شیمی پلیمر - طبقه بندی و ساختار
پلی اتیلن فورانوات بدون ابهام به عنوان پلی استر طبقه بندی می شود، هم از نظر تعریف شیمیایی و هم بر اساس استانداردهای صنعتی. حلقه فوران ویژگی های خود را تغییر می دهد - اما نه هویت اساسی آن.
پاسخ مستقیم: بله، PEF از نظر شیمیایی به عنوان پلی استر طبقه بندی می شود
پلی اتیلن فورانوات بدون ابهام به عنوان پلی استر طبقه بندی می شود ، هم بر اساس تعریف شیمیایی و هم با استانداردهای صنعتی. به عنوان یک پلی استر واجد شرایط است زیرا از طریق یک واکنش پلیمریزاسیون تراکمی تشکیل می شود که پیوندهای استری تکرار شونده (-COO-) را در امتداد زنجیره پلیمری اصلی خود ایجاد می کند. این همان مکانیسم پیوند اساسی است که PET، PBT و هر عضو دیگری از خانواده پلی استر را تعریف می کند.
آنچه متمایز می کند PEF در این خانواده جزء دی اسیدی خاصی است که در سنتز آن استفاده می شود: به جای اسید ترفتالیک مشتق شده از نفت که در PET یافت می شود، PEF از اسید 2،5-فوراندیکربوکسیلیک ساخته شده است، مولکولی که می تواند از قندهای گیاهی تجدید پذیر تولید شود. این جایگزینی ساختار حلقه آروماتیک مانند PEF و خواص حاصل از آن را تغییر می دهد، اما هویت بنیادی آن را به عنوان یک پلی استر تغییر نمی دهد. درک این طبقهبندی برای هر کسی که در زمینه بستهبندی، تامین مواد یا توسعه پایدار محصول کار میکند، اهمیت دارد، زیرا روشن میکند که چگونه PEF با چارچوبهای نظارتی، بازیافت و تولید موجود که حول دسته وسیعتر پلیاستر ساخته شدهاند، تناسب دارد.
چه چیزی پلی استر را از نظر شیمیایی تعریف می کند
قبل از ارزیابی PEF به طور خاص، به درک اینکه چه چیزی هر پلیمر را به عنوان پلی استر واجد شرایط می کند کمک می کند. پلی استر با حضور گروه های عاملی استری تکرار شونده که از واکنش بین یک دیول (یک مولکول با دو گروه هیدروکسیل) و یک اسید دی کربوکسیلیک (یک مولکول با دو گروه کربوکسیل) تشکیل می شوند، تعریف می شود. این واکنش که استریفیکاسیون یا ترانس استریفیکاسیون نامیده می شود، آب یا متانول را به عنوان یک محصول جانبی آزاد می کند و واحدهای مونومر را به زنجیره های بلند به یکدیگر متصل می کند.
PEF
این تعریف صرفاً ساختاری است - نیازی نیست که دیول یا دی اسید از منبع خاصی تهیه شود و همچنین نیازی نیست که پلیمر مجموعه خاصی از خواص فیزیکی داشته باشد. تا زمانی که ستون فقرات دارای پیوندهای استری مکرر باشد، این ماده به عنوان پلی استر طبقه بندی می شود. به همین دلیل است که PEF، علیرغم اینکه از مواد اولیه متفاوتی نسبت به PET معمولی ساخته شده است، هنوز در دسته پلی استر قرار می گیرد.
دو بلوک ساختمانی PEF
PEF از دو مونومر اولیه سنتز می شود: اتیلن گلیکول، همان دیول مورد استفاده در تولید PET، و 2،5-فوراندیکربوکسیلیک اسید، که به عنوان جزء دی اسید عمل می کند. هنگامی که این دو مولکول تحت شرایط چند تراکمی واکنش نشان می دهند، پیوندهای استری تکرار شونده را تشکیل می دهند که از نظر نوع مشابه با آنچه در PET یافت می شود، وضعیت PEF را به عنوان یک پلی استر واقعی به جای یک کلاس پلیمری متفاوت تایید می کند.
پیوند استری امضای خانواده پلی استر است - و PEF آن امضا را به همان اندازه وفادارانه PET حمل می کند.
مقایسه ساختار مولکولی PEF با PET
واضح ترین راه برای تایید طبقه بندی پلی استر PEF، مقایسه معماری مولکولی آن به طور مستقیم با PET است، پلیمری که به طور جهانی به عنوان پلی استر شناخته می شود. هر دو مولکول دارای یک قطعه ستون فقرات اتیلن گلیکول هستند و هر دو حاوی پیوندهای استری هستند که واحدهای تکرار شونده را به هم متصل می کنند. تفاوت ساختاری اولیه در سیستم حلقه ای مشتق از اسید نهفته است: PET دارای یک حلقه بنزن شش عضوی از اسید ترفتالیک است، در حالی که PEF دارای یک حلقه فوران پنج عضوی از اسید فوراندی کربوکسیلیک است.
این جایگزینی حلقه، زوایای پیوند و توزیع الکترون را در مولکول تغییر میدهد، به همین دلیل است که PEF و PET در خواصی مانند عملکرد مانع و دمای انتقال شیشهای متفاوت هستند. با این حال، این جایگزینی در سطح جزء دی اسید رخ می دهد، نه در خود پیوند استری. از آنجایی که ویژگی تعیین کننده پلی استر پیوند استری است که واحدهای تکراری را به هم متصل می کند و این پیوند در هر دو PEF و PET کاملاً دست نخورده و از نظر شیمیایی یکسان باقی می ماند، طبقه بندی پلی استر PEF تحت تأثیر جایگزینی حلقه قرار نمی گیرد.
| ویژگی | PEF | PET |
|---|---|---|
| جزء دیول | اتیلن گلیکول | اتیلن گلیکول |
| جزء دی اسیدی | 2،5-فوراندی کربوکسیلیک اسید | اسید ترفتالیک |
| نوع انگشتر | انگشتر فوران پنج نفره | حلقه بنزن شش عضوی |
| نوع پیوند | باند استری | باند استری |
| کلاس پلیمر | پلی استر | پلی استر |
چگونه PEF سنتز می شود
تولید PEF از یک فرآیند پلی تراکم بسیار شبیه به تولید PET صنعتی پیروی می کند که موقعیت آن را در خانواده پلی استر تقویت می کند. این فرآیند به طور کلی در دو مرحله انجام می شود: استری و پلی تراکم.
- اتیلن گلیکول با 2،5-فوراندی کربوکسیلیک اسید (یا شکل دی متیل استر آن) تحت شرایط گرما و کاتالیزور واکنش می دهد تا یک حد واسط استر الیگومری تشکیل دهد و آب یا متانول را به عنوان محصول جانبی آزاد کند.
- ماده واسط تحت خلاء و دمای بالا چند متراکم می شود، گلیکول اضافی را از بین می برد و الیگومرها را به زنجیره های پلیمری بلند با وزن مولکولی بالا تبدیل می کند.
- پلیمر به دست آمده خنک می شود، گلوله می شود و می تواند از طریق پلیمریزاسیون حالت جامد برای افزایش وزن مولکولی برای کاربردهایی مانند رزین درجه بطری پردازش شود.
از آنجایی که این مسیر سنتز تقریباً مرحله به مرحله تولید PET را منعکس می کند، بسیاری از تولیدکنندگان PEF را به عنوان یک پلی استر سازگار با قطره می بینند که در اصل می تواند با استفاده از نسخه های اصلاح شده تجهیزات تولید PET موجود تولید شود، که پیامدهای قابل توجهی برای مقیاس بندی آن دارد. پلیمر زیستی تجاری
اطلاعات
از آنجایی که سنتز PEF بسیار نزدیک PET را منعکس می کند، خطوط تولید پلی استر موجود اغلب به جای تعویض کامل اصلاح می شوند.
صنعت و به رسمیت شناختن نظارتی PEF به عنوان پلی استر
فراتر از شیمی آزمایشگاهی، طبقه بندی PEF به عنوان پلی استر در نحوه بحث و طبقه بندی مواد در صنایع بسته بندی و علم مواد منعکس می شود. ادبیات تحقیق به طور مداوم به پلی اتیلن فورانوات به عنوان یک پلی استر، اغلب به طور مستقیم در کنار PET در مطالعات تطبیقی بررسی خواص مانع، مقاومت مکانیکی، و رفتار حرارتی. سازمانهای تجاری و انجمنهای بستهبندی که رزینهای پلیاستر را ردیابی میکنند نیز PEF را در گزارشها و نقشههای راه متمرکز بر پلیاستر گنجاندهاند، و آن را بهعنوان عضوی در حال ظهور از این دسته به جای یک کلاس مواد جداگانه در نظر میگیرند.
این شناخت ثابت عملاً اهمیت دارد زیرا طبقه بندی پلی استر بر نحوه تنظیم مواد برای استفاده در تماس با مواد غذایی، نحوه برچسب گذاری آن بر روی بسته بندی و چگونگی دسته بندی و پردازش آن توسط تجهیزات بازیافت تأثیر می گذارد. از آنجایی که PEF به عنوان یک پلی استر به جای یک نوع کاملاً جدید پلاستیکی شناخته می شود، مسیر نظارتی آن می تواند از چارچوب های ایمنی پلی استر و تماس با غذا استفاده کند، که می تواند زمان تایید را در مقایسه با معرفی یک دسته پلیمر کاملا جدید کوتاه کند.
چرا حلقه فوران طبقه بندی PEF را رد صلاحیت نمی کند؟
برخی سردرگمی ها در مورد طبقه بندی PEF از وجود حلقه فوران ناشی می شود، که یک ساختار هتروسیکلیک است که در پلی استرهای معطر سنتی مانند PET یافت نمی شود. منطقی است که بپرسیم آیا این حلقه نوع پلیمر اساسی PEF را تغییر می دهد، اما پاسخ منفی است. حلقه فوران از نظر ساختاری در همان موقعیتی است که حلقه بنزن در PET اشغال می کند - به عنوان بخشی از مونومر دی اسید - و پیوند استری را که ستون فقرات پلی استر را مشخص می کند، تغییر نمی دهد.
علم پلیمر طبقات پلیمری را بر اساس نوع پیوند اتصال واحدهای تکراری (استر، آمید، یورتان و غیره) متمایز می کند، نه بر اساس گروه های جانبی خاص یا سیستم های حلقه ای متصل به آن واحدها. نایلون بدون توجه به اینکه کدام نوع دی آمین یا دی اسید استفاده شده است پلی آمید باقی می ماند و پلی یورتان ها بدون توجه به تغییرات اجزای ایزوسیانات خود پلی یورتان می مانند. با همان منطق، PEF بدون توجه به اینکه مونومر دی اسید آن حاوی یک حلقه فوران یا یک حلقه بنزن است، پلی استر باقی می ماند.
مفاهیم عملی طبقه بندی پلی استر PEF
تأیید اینکه PEF یک پلی استر است پیامدهای عملی متعددی برای تولیدکنندگان، برندها و بازیافت کنندگانی که مواد را ارزیابی می کنند، دارد.
- زیرساختهای تولید پلیاستر موجود اغلب میتوانند برای تولید PEF تطبیق داده شوند و موانع سرمایهگذاری را در مقایسه با ساخت تأسیسات برای یک نوع پلیمر کاملاً جدید کاهش دهند.
- مقررات ایمنی و بسته بندی مواد غذایی که برای رزین های پلی استر ایجاد شده اند، چارچوب مرجعی را ارائه می دهند که تنظیم کننده ها می توانند به جای شروع از ابتدا، برای ارزیابی PEF گسترش دهند.
- سیستمهای طبقهبندی بازیافت که پلاستیکها را بر اساس نوع رزین دستهبندی میکنند، میتوانند به طور بالقوه PEF را در کنار سایر پلیاسترها ترکیب کنند، مشروط بر اینکه فناوری مرتبسازی بتواند آن را از PET در مقیاس متمایز کند.
- برندهایی که بستهبندی مبتنی بر PEF را بازاریابی میکنند، میتوانند بهجای نیاز به ابداع اصطلاحات جدید برای ارتباطات مصرفکننده، آن را بهعنوان یک ماده پلیاستر با اعتبار پایداری پیشرفته توصیف کنند.
هشدار
قبل از اینکه بازیافت ترکیبی در مقیاس بزرگ ایمن و موثر در نظر گرفته شود، فناوری مرتبسازی باید به طور قابل اعتمادی PEF را از PET متمایز کند.
تمایز طبقه بندی پلی استر از ادعاهای زیست تخریب پذیری
شایان ذکر است که یک نقطه سردرگمی رایج توضیح داده می شود: طبقه بندی شدن به عنوان پلی استر چیزی در مورد تجزیه زیستی یک ماده نمی گوید. PEF یک پلی استر است و مانند بسیاری از پلی استرها، برای تجزیه زیستی آسان در محیط های طبیعی طراحی نشده است. این آن را از موادی مانند PLA متمایز می کند، که علیرغم اینکه از نظر فنی پلی استر با تعریف دقیق شیمیایی است، به طور کلی به دلیل ستون فقرات آلیفاتیک و کمپوست پذیری صنعتی آن به طور جداگانه مورد بحث قرار می گیرد.
طبقه بندی پلی استر PEF در عوض به مدل پایان عمر مبتنی بر بازیافت اشاره می کند تا مدل مبتنی بر کمپوست. این با نحوه مدیریت PET، پرطرفدارترین پلی استر در جهان، مطابقت دارد. درک اینکه طبقه بندی و زیست تخریب پذیری سوالات جداگانه ای هستند به جلوگیری از فرضیات گمراه کننده در مورد چگونگی پلی اتیلن فورانوات محصول باید صرفاً دور انداخته شود زیرا به عنوان پایه زیستی توصیف شده است.
موفقیت
از آنجایی که PEF با مدل بازیافت پلی استر موجود مطابقت دارد، میتواند در سیستمهای دایرهای که قبلاً پیرامون PET ساخته شدهاند ادغام شود.
خطر
فرض اینکه یک ماده مبتنی بر زیست به طور خودکار قابل کمپوست باشد می تواند منجر به دفع نادرست و آلودگی جریان های بازیافت شود.
خلاصه: PEF به خوبی در خانواده پلی استر قرار می گیرد
هر معیاری که برای طبقه بندی پلیمر به عنوان پلی استر استفاده می شود مستقیماً در مورد PEF اعمال می شود. این از طریق پلیمریزاسیون تراکمی بین دیول و دی اسید تشکیل می شود، حاوی پیوندهای استری مکرر در امتداد ستون فقرات خود است و در ادبیات علمی و مستندات صنعتی به این شکل شناخته شده است. حلقه فوران معرفی شده توسط جزء دی اسیدی تجدید پذیر آن، خواص فیزیکی خود را تغییر می دهد، از جمله مقاومت سد و رفتار حرارتی، اما دسته شیمیایی اساسی خود را تغییر نمی دهد.
برای هر کسی که PEF را بهعنوان ماده بستهبندی، تصمیمگیری منبع یا ابتکار پایداری ارزیابی میکند، راه حل ساده است: PEF باید به عنوان یک پلی استر در نظر گرفته شود و تنظیم شود، با این درک که یک جایگزین با محتوای تجدیدپذیر برای PET معمولی ارائه میکند در حالی که همچنان در سیستمهای بازیافت و تولید ساخته شده با این کلاس بهخوبیتر دلار ساخته شده است.
