divers besoins.

Classé par viscosité intrinsèque (valeur IV), le PETG avec une faible valeur IV (0,7-0,9 dL/g) a une bonne fluidité et convient au moulage par injection de petits produits de précision (tels que les bouchons de bouteilles cosmétiques et les accessoires électroniques) ; Le PETG à valeur IV moyenne (0,9-1,1 dL/g) équilibre la fluidité et les propriétés mécaniques, adapté au moulage par soufflage (tels que les bouteilles), les feuilles extrudées, etc. ; Le PETG à valeur IV élevée (1,1-1,2 dL/g) a une résistance mécanique élevée et convient à la fabrication de composants structurels tels que des plaques à parois épaisses et des tuyaux.

Classé par teneur en CHDM, le PETG à faible teneur en CHDM (30% -40%) conserve une certaine tendance à la cristallisation, a une résistance à la chaleur légèrement plus élevée (Tg d'environ 85-90 ℃), une bonne rigidité et convient aux produits d'emballage qui nécessitent une résistance à la chaleur ; le PETG à haute teneur en CHDM (40% -50%) a une non-cristallinité plus importante, une meilleure flexibilité et transparence, mais une résistance à la chaleur légèrement inférieure (Tg d'environ 75-80 ℃), ce qui le rend adapté aux produits tels que les films et les tuyaux qui nécessitent une ténacité élevée.

Classé par domaine d'application, le PETG de qualité emballage se concentre sur la transparence, la résistance chimique et la transformabilité, répondant aux exigences d'hygiène des emballages alimentaires et cosmétiques ; Le PETG de qualité médicale doit passer la certification de biocompatibilité (comme USP Classe VI), être non toxique, résistant à la stérilisation (comme la stérilisation aux rayons gamma) et adapté à la production de dispositifs médicaux ; Le PETG de qualité industrielle se concentre sur les propriétés mécaniques et la stabilité dimensionnelle, et est utilisé pour les composants structurels dans des domaines tels que la construction et l'électronique.

Les différences de performances entre les différents types de PETG se reflètent principalement dans leur résistance à la chaleur, leur flexibilité et leur aptitude à la transformation. Par exemple, la transmittance du PETG de qualité emballage est généralement supérieure à 92 %, le voile est inférieur à 1 %, la résistance à la traction est de 35 à 45 MPa et l'allongement à la rupture est de 200 à 300 %. Le PETG de qualité médicale répond non seulement aux exigences mécaniques, mais doit également réussir les tests de cytotoxicité et de sensibilisation. La température de déformation thermique (0,45 MPa) du PETG de qualité industrielle peut atteindre 60 à 70 °C, ce qui est adapté aux exigences de support structurel à température ambiante.

4、 Domaines d'application diversifiés

Le PETG, avec ses avantages de performance complets, a remplacé les matériaux traditionnels dans de nombreux domaines et a démontré de larges perspectives d'application, en particulier dans des scénarios avec des exigences élevées en matière de transparence, de résistance et de respect de l'environnement.

Le secteur de l'emballage est le principal marché d'application du PETG, occupant une place importante dans les emballages haut de gamme. Dans le secteur des cosmétiques, les flacons et les tuyaux en PETG présentent une texture transparente cristalline et une brillance élevée, mettant en valeur la qualité du produit, ainsi qu'une excellente résistance chimique. Ils peuvent contenir des produits de soins, des parfums et d'autres produits aux ingrédients complexes. Ils offrent également une excellente résistance aux chocs, une faible casse et réduisent les pertes liées au transport.

Dans le domaine de l'emballage alimentaire, le PETG répond aux normes relatives aux matériaux en contact avec les aliments (telles que la norme FDA 21 CFR 177.1310), est inodore et résistant aux basses températures (convient à la réfrigération). Il peut être utilisé pour la fabrication de boîtes de conserve, de gobelets, de boîtes fraîcheur, etc. Son excellente étanchéité et sa résistance chimique préservent la saveur des aliments, tandis que sa transparence permet aux consommateurs d'en observer facilement le contenu. Le film PETG peut être transformé en film d'emballage composite et en film rétractable, offrant d'excellentes propriétés de thermoscellage, idéal pour les emballages irréguliers.

Dans le secteur de la santé, le PETG de qualité médicale est devenu un matériau idéal pour les dispositifs médicaux grâce à sa bonne biocompatibilité, sa résistance à la stérilisation et sa facilité de mise en œuvre. Il peut être utilisé pour la fabrication de sets de perfusion, d'enveloppes de seringues, de cathéters médicaux, de flacons d'emballage de médicaments, etc. Sa transparence facilite l'observation de l'écoulement des liquides et sa résistance à la stérilisation par rayons gamma garantit la stérilité des fournitures médicales. De plus, le PETG est également utilisé pour la fabrication de modèles dentaires et d'enveloppes prothétiques, alliant confort et durabilité.

Dans le domaine de l'architecture et de la décoration, les panneaux PETG sont utilisés pour la fabrication de panneaux d'éclairage, de revêtements de protection, de panneaux décoratifs, etc., grâce à leur grande transparence, leur résistance aux intempéries et aux chocs. Comparé au verre, le PETG est plus léger (densité de 1,23 à 1,27 g/cm³, soit environ la moitié de celle du verre), moins fragile et plus sûr. Comparé à l'acrylique, le PETG offre une meilleure résistance chimique, un jaunissement et un vieillissement plus faibles, ainsi qu'une durée de vie plus longue. Le PETG peut également être transformé en films décoratifs et en placages de meubles, permettant d'obtenir divers aspects grâce à l'impression, au revêtement et à d'autres procédés.

Dans le secteur de l'électronique grand public, le PETG est utilisé pour la fabrication de boîtiers d'appareils électroniques, de coques de protection, de cadres d'écrans, etc. Sa bonne stabilité dimensionnelle et sa bonne aptitude à la transformation permettent de répondre aux exigences de production de composants de précision. Sa résistance à l'usure et aux rayures peut être améliorée grâce à des traitements de surface (par exemple, des revêtements durcis). Dans les emballages 3C, les boîtes thermoformées en PETG permettent de présenter clairement les produits et d'assurer une bonne protection.

Dans d'autres domaines, le film PETG peut être utilisé pour l'impression, l'estampage à chaud, les étiquettes anti-contrefaçon, etc., avec d'excellentes performances de post-traitement ; les tuyaux PETG sont utilisés pour le transport de fluides industriels et les canalisations de dispositifs médicaux en raison de leur bonne flexibilité et de leur résistance à la corrosion chimique ; Dans le domaine des jouets, les jouets transparents en PETG sont sûrs, non toxiques et ont une forte résistance aux chocs, ce qui les rend adaptés à l'utilisation des enfants.

5. Tendances en matière de protection de l'environnement et de développement

Les caractéristiques environnementales du PETG lui confèrent un avantage dans la tendance du développement durable, tandis que l'industrie promeut constamment l'innovation technologique, élargissant ses limites de performance et ses scénarios d'application.

En termes de protection de l'environnement, le PETG présente une bonne recyclabilité et les déchets de PETG peuvent être recyclés par recyclage physique ou chimique. Le recyclage physique consiste à trier, nettoyer et broyer les déchets avant de les fondre et de les remodeler. Le PETG recyclé peut être utilisé pour produire des produits non alimentaires (tels que des matériaux d'emballage et des composants industriels). Le recyclage chimique décompose le PETG en monomères par dépolymérisation, qui sont ensuite réutilisés dans la production par polymérisation pour obtenir un circuit fermé. Comparé aux plastiques chlorés comme le PVC, le PETG ne produit pas de gaz toxiques lors de sa combustion et présente moins de risques environnementaux.

La recherche et le développement de PETG biosourcé constituent un axe important du développement durable. L'adoption de PTA, d'EG et de CHDM biosourcés permet de réduire considérablement la dépendance aux ressources fossiles et de réduire de plus de 30 % les émissions de carbone des produits tout au long de leur cycle de vie par rapport au PETG traditionnel. De nombreuses entreprises ont déjà lancé des produits en PETG biosourcé. La baisse du coût des matières premières biosourcées accélérera l'industrialisation du PETG 100 % biosourcé.

Le développement du PETG s'articule autour de trois axes principaux : hautes performances, fonctionnalisation et expansion des applications. En termes de hautes performances, l'optimisation du rapport CHDM par la conception moléculaire, l'introduction de monomères de substitution (tels que les diols à longue chaîne) ou de composites avec des nanomatériaux (tels que le graphène et le carbonate de calcium nanométrique) ont permis d'améliorer la résistance à la chaleur (par exemple, une température de déformation thermique supérieure à 80 °C), la résistance à l'usure et la résistance mécanique du PETG, l'étendant ainsi au domaine des composants structurels d'ingénierie.

En termes de fonctionnalisation, développer des variétés de PETG avec des fonctions spéciales, telles que le PETG antibactérien (ajout d'agents antibactériens tels que les nano-ions d'argent et de zinc) pour les emballages médicaux et alimentaires, qui peuvent inhiber la croissance microbienne ; Le PETG ignifuge répond aux exigences de protection contre l'incendie dans les domaines de l'électronique et de la construction en ajoutant des retardateurs de flamme sans halogène ; Le PETG à réponse intelligente (comme le changement de couleur sensible à la température et la réponse au pH) est utilisé pour les emballages haut de gamme et la surveillance médicale pour obtenir une régulation dynamique des fonctions.

En termes d'expansion d'applications, le PETG présente un potentiel énorme dans le domaine des nouvelles énergies, notamment pour la production de plaques arrière transparentes pour modules photovoltaïques (avec une excellente résistance aux intempéries et une excellente isolation). Dans le domaine de l'impression 3D, le fil PETG est devenu l'un des matériaux privilégiés pour l'impression FDM grâce à sa grande précision d'impression et à sa résistance à la déformation. Il permet de créer des modèles complexes et des composants fonctionnels. Dans le domaine de l'électronique flexible, le film PETG peut être utilisé comme substrat et associé à des matériaux conducteurs pour la fabrication de circuits et de capteurs flexibles.

En termes d'innovation technologique, l'optimisation du processus de polymérisation continue peut améliorer l'efficacité de la production et la stabilité de la qualité du PETG, et réduire les coûts de production ; Le développement de nouveaux catalyseurs (tels que les catalyseurs respectueux de l'environnement sans antimoine) peut réduire les résidus de métaux lourds et améliorer la sécurité des produits ; La technologie de modification de mélange (comme le mélange de PETG avec du PC et du PMMA) peut intégrer les avantages de divers matériaux pour développer des produits composites avec des performances plus complètes.

Matériau polyester copolymère hautes performances, le développement du PETG reflète les progrès de la technologie de modification des matériaux polymères. Grâce à une régulation précise de sa structure moléculaire, le PETG dépasse les limites de performance des polyesters traditionnels, conservant une excellente transparence et une excellente aptitude à la transformation, tout en offrant flexibilité, respect de l'environnement et sécurité. Avec les progrès des technologies de fabrication écologique et l'expansion de ses applications, le PETG jouera un rôle de plus en plus important dans la fabrication haut de gamme, l'emballage durable et la santé, devenant l'un des matériaux clés de la modernisation de l'industrie des matériaux polymères.