PBT 和 PET 聚酯：结晶度不同

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为了正确理解 PET 和 PBT 之间的性能差异，我们需要比较苹果和苹果——每种聚合物的半结晶形式。
上个月（2012 年 9 月），我们分析了缩醛聚合物家族中不同化学成分之间的异同。本月，我们将开始对不同的市售聚酯（称为PBT 和 PET）进行类似的比较。许多年前，在为一家定制注塑机工作时，我与我们的一位客户密切合作，将一系列部件从 30% 的玻璃纤维增​​强 PBT 转换为具有相同填充量的 PET。它作为材料在加工和性能水平上差异的实际应用。

从根本上说，PET 和 PBT 的化学性质非常相似。聚酯是通过有机酸（在这种情况下为对苯二甲酸）与醇反应合成的。在 PBT 的情况下，醇通常被称为丁二醇，而在 PET 中，它是乙二醇。因此，所得聚合物称为聚对苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。
通过检查构成聚合物链的重复单元的化学结构，可以最好地了解材料的差异，如图 1 所示。使材料与众不同的基本特征是酯基，该基团因此得名的材料。其他聚合物如 PTT 和 PCT 也是该化学家族的成员，它们在这些结构上表现出轻微的变化。

这种材料化学的另一个关键特征是在骨架中定期出现的六边环。该元素称为苯环或更一般地称为芳环，为聚合物链提供刚度。这会影响几个重要的特性，包括玻璃化转变温度，在这个温度范围内，聚合物会失去很大一部分的承载特性。

从根本上说，PET 和 PBT 的化学性质非常相似。

从化学结构的二维渲染中看不到这一点，但 3D 视图会显示，虽然聚合物链中的许多化学基团会投射到页面中或投射出页面，但芳环位于平面中。它还限制了链中其他组旋转和振动的自然趋势。这是这种环形结构的硬化效果的一部分。环的流动性降低和庞大的性质也影响聚合物在冷却时结晶的能力。PBT 具有更大的芳环间距，比 PET 更有效地结晶。但是，如果 PET 成功结晶，它可以提供更好的机械性能，包括强度、刚度和高温下的性能。

大多数消费者都熟悉装瓶装水或软饮料的容器中的 PET。这种类型的 PET 是无定形的，旨在防止结晶。如果瓶级 PET 确实结晶，它会变得浑浊，更重要的是，它会失去抗冲击性。因此，虽然汽车引擎盖下可能有很多采用结晶 PET 聚酯模制而成的部件，但它们会遇到高温和腐蚀性化学环境；世界上绝大多数 PET 用于包装，它是无定形的、未增强的，无法应对如此严苛的环境。

我们将在本文的第 2 部分中讨论的 PET 类型是半结晶的，几乎总是含有高含量的玻璃纤维和/或矿物填料。然而，PBT 聚酯可以填充和未填充的半结晶形式提供。事实上，由于 PBT 的结晶速度比 PET 快，因此在正常加工条件下不可能生产出非晶态的 PBT 部件。聚合物足够有效地结晶以始终在其结构中实现某种程度的组织。酯基和芳环的刚度由丁烯基的柔韧性和流动性平衡。但在 PET 中，较短的亚乙基基团使得结晶度是可选的。如果我们快速冷却它，我们可以得到无定形 PET，如果我们缓慢冷却它，我们可以得到半结晶 PET。

大多数 PET 瓶最初都是注塑成型的瓶坯。它们透明且坚韧且壁相对较厚，以允许在将预成型件重新加热并拉伸以形成瓶子时壁将经受的变薄效果。如果您曾在瓶子制造厂工作过，您就会知道，如果在预热循环期间，瓶坯变得太热，它们就会变得浑浊——这是结晶的迹象。（事实上​​，如果您仔细观察预成型件的浇口区域，您会看到该区域有少量雾度，这是由于部件的该区域产生的额外热量所致）。
如果你试图用这种混浊的、部分结晶的材料吹瓶，它会降低冲击性能。如果结晶度足够高，预成型件甚至可能在吹制过程中破碎。所以诀窍是将材料保持在其玻璃化转变温度以上，但低于其结晶温度。这个温度窗口可能不是很宽，如图 2 所示。

该图显示了无定形 PET 聚酯的行为，这是一种未填充的透明材料，用于制造需要韧性和透明度但不需要承受高温的部件。当材料从室温加热时，第一个值得注意的事件是玻璃化转变。这表现为材料热含量的阶跃变化，在该化合物中，该过程在 75 C (167 F) 时完成。在这一点上，材料已经失去了在室温下所拥有的刚性，变得柔软而柔韧。随着温度的升高，软化聚合物的粘度会降低，直到达到接近 110 C (230 F) 的温度。这是扫描基线开始迅速上升的温度，75°C 和 110°C 之间的间隙代表了吹瓶的机会窗口。

我访问过的大多数 PET 瓶厂的预热温度都接近 100 C (212 F)。一旦结晶过程开始，材料开始变浑浊。它还将开始恢复在经历玻璃化转变时失去的一些刚度。如果这个过程进行得足够远，聚合物会在大约 140 C (284 F) 时结晶。此时，材料将不透明且易碎，并将一直保持这种状态，直到晶体结构在约 245 C (473 F) 时熔化。因此，PET 可以采用任何一种方式——无定形或半结晶——取决于我们如何处理它。

但在正常商业环境下，PBT 始终是半结晶的。因此，为了正确理解 PET 和 PBT 之间的性能差异，我们需要将苹果与苹果进行比较——每种聚合物的半结晶形式。由于 PET 结晶非常缓慢，因此生产具有半结晶结构的部件需要借助称为成核剂的化学物质，以及填充剂和增强剂的固体颗粒的存在。因此，商业半结晶 PET 聚酯总是以填充或增强形式出售，为了公平比较 PET 与 PBT 的性能，我们因此需要将材料与相同类型填料的同等水平进行比较。我们将在本调查的第 2 部分中进行此操作，并讨论成型商在使用这两个聚合物系列时会遇到的加工差异。

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廖@@

学习了，谢谢分享、、、

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相当不错，感谢无私分享精神！

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