چکیده

پلی اتیلن ترفتالات (PET) از پلیمریزاسیون تراکمی ترفتالیک اسید (PTA) با اتیلن گلایکول (EG) (روش گودیر) تولید می شود. امروزه استفاده از آنتیموان به عنوان کاتالیست صنعتی بواسطه ضایعات گلایگولی به جا مانده از فرآیند تولید و نیز احتمال سرطان زا بودن آنتیموان آزاد شده از محصولات، رو به کاهش است. کاتالیست هاي پایه تیتانیومی به علت بیشترین فعالیت کاتالیستی در این پلیمریزاسیون به عنوان جایگزین مناسب مورد توجه هستند. هدف این تحقیق تعیین اثر پارامتر هاي موثر بر سنتز PET با استفاده از کاتالیست تیتانیوم دي اکساید (TiO2) شامل غلظت کاتالیست و دما بود. در این بررسی فرمولاسیونی مناسب براي سنتز PET براساس نسبت مولی EG/PTA برابر با ۱/۷ با استفاده از کاتالیست TiO2 ارائه گردید. فرآیند سنتز در ابعاد آزمایشگاهی و با استفاده از سیستمی شامل راکتور، سیستمهاي سرد کننده، خلاء و سیستم کنترل الکترونیکی انجام گرفت.

آزمایش هاي متعددي براي بررسی تاثیر غلظت کاتالیست بر روي شرایط و سرعت پلیمریزاسیون انجام شد. براي مقایسه، با فرمولاسیون و شرایط سنتزي مشابه و با بهره گیري از کاتالیست آنتیموانی نمونه هایی تهیه گردید. در نهایت نتایج حاصل از اندازه گیري ویسکوزیته ذاتی بیانگر اثر مثبت کاتالیست تیتانیوم دي اکساید در افزایش ویسکوزیته ذاتی پلیمر سنتز شده بود که با نتایج پیش بینی شده مطابقت داشت. در حضور مقدار اضافه کاتالیست تیتانیوم دي اکساید، ویسکوزیته ذاتی به دست آمده براي PET افت پیدا کرد. از سوي دیگر ویسکوزیته ذاتی با افزایش دماي واکنش در محدوده اي بین Cْ۲۸۰-۲۹۵° افزایش یافت.

واژههاي کلیدي: پلی اتیلن ترفتالات، کاتالیست، تیتانیوم دي اکساید، پلیمریزاسیون، مدلسازي .

-۱ دانشجوي کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی پلیمر دانشگاه صنعتی امیرکبیر

-۲ دانشیار دانشکده مهندسی پلیمر دانشگاه صنعتی امیرکبیر

-۳ استاد دانشکده مهندسی پلیمر دانشگاه صنعتی امیرکبیر

-۴ دانشجوي کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی پلیمر دانشگاه صنعتی امیرکبیر

-۱ مقدمه

پلی اتیلن ترفتالات (PET) یکی از پر مصرف ترین پلیمرهایی است که به روش پلیمریزاسیون مرحله اي تولید می شود. پلی اتیلن ترفتالات پلی استري از اسید ترفتالیک و اتیلن گلایکول است. این پلیمر امروزه کاربرد وسیعی در صنایع مختلف مثل نساجی، ساخت الیاف با مقاومت بالا، ساخت نوارهاي سمعی بصري و بطریهاي نوشیدنی دارد.

اکسید آنتیموان همواره به عنوان یک کاتالیست برگزیده در سنتز PET مورد توجه بوده است. اما اخیرا ترکیبات شامل آنتیموان به علت ایجاد خطر براي سلامتی، موضوع بحث و بررسی قرار گرفته اند. باقیمانده گلایکول فرآیند سنتز PET از یک سو و خطر رها شدن ترکیبات آنتیموانی در برخی از محصولات نهایی PET، نظیر بسته بندي هاي مواد غذایی یا بطري هاي نوشیدنی از سوي دیگر، سلامت عمومی را در معرض خطر قرار می دهند. بنابراین تولید کنندگان PET هم اکنون برروي تولید کاتالیست مستعد دیگري نسبت به کاتالیست آنتیموانی متمرکز شده اند.[۱]
تحقیقات بسیاري به بررسی اثر کاتالیست هاي گوناگون براي واکنشهاي ترانس استریفیکاسیون و پلی کندانساسیون پرداخته اند. Tomita و همکاران در سال (۱۹۷۳) سرعت ترانس استریفیکاسیون دي متیل ترفتالات (DMT) با EG و اثر کاتالیست ها بر آن را مورد بررسی قرار دادند. آنها از غلظت هاي گوناگون استات روي و استات منگنز به عنوان کاتالیست استفاده نموده و مشاهده کردند مدت زمان مورد نیاز براي دستیابی به بیشترین میزان تبدیل با بهره گیري از سیستم کاتالیستی استات منگنز بسیار کمتر از سیستم کاتالیستی استات روي می باشد.[۲]
Shah و همکاران در سال (۱۹۸۴) اثر کاتالیست هاي مختلف فلزي را بر روي واکنش پلی کندانساسیون بیس -۱ هیدروکسی اتیل ترفتالات (BHET) مورد بررسی قرار دادند. آنها PET را با غلظت هاي متفاوتی از کاتالیست و زمان هاي مختلف واکنش پلیمریزه کرده و ویسکوزیته هاي ذاتی مواد حاصل را مقایسه نمودند. نتایج نشانگر افزایش فعالیت کاتالیست هاي پلی کندانساسیون به صورت Ti>Sn>Sb>Mn>Pb بودند.[۳]

MacDonald در سال((۲۰۰۲ چندین کاتالیست از جمله ژرمانیوم اکساید را به عنوان کاتالیست براي پلی کندانساسیون مورد بررسی قرار داد. هرچند که فعالیت این کاتالیست بیش از آنتیموان اکساید است ولیکن قیمت بالا، مانع استفاده از آن براي تولید تجاري PET می گردد.[۴]

Karayannidis و همکاران در سال (۲۰۰۳) اثر کاتالیست هاي گوناگون را در سنتز پلی تري متیلن ترفتالات (PTT) مورد بررسی قرار دادند. این گروه وزن مولکولی بالاي PTT را زمانی به دست آورد که کاتالیست تیتانیوم تترابوتوکساید (TBOT) به عنوان کاتالیست براي هر دو مرحله استریفیکاسیون و پلی کندانساسیون مورد استفاده قرار گرفت. هرچند که هنگام بکارگیري ترکیبات تیتانیومی براي تولید PET، محصول زرد رنگ می شود، ولیکن در مطالعه صورت گرفته توسط Shah، TBOT چنین اثري را براي پلیمر PTT نشان نداد. نتایج این بررسی در جدول (۱) قابل مشاهده است.[۵]
در حدود یک دهه پیش، Acordis یک کاتالیست دوستدار محیط و بی ضرر را با نام C-94 معرفی نمود. این کاتالیست مشتمل بر TiO2 و SiO2 با نسبت وزنی ۹:۱ می باشد. Acordis گزارش نمود که C-94 ، ۶ تا ۸ بار فعال تر از کاتالیست اکسید آنتیموان بوده وبراي تولید PET ، پلی بوتیلن ترفتالات (PBT) و PTT کارآمد و مناسب است. پس از ظهور C-94 چندین شرکت هم اکنون در حال توسعه سیستم کاتالیستی پایه تیتانیومی به عنوان راه حلی نسبت به کاتالیست آنتیموانی می باشند. کاتالیست هاي تجاري شده جدید در جدول (۲) قابل مشاهده هستند.[۶]