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PET材質介紹與用途
By CHUMPOWER  2017/07/03
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我們熟知的寶特瓶,其中「寶特」是英語「PET」的音譯,
Polyethylene terephthalate 聚對苯二甲酸乙二酯)屬於半結晶體,
它是由許多段的“模組”組合起來的,以下是每組的化學結構:


它的內部構造像是條鏈條,因此伸縮性很好。與金屬相比,因為分子結構的不同,
金屬的分子排列結構像個許多個小方塊排成一個大正方形狀,是3D結構也是個穩定的結構,沒有伸縮性;
然而PET的鏈條排列不是個穩定的排法,鏈條與鏈條之間的排列是平面式的,連結力也比較弱,
所以塑膠比起金屬來容易延伸許多。

PET材質屬於非晶質結構,簡單來說,它有液體的結構但擁有固體外表,玻璃、美乃滋、PET都屬於這類型的。
當分子低於玻璃轉換溫度(Tg)後,分子鏈條會凍結導致硬化;
但如果溫度在Tg與溶點(Tm)之間,分子鏈條會解凍,柔軟度開始增加,
這就是為什麼通常吹冷瓶時需要把PET瓶胚溫度帶到這區域。


目前市場上的塑膠可分為兩大類:熱固性塑料與熱塑性塑料

熱固性塑料
在定型後不能再經過加熱軟化,這種塑料只可以成型一次,所以不能回收使用,例如環氧樹脂。

熱塑性塑料
加熱後軟化、冷卻時固化、可再度軟化等特性的塑料,為可回收的材料,例如:PET。


PET的結晶方法可分3大類:自然冷卻狀態結晶、延伸結晶、核子結晶

1. 自然冷卻狀態結晶(同質性結晶): 

PET在液體狀態時,分子鏈條是未整理性的,當它在冷卻時鏈條會開始整列與平行堆積,慢慢的形成球狀結晶體,
這個動作會在溫度降低於Tm(溶點)後開始,結晶速度會在180度時在最高點,之後會慢慢停止,
當溫度低於Tg後,結晶會停止,所有分子鏈條結構也會定型。
因為PET結構裡參雜了結晶體與非晶質,所以通稱半結晶體。



以下是結晶速度與分子在各溫度時的結構圖,主要目的於表達低於溶點時的結晶的形成與分子結構在低於玻璃狀態溫度後的凍結。



而結晶的PET看起來白白的是因為光在結晶體下的折射。


自然冷卻狀態結晶跟吹瓶機製造業有何關聯?

如果我們讓PET由液體慢慢的冷卻(自由冷卻)的話,它就會開始結晶,在固體狀也是呈現於結晶的狀態。
那我們用的PET瓶胚為什麼會是透明的呢?這跟急速冷卻有關係。
我們來看一下PET的分子結構在射出的過程中是會有怎們樣的反應。

第一步:射出
在這個階段,材料是在液體狀態,因為溫度高過於Tm,分子鏈條有太多熱能而也非常活躍,因此無法結晶,
所以在這個溫度PET的分子結構屬於非晶狀態。

第二步:急速冷卻
當料射完之後,PET瓶胚由283度C在很短的期間之內降溫低於80度C,
因為在分子沒有足夠的時間,來不及反應就達到玻璃狀態的溫度,
所以分子鏈條在固體的時候也是保留著透明的非晶體狀態。



而非晶體的PET瓶胚是透明的原因為光線可以透過非晶體的結構。



2. 延伸結晶

PET的結晶都是因為分子鏈條在降溫時開始排列而造成的,那是否可由外部影響讓它結晶呢?
答案是可以的,當外部受力把PET一直拉伸,它的分子鏈條也會被拉直,所以也算是一種結晶。

這種的延伸結晶通常是紡織業常看到的現象,PET也可以做成衣料,
它也是在液體的非晶狀態經過擠出與拉絲,讓分子鏈條結構強制排列而變成結晶體,
當PET被拉成絲時候,整條線本身就是一個結晶體。

吹瓶機製造業裡,我們的PET也是在吹瓶過程中經過延伸,但沒有延伸到這麼長,
所以瓶子還是透明狀態,一般來說,這種結晶方式不適合應用在塑料包裝上。


3. 核心結晶(異質性結晶)

這種結晶方式與球狀結晶不同,通常運用在熱瓶上,
基本上為純PET原料加上一些催化劑而形成一種混合式PET瓶胚,也就是我們常說的熱料或者是熱胚。
純種PET瓶胚在1800度C時結晶速度是最快的,但參雜催化劑的PET瓶胚在1100度C時就開始以催化劑核子為中心開始長出結晶體。

這種結晶與純PET結晶不太一樣,純PET結晶體是3D狀的球形體,在學術界裡是歸類在同質性結晶。
然而催化劑結晶體是2D平面式,結晶性質歸類在異質性結晶。


以上圖為例,瓶胚A無參雜催化劑,就算自由冷卻後而長的結晶體依然有限,
但添加催化劑後(瓶胚B)每個“雜質”都是可長結晶體的來源,所以在自由冷卻的過程中,會有比較多成長的機率。

所以我們在吹熱瓶時需要透過模溫機,讓熱油把模具加溫度到180-900度C,在吹瓶過程中讓催化劑的核子開始結晶。


把兩種結晶體成長溫度用下圖虛線圈圈表示:

催化劑有3種,分別為talc、sodium benzoate還有ionomer (Ion, Na+),其中sodium benzoate是最常用的。

PET瓶具有韌性佳,質量輕、不透氣、耐酸鹼等特點,為裝盛水、汽水、果汁、碳酸飲料等之常用容器。
但PET瓶的耐熱性低,所以不能裝盛高溫液體,也應避免放置在烈日下及無空調的車內等高溫環境。


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