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Polyethylenterephthalat (PET): Eine kurze Einführung
PET ist ein weit verbreiteter Kunststoff, der uns vor allem in Form von PET-Flaschen und als Verpackungsmaterial für Lebensmittel begegnet. In diesem Artikel erfahren Sie, wie die NIR-Spektroskopie die Effizienz Ihrer PET-Analyse in verschiedenen Schritten des Produktionszyklus verbessern kann. Bevor wir uns damit beschäftigen, sollten wir einige Hintergrundinformationen über PET geben.
Polyethylenterephthalat (PET)
Polyethylenterephthalat (PET) ist ein universell einsetzbares thermoplastisches Polymer, das zur Familie der Polyester gehört. Polyesterharze sind bekannt für ihre hervorragende Kombination von Eigenschaften wie mechanische, thermische und chemische Beständigkeit sowie Formbeständigkeit.
PET ist einer der am häufigsten recycelten Thermoplaste und trägt die Zahl 1 als Recyclingsymbol. Recyceltes PET kann zu Fasern, Geweben, Folien für Verpackungen und zur Herstellung von Automobilteilen verarbeitet werden. PET ist in seinem natürlichen Zustand ein hochflexibles, farbloses und teilkristallines Harz. Je nachdem, wie es verarbeitet wird, kann es halbsteif bis steif sein. Es weist eine gute Beständigkeit gegen Stöße, Feuchtigkeit, Alkohole und Lösungsmittel auf.
Die chemische Formel von PET lautet (C10H8O4)n und seine Molekularstruktur ist in Abbildung 1 dargestellt.
Neben dem linearen PET gibt es auch eine verzweigte Version des Polymers. Verzweigtes PET wird in der Regel mit einem geringen Prozentsatz an Isophthalsäure (C8H₆O4) gemischt, da gereinigte Isophthalsäure (PIA, Abbildung 2) die Kristallinität von PET verringert, was zur Verbesserung seiner Klarheit und zur Steigerung der Produktivität der Flaschenherstellungsprozesse beiträgt.
Diethylenglykol (DEG) als Zusatzstoff verringert ebenfalls die Kristallisationsgeschwindigkeit von PET, wenn es isotherm und dynamisch aus der Schmelze kristallisiert.
Die wichtigsten Eigenschaften und Vorteile von PET-Harz sind zahlreich:
- sehr stabil und leicht, daher einfach und effizient zu transportieren
- hat gute Gas- (Sauerstoff, Kohlendioxid) und Feuchtigkeitsbarriereeigenschaften, d. h. geringe Gasdurchlässigkeit (insbesondere für CO2)
- weist hervorragende elektrische Isoliereigenschaften auf
- breiter Einsatztemperaturbereich (-60 bis 130 °C)
- hohe Wärmeformbeständigkeit (HDT)
- geeignet für transparente Anwendungszwecke
- praktisch bruchsicher – PET bricht oder zersplittert und wird in einigen Anwendungen als Ersatz für Glas verwendet
- recycelbares Material
- transparent für Mikrowellenstrahlung
- sehr beständig gegen Alkohole, aliphatische Kohlenwasserstoffe, Öle, Fette und verdünnte Säuren
- mäßig beständig gegen verdünnte Laugen, aromatische und halogenierte Kohlenwasserstoffe
- PET ist von der FDA, Health Canada, EFSA und anderen Gesundheitsbehörden als sicher für den Kontakt mit Lebensmitteln und Getränken zugelassen
Wozu wird Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt?
Polyethylenterephthalat wird für verschiedene Arten von Verpackungen verwendet, wie in Abbildung 3 dargestellt. Aufgrund seiner Festigkeit, seines geringen Gewichts und vieler anderer attraktiver Eigenschaften eignet sich PET hervorragend als Verpackungsmaterial für Lebensmittel.
Polyester macht fast zwei Drittel der hergestellten Kunstfasern aus. Es gibt viele verschiedene Arten von Polyester, aber der am häufigsten für die Verwendung in Textilien hergestellte Typ ist PET. Wenn es in einem Gewebe verwendet wird, wird es meist als "Polyester" oder "Poly" bezeichnet (Abbildung 4). Die Produktionskosten für dieses Material sind sehr gering, was der Hauptgrund für seine Verwendung in der Textilindustrie ist.
Etwa 60 % der weltweiten PET-Produktion wird für die Herstellung von Textilfasern verwendet, während etwa 30 % für die Herstellung von Flaschen für verschiedene Zwecke verwendet werden. Seine Recyclingfähigkeit ist für Hersteller, die Kosten sparen und umweltfreundlicher arbeiten wollen, besonders attraktiv.
In der Elektronikindustrie wird PET aufgrund seiner hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften und seiner Verformungsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen als Ersatz für weniger ideale Materialien gewählt. PET wird auch zur Herstellung vieler Teile in der Automobilindustrie verwendet (Abbildung 5).
NIRS als Instrument zur Bewertung der Qualität von PET
Seit über 30 Jahren ist die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) eine etablierte Methode zur schnellen und zuverlässigen Qualitätskontrolle in der PET-Industrie. Trotzdem ziehen viele Hersteller den Einsatz von NIRS in ihren QA/QC-Labors noch nicht konsequent in Betracht. Begrenzte Erfahrungen hinsichtlich der Anwendungsmöglichkeiten oder ein generelles Zögern bei der Einführung neuer Methoden sind einige der Gründe dafür.
Die Vorteile des Einsatzes der NIR-Spektroskopie für die QA/QC sind zahlreich. Ein großer Vorteil von NIRS ist die Bestimmung mehrerer Parameter in nur 30 Sekunden und ohne Probenvorbereitung! Die von der NIRS genutzte nicht-invasive Licht-Materie-Wechselwirkung, die sowohl von den physikalischen als auch von den chemischen Eigenschaften der Probe beeinflusst wird, macht die NIRS zu einer geeigneten Methode für die Bestimmung mehrerer kritischer Qualitätsparameter in diesen und vielen anderen Polymeren.
Im weiteren Verlauf dieses Artikels wird ein kurzer Überblick über PET-Anwendungen gegeben, gefolgt von den verfügbaren schlüsselfertigen Lösungen für PET, die gemäß den NIRS-Implementierungsrichtlinien der ASTM E1655 entwickelt wurden.
Ausführlichere Informationen über NIRS als Sekundärtechnik finden Sie in unseren früheren Blogbeiträgen zu diesem Thema.
NIR vs. IR - Was ist der Unterschied?
Wie lässt sich NIR im Labor integrieren?
Vorkalibrierungen der NIR-Spektroskopie: Sofortige Ergebnisse
Anwendungen und Parameter für PET mit NIRS
Bei der Herstellung von PET ist es wichtig, bestimmte Parameter zu überprüfen, um die Qualität zu gewährleisten. Zu diesen Parametern gehören der Diethylenglykolgehalt, der Isophthalsäuregehalt, die intrinsische Viskosität (ASTM D4603) und die Säurezahl (AN). Die Bestimmung dieser Parameter ist aufgrund der begrenzten Löslichkeit der Probe und der Notwendigkeit, verschiedene Analysemethoden anzuwenden, ein langwieriger und schwieriger Prozess.
Die wichtigsten Anwendungen für die NIRS-Analyse von PET sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1. Verfügbare Application Notes für die Verwendung von NIRS für PET
| Polymer | Parameter | Verwandte NIRS Application Notes |
|---|---|---|
| Polyethylenterephthalat (PET) | Diethylenglykol, intrinsische Viskosität, Säurezahl, Isophthalsäure | AN-NIR-023 |
Wo kann NIRS im Produktionsprozess von PET eingesetzt werden?
Abbildung 6 zeigt die einzelnen Produktionsschritte vom Kunststoffhersteller über den Kunststoffcompounder und den Kunststoffverarbeiter bis hin zum Kunststoffteilehersteller. Der erste Schritt, bei dem Nahinfrarot-Laborgeräte eingesetzt werden können, ist die Herstellung reiner Polymere wie PET, deren Reinheit bestätigt werden muss. NIRS ist auch eine sehr nützliche Technik für den nächsten Schritt, wenn Polymere zu Zwischenprodukten für die weitere Verarbeitung zusammengesetzt werden.
Einfache Implementierung der NIR-Spektroskopie für Kunststoffhersteller
Metrohm verfügt über umfassende Expertise in der Analyse von PET und bietet mit dem DS2500 Polymer Analyzer (Abbildung 7) eine schlüsselfertige Lösung an. Dieses Gerät ist eine gebrauchsfertige Lösung zur Bestimmung mehrerer Qualitätsparameter in PET.
Anwendungsbeispiel: Verfügbare Vorkalibrierungen für die PET-Industrie auf dem DS2500 Polymer Analyzer
Aufgrund der begrenzten Löslichkeit von Polyethylenterephthalat und der Notwendigkeit, mehrere verschiedene Analysemethoden anzuwenden, ist die Bestimmung der in Tabelle 2 aufgeführten Parameter mit herkömmlichen Labortechniken ein langwieriger und schwieriger Prozess.
| Parameter | Primäre Methode | Zeit bis zum Ergebnis (primäre Methode) | NIRS-Vorteile |
| Gehalt an Diethylenglykol | Extraktion + HPLC-MS |
45 Min. Vorbereitung + 40 Min. HPLC-MS |
Alle vier Parameter werden innerhalb einer Minute gleichzeitig gemessen, ohne dass eine Probenvorbereitung oder chemische Reagenzien erforderlich sind. |
| Gehalt an Isophthalsäure | Auflösen + HPLC | 45 Min. Vorbereitung + 40 Min. HPLC | |
| Intrinsische Viskosität | Auflösen + Viskosimeter | 90 Min. Vorbereitung + 1 Min. Viskosimeter | |
| Säurezahl | Auflösen + Titration | 90 Min. Vorbereitung + 10 Min. Titrator |
Die für PET erstellten NIRS-Vorhersagemodelle basieren auf einer großen Sammlung echter Produktspektren und wurden in Übereinstimmung mit der ASTM E1655 Standardpraktiken für multivariate quantitative Infrarotanalyse entwickelt. Ausführlichere Informationen zu diesem Thema finden Sie im kostenlosen White Paper.
White Paper: Nahinfrarotspektroskopie: Quantitative Analyse nach ASTM E1655
Um mehr über Vorkalibrierungen für PET zu erfahren, laden Sie unseren Prospekt herunter. Und besuchen Sie unsere spezielle Webseite.
Das Ergebnis dieser schlüsselfertigen Lösung zur schnellen zerstörungsfreien Bestimmung der in Tabelle 2 aufgeführten wichtigsten Qualitätsparameter für PET ist in Abbildung 8 dargestellt.
Diese Lösung demonstriert die Machbarkeit der NIR-Spektroskopie für die Analyse mehrerer Parameter in PET in weniger als einer Minute ohne Probenvorbereitung oder Verwendung chemischer Reagenzien. Erfahren Sie mehr über das Verfahren in unserer kostenlosen Application Note:
Weitere Teile dieser Serie
Dieser Artikel gibt einen detaillierten Überblick über den Einsatz der NIR-Spektroskopie als ideales QC-Tool für die Analyse von Polyethylenterephthalat (PET). Weitere Teile dieser Serie sind folgenden Themen gewidmet:
Überblick über NIRS in der Polymerproduktion
