Regenerácia a príprava odpadových PET fólií: súčasný stav, technológie a perspektívy (1)

S prudkým rozvojom elektronického priemyslu zohrávajú polyetyléntereftalátové (PET) fólie nenahraditeľnú úlohu pri výrobe mnohých elektronických produktov vďaka svojej vynikajúcej izolácii, vysokej priehľadnosti, dobrým mechanickým vlastnostiam a chemickej stabilite. Medzi tieto aplikácie patria viacvrstvové keramické kondenzátory (MLCC), flexibilné dosky plošných spojov, displeje z tekutých kryštálov a ďalšie. S rýchlym rozmachom elektronického priemyslu však produkcia odpadových PET fólií zo dňa na deň rastie. Ak sa tieto odpadové fólie správne nezlikvidujú, spôsobia nielen obrovské plytvanie zdrojmi, ale predstavujú aj veľkú záťaž pre životné prostredie. Preto má dosiahnutie efektívnej regenerácie a prípravy odpadových PET fólií v elektronickom priemysle ďalekosiahly a významný význam pre podporu trvalo udržateľného rozvoja elektronického priemyslu, zmiernenie tlaku na zdroje a zníženie znečistenia životného prostredia.

Zdroje a charakteristiky odpadových PET fólií v elektronickom priemysle

Rôznorodé zdroje

V elektronickom priemysle pochádzajú odpadové PET fólie zo širokej škály zdrojov:

      Výroba MLCC: PET fólie sa používajú na výrobu dielektrických fólií, pričom po výrobe vzniká značné množstvo orezov hrán a vyradeného materiálu.

• Výroba flexibilných dosiek plošných spojov: PET fólie ako substrátový materiál produkujú odpad v dôsledku procesov rezania, procesných chýb alebo iných nedokonalostí.

• Výroba displejov z tekutých kryštálov (LCD): PET fólie sa používajú v súčiastkach, ako sú polarizačné a difúzne fólie, pričom chybné výrobky a odrezky počas výroby prispievajú k hromadeniu odpadu.

• 
  

Komplexné a jedinečné vlastnosti

V porovnaní s bežnými PET fóliami vykazujú odpadové PET fólie v elektronickom priemysle odlišné vlastnosti:

       Vystavenie rôznym chemikáliám a špeciálnym spracovateľským technikám v elektronickej výrobe môže viesť ku kontaminácii kovovými nečistotami, organickými znečisťujúcimi látkami a zosieťovanými štruktúrami rôzneho stupňa.

• Napríklad PET odpad z výroby MLCC môže priľnúť k časticiam oxidov kovov v dôsledku kontaktu s keramickými suspenziami.

• PET odpad z flexibilných dosiek plošných spojov môže obsahovať organické látky, ako sú zvyšky fotorezistu z litografie a leptania.

Tieto komplexné vlastnosti predstavujú značné výzvy pre regeneráciu a prípravu odpadových PET fólií.

Technológie regenerácie a prípravy odpadových PET fólií

Technológie fyzickej recyklácie

Čistenie a drvenie

      Cieľom čistiaceho procesu je odstrániť povrchový prach, olejové škvrny a iné rozpustné nečistoty z odpadových PET fólií. Medzi bežné metódy patrí alkalické čistenie, kyselinové čistenie a čistenie organickými rozpúšťadlami:

• Alkalické pranie účinne odstraňuje olejové škvrny.

• Kyselé premývanie rozpúšťa čiastočné kovové nečistoty.

• Čistenie organickými rozpúšťadlami je dôležité na odstránenie organických znečisťujúcich látok.

Drvenie zahŕňa rozbitie vyčistených PET fólií na fragmenty špecifických veľkostí pomocou drvičov, čo uľahčuje následné spracovanie. V praxi musí byť výber čistiacich činidiel a drviacich zariadení prispôsobený stupňu kontaminácie a vlastnostiam odpadových fólií, aby sa zabezpečilo dôkladné čistenie a jednotná veľkosť častíc.

Extrúzia taveniny

      Rozdrvené PET fragmenty sa zahrievajú nad bod topenia (zvyčajne 250 – 260 °C) za vzniku taveniny, ktorá sa potom extruduje extrudérom, po čom nasleduje ochladenie a peletizácia za vzniku regenerovaných PET peliet.

      Na zlepšenie vlastností regenerovaného PET sa často pridávajú prísady, ako sú zmäkčovadlá a antioxidanty. Napríklad zmäkčovadlá zvyšujú flexibilitu, zatiaľ čo antioxidanty zvyšujú tepelnú stabilitu.

      Počas tohto procesu však môže dôjsť k degradácii molekulárneho reťazca PET, čo znižuje výkonnosť produktu. Na minimalizáciu degradácie je nevyhnutná prísna kontrola teploty, času spracovania a rýchlosti otáčania závitovky.

Polykondenzácia v tuhom skupenstve (SSP)

      SSP je kľúčovou metódou na zvýšenie molekulovej hmotnosti a výkonu regenerovaného PET. Regenerované PET pelety sa tepelne spracovávajú pri teplotách pod bodom topenia (zvyčajne 200 – 220 °C) v atmosfére inertného plynu.

      Prostredníctvom SSP polykondenzačné reakcie medzi molekulárnymi reťazcami PET zvyšujú molekulovú hmotnosť, čím sa zlepšuje pevnosť a tepelná odolnosť regenerovaného PET.

• Medzi výzvy patrí dlhý čas spracovania a prísne požiadavky na vzduchotesnosť zariadení a presnosť regulácie teploty.

Technológie chemickej recyklácie

Alkoholóza

      Alkoholýza zahŕňa reakciu odpadových PET fólií s alkoholmi (napr. etylénglykolom, propylénglykolom) pod katalyzátorom, čím sa PET rozloží na monoméry alebo oligoméry, ako je bis(2-hydroxyetyl)tereftalát (BHET).

      Vezmime si ako príklad alkoholýzu etylénglykolu: reakčná teplota sa reguluje na 180 – 220 °C pomocou katalyzátorov, ako je octan zinočnatý alebo tetrabutyltitanát. Po reakcii sa BHET oddelí filtráciou a destiláciou a potom sa rafinuje na resyntézu PET.

      Táto metóda účinne odstraňuje nečistoty, čím sa získajú vysoko čisté regenerované materiály, ale vyžaduje si drsné reakčné podmienky a zariadenia odolné voči korózii.

Hydrolýza

      Hydrolýza rozkladá odpadové PET fólie na kyselinu tereftalovú (PTA) a etylénglykol pomocou vody za vysokej teploty a tlaku, pričom sa hydrolýza delí na kyslú, alkalickú a neutrálnu:

• Kyslá hydrolýza: Používa silné kyseliny (napr. kyselinu sírovú, kyselinu chlorovodíkovú) ako katalyzátory, vyznačuje sa rýchlymi reakčnými rýchlosťami, ale silnou koróziou zariadenia.

• Alkalická hydrolýza: Používa silné zásady (napr. hydroxid sodný, hydroxid draselný) s jednoduchým oddelením produktu, ale vyžaduje si následnú neutralizáciu.

• Neutrálna hydrolýza: Funguje pri vysokej teplote/tlaku bez kyslých/zásaditých katalyzátorov, je šetrná k životnému prostrediu, ale vyžaduje prísnejšie podmienky a vyššie investície do zariadenia.

• Hydrolýza úplne rozkladá PET, pričom produkty sú priamo použiteľné na syntézu PET, ale trpí vysokou spotrebou energie a zložitými separačnými/čistiacimi procesmi.

Pyrolýza

      Pyrolýza zahrieva odpadové PET fólie na vysoké teploty (400 – 600 °C) v prostredí bez kyslíka alebo s nedostatkom kyslíka, čo spôsobuje tepelný rozklad na malé molekuly, ako sú aromatické zlúčeniny (benzén, toluén, xylén) a olefíny/alkány.

      Produkty pyrolýzy sa môžu využiť ako chemické suroviny, čo umožňuje energeticky orientovanú recykláciu odpadových PET fólií. Komplexná zmes produktov však predstavuje výzvy na separáciu/čistenie a škodlivé plyny môžu vyžadovať kompletný systém čistenia zvyškových plynov.

Prieskum nových recyklačných technológií

Elektrokatalytická recyklácia

      V posledných rokoch sa objavila elektrokatalytická recyklácia. Napríklad výskumný tím pod vedením profesora Zhao Yixina zo Šanghajskej univerzity Jiao Tong použil elektrokatalytickú technológiu na selektívnu premenu etylénglykolu v PET hydrolyzáte na kyselinu mravčiu pri izbovej teplote a tlaku, pričom na katóde súčasne produkoval vodík.

      Táto technológia využíva obnoviteľnú elektrinu ako energetický vstup a poskytuje novú cestu pre premenu zdrojov z odpadových PET fólií. Účinnosť a selektivitu možno zlepšiť optimalizáciou materiálov elektród a reakčných podmienok.

      V súčasnosti zostáva elektrokatalytická recyklácia vo fáze laboratórneho výskumu s technickými výzvami pre industrializáciu, ako je stabilita elektród a návrh rozsiahlych systémov.

Kombinácia biodegradácie a syntézy

      Niektoré mikroorganizmy vylučujú enzýmy, ktoré degradujú PET. Pomocou týchto mikroorganizmov alebo ich enzýmov sa odpadové PET fólie rozkladajú na malé molekuly, ktoré sa potom biosyntetizujú na PET alebo iné biomasystémy.

      Tento prístup ponúka výhody, ako je šetrnosť k životnému prostrediu a mierne reakčné podmienky, ale trpí pomalou rýchlosťou biodegradácie a zložitou reguláciou biosyntézy. Stále je v štádiu prieskumu, čo si vyžaduje hĺbkové štúdie mikrobiálnych metabolických mechanizmov a optimalizácie procesu biosyntézy.

Aplikácie regenerovaného PET v elektronickom priemysle

Nahradenie čiastočne panenských materiálov

      Po sérii spracovaní sa vlastnosti regenerovaného PET výrazne zlepšia, čo mu umožňuje do určitej miery nahradiť panenské PET materiály v elektronickom priemysle. Regenerovaný PET sa široko používa v elektronických súčiastkach s relatívne nízkymi požiadavkami na výkon, ako sú bežné elektronické obalové materiály a kryty niektorých elektronických zariadení.

      Napríklad baliace krabice určitých elektronických výrobkov vyrobené z regenerovaného PET nielen znižujú náklady, ale aj závislosť od panenských zdrojov.

      Pri výrobe krytov elektronických zariadení umožňuje pridanie vhodných výstužných materiálov a prísad regenerovanému PET splniť požiadavky na pevnosť a tepelnú odolnosť, čím sa dosahuje ekologická výroba krytov.

Rozšírenie do nových oblastí použitia

       Vďaka neustálemu zlepšovaniu a inováciám vlastností regenerovaného PET sa postupne rozširuje jeho rozsah použitia v elektronickom priemysle. V rozvíjajúcich sa elektronických oblastiach, ako sú nositeľné zariadenia a flexibilné elektronické zariadenia, sa očakáva, že regenerovaný PET sa stane dôležitým základným materiálom vďaka svojej vynikajúcej flexibilite a spracovateľnosti.

     Napríklad v súčiastkach nositeľných zariadení, ako sú flexibilné substráty dosiek plošných spojov a ochranné fólie pre displeje, môžu regenerované PET materiály využiť svoje výhody na dosiahnutie vývoja ľahkých a udržateľných produktov.

      Medzitým, v elektronických zariadeniach vyžadujúcich elektromagnetické tienenie, modifikácia regenerovaného PET špeciálnymi úpravami (napr. pridaním vodivých plnív) môže vytvoriť materiály s funkciami elektromagnetického tienenia, čím sa rozšíri rozsah použitia regenerovaného PET.