Tereftalato de polietileno (PET): procesamiento, reciclaje y futuro

¿Qué es el tereftalato de polietileno (PET)?

El tereftalato de polietileno, comúnmente conocido como PET, es un tipo de plástico que pertenece a la familia de los poliésteres. El PET ha emergido como un pilar en la industria del plástico y es esencial en diversas aplicaciones gracias a su versatilidad, durabilidad y reciclabilidad, cuestión que en los últimos tiempos ha ganado importancia por los requerimientos de la economía circular.

Como polímero termoplástico, sus propiedades físicas y químicas lo hacen adaptable a una amplia gama de aplicaciones. Además, se procesa mediante diversas técnicas en las que la eficiencia energética y la sostenibilidad son fundamentales.

Historia del PET: innovación química y evolución en aplicaciones

En los albores de la química de polímeros, el equipo de Carothers en DuPont sentó las bases para el desarrollo del polietilentereftalato, conocido como PET. Este avance, surgido en la década de 1930, marcó un hito al incorporar el ácido tereftálico, un ácido orgánico con un anillo aromático, en lugar de los ácidos alifáticos utilizados previamente. Este cambio no solo mejoró el rendimiento del polímero, sino que también elevó su punto de fusión, aproximándolo al del nailon 66.

La introducción del ácido tereftálico en la estructura del PET trajo consigo una serie de ventajas y desventajas. Aunque el punto de fusión se vio ligeramente reducido en comparación con el nailon 66, la temperatura de transición vítrea aumentó en 20 °C (36 °F). Además, la estructura aromática minimizó la higroscopicidad, en comparación con el nailon, y redujo la susceptibilidad a la degradación hidrolítica, crucial en aplicaciones como la producción de fibras para ropa.

En 1946, DuPont adquirió los derechos del PET y, en 1950, lanzó su propio producto bajo el nombre comercial de Dacron. Este polímero encontró aplicaciones diversas, desde fibras textiles hasta películas delgadas como el Mylar y la oferta comercial Kodel de Eastman Chemical en 1958.

Durante las décadas de 1950 y 1960, el PET se consolidó como una fibra sintética líder, impulsada por su comodidad en comparación con fibras naturales como el algodón y la lana; sin embargo, su asociación con las tendencias sociales de la época llevó a una disminución de su popularidad posteriormente.

A pesar de la pérdida de cuota de mercado en fibras y tejidos, el PET encontró una nueva vía en la década de 1970 como material para botellas de agua y bebidas carbonatadas. Nathaniel Wyeth, ingeniero de DuPont, patentó en 1973 la tecnología para moldear botellas de PET. Aunque DuPont no pudo capitalizar plenamente esta invención, competidores como Goodyear y Eastman suplieron la demanda del mercado emergente.

A pesar de su éxito en aplicaciones amorfas, el PET enfrentó desafíos en el moldeo por inyección debido a su lenta cristalización. Mientras que el nailon ganaba terreno en las décadas de 1950 a 1970 en esta área, el PET se mantenía en fibras y películas, donde la cristalización podía ser controlada.

En 1978, se identificó un fenómeno crucial: el envejecimiento físico en el PET amorfo, explicado por el colapso de cadenas poliméricas. Este proceso, afectado por la temperatura, influyó en la resistencia y rigidez, pero disminuyó la ductilidad con el tiempo. La necesidad de controlar este envejecimiento llevó a cuidadosos procesos de producción y manejo.

Hoy, el PET amorfo domina el consumo de resina de PET, alimentando la producción masiva de botellas. Aunque el envejecimiento físico sigue siendo un desafío, los avances en la tecnología de nucleación y la introducción de nuevos productos han mitigado algunos de estos problemas.

Propiedades detalladas del PET: más allá del envase y la fibra

El PET se compone de unidades polimerizadas del monómero tereftalato de etileno, cuya fórmula química es (C10H8O4). Este polímero, que presenta una estructura repetitiva sólida, rígida y dimensionalmente estable, se identifica fácilmente por el código de identificación de resina (RIC) número "1". Este código, marcado en envases, indica su alta reciclabilidad.

El PET exhibe propiedades mecánicas excepcionales, siendo reconocido por su dureza, rigidez y fuerza. Estas características lo convierten en una elección ideal para aplicaciones que requieren resistencia al desgaste, a impactos y a la rotura.

Además, actúa como un eficaz aislante de gases y corrosión, demostrando una resistencia química notable frente a disolventes y aceites sin comprometer el producto. El PET es esterilizable mediante técnicas como la irradiación gamma y el óxido de etileno.

En términos físicos, el PET tiene una densidad sólida de 1350 kg/m³ a condiciones estándar de presión y temperatura (STP). Su resistencia a la tracción alcanza los 150 MPa, con un límite de elasticidad de 40 MPa. El módulo de elasticidad de Young se sitúa en 9 GPa. La dureza Brinell es de 20 BHN, y su punto de fusión se eleva a 267 °C. La conductividad térmica se establece en 0,3 W/mK, y la capacidad calorífica es de 1250 J/g K.

De otro lado, el PET se clasifica según la viscosidad intrínseca, directamente proporcional a su peso molecular. Las modificaciones poliméricas también desempeñan un papel crucial, reduciendo la velocidad de cristalización y disminuyendo el punto de fusión. Este enfoque de clasificación refleja la complejidad molecular del PET y su adaptabilidad a diversas aplicaciones.

Producción industrial del PET

La producción del PET es un proceso técnico y preciso que involucra varias etapas que inician con la elección entre el TPA (ácido tereftálico) o el DMT (dimetiltereftalato).

A través de la esterificación con glicol etilénico, se obtiene el monómero Bis-beta-hidroxi-etil-tereftalato, que luego se polimeriza en PET mediante policondensación.

Este proceso involucra reacciones de esterificación y policondensación, control de viscosidad, detención de la reacción, cristalización y polimerización en estado sólido. La calidad del PET resultante se mide en términos de viscosidad, cristalinidad y peso molecular.

Para el desarrollo del proceso de producción del PET deben seguirse 5 pasos:

1. Elección de la materia prima: el proceso de producción del PET comienza con la elección entre dos productos intermedios: TPA (ácido tereftálico) o DMT (dimetiltereftalato). A través de la esterificación con glicol etilénico, se obtiene el monómero Bis-beta-hidroxi-etil-tereftalato, que posteriormente se polimeriza en PET mediante policondensación.
2. Reacciones de esterificación y policondensación: durante la esterificación, ya sea con TPA o DMT, se elimina agua o metanol respectivamente. La policondensación, facilitada por catalizadores y altas temperaturas (más de 270°C), crea cadenas largas de polímero. El vacío aplicado en la autoclave favorece la eliminación del glicol etilénico, que se recupera y recicla en el proceso.
3. Control de viscosidad y detención de la reacción: la viscosidad del polímero se monitorea con un reómetro. Cuando alcanza la viscosidad deseada, se introduce nitrógeno en la autoclave, se rompe el vacío y se detiene la reacción para evitar la oxidación. La masa fundida se fuerza a pasar a través de una matriz, creando hilos que al enfriarse y consolidarse en agua se transforman en gránulos mediante un proceso de corte.
4. Cristalización: los gránulos resultantes son amorfos y transparentes. Para hacerlos aptos para la producción de botellas, se lleva a cabo la cristalización. Este proceso térmico, a 130-160°C durante 10 minutos a una hora, transforma la estructura amorfa en cristalina, otorgándole al PET una coloración blanca lechosa y una densidad de 1.4 g/cm3.
5. Polimerización en estado sólido o pospolimerización: los gránulos cristalizados se cargan en un reactor cilíndrico. Se someten a un flujo de gas inerte (nitrógeno) a temperaturas elevadas (alrededor de 200°C) durante períodos prolongados. Este proceso incrementa el peso molecular de la resina hasta valores ideales para la fabricación de botellas (I.V. 0.72-0.86). Durante esta etapa, se reduce parte del acetaldehído formado en la primera polimerización. El resultado es PET con una elevada cristalinidad (>50%) y viscosidad grado botella. Este polímero de alta calidad se descarga del reactor, listo para su uso en la producción final de envases y productos plásticos diversos.

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Métodos de procesamiento del PET

Como ya mencionamos, las propiedades del PET, como su resistencia térmica y barrera química, lo hacen adecuado para diversas aplicaciones en sectores como el empaque y la facilidad para su posterior reciclaje.

Así, el PET es utilizado extensivamente para la fabricación de botellas, envases alimentarios, textiles y otros productos y un gran número de innovaciones tecnológicas continúan expandiendo sus aplicaciones. Existen variantes modificadas para necesidades específicas. Cada variante tiene propiedades distintivas que influyen en sus aplicaciones.

Extrusión de PET

Uno de los métodos utilizados para transformar la resina de PET es la extrusión, proceso mediante el cual el material se funde y se extruye a través de una boquilla para formar filamentos continuos. Este proceso es crucial para dar forma a los productos intermedios, como láminas y fibras, que servirán como componentes esenciales en la fabricación de diversos artículos.

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Moldeo por inyección de PET

Otro método común para transformar el PET en productos finales es el moldeo por inyección. En este paso, la resina fundida se inyecta en moldes tridimensionales, donde se enfría y solidifica, adquiriendo la forma deseada. Este método es ampliamente utilizado para la fabricación de envases, botellas y otros productos de consumo.

Moldeo por soplado de botellas PET

Este método es ampliamente utilizado en la producción de botellas de PET. El proceso de soplado implica la expansión de preformas preconformadas mediante aire comprimido. Este método permite la creación eficiente de botellas y envases con una variedad de formas y tamaños, esenciales para la industria de bebidas y empaques.

Termoformado de PET

En este proceso se da forma a una lámina de PET mediante la aplicación de calor y vacío, utilizando un molde para conseguir el producto deseado. Su uso está tan extendido porque el termoformado ha demostrado ser un proceso económico, rápido y muy eficaz para la fabricación de todo tipo de envases destinados a la industria alimentaria, farmacéutica, electrónica, cosmética y o deportiva, además de para los sectores de la automoción o la construcción, entre otros muchos.

Cada variante del PET tiene propiedades distintivas que influyen en sus aplicaciones. Por ejemplo, el PETG es un tipo de PET que se utiliza comúnmente en aplicaciones de envasado debido a su alta resistencia al impacto y su transparencia.

Aplicaciones tradicionales del PET

Como material versátil, el PET (tereftalato de polietileno) se utiliza ampliamente en diversas industrias gracias a sus propiedades físicas y químicas. Algunas de las más comunes y de uso actual, son:

• Envases para bebidas y alimentos: botellas para agua, refrescos, jugos y otros líquidos. Envases para alimentos como salsas, aceites y productos envasados.
• Envases cosméticos y farmacéuticos: botellas y frascos para productos de cuidado personal. Envases para medicamentos líquidos y sólidos.
• Fibra Textil: Fabricación de fibras textiles para la producción de ropa y textiles para el hogar. Uso en la fabricación de alfombras y tejidos técnicos.
• Envases Industriales: tambores y contenedores para el transporte y almacenamiento de productos químicos. Envases para productos de limpieza y detergentes.
• Aplicaciones en la industria automotriz: componentes para interiores de automóviles, como paneles y revestimientos. Botellas y contenedores para fluidos de automóviles.
• Envases para productos de cuidado del hogar: botellas para productos de limpieza, desinfectantes y detergentes. Contenedores para productos de cuidado del hogar.
• Industria de la construcción: películas y láminas de PET en aplicaciones de construcción y arquitectura. Aislamientos térmicos y acústicos.
• Juguetes y artículos recreativos: fabricación de juguetes y artículos recreativos duraderos. Elementos de empaque para juguetes y productos lúdicos.
• Industria del embalaje: películas de PET para envases flexibles y laminados. Bandas de sellado y etiquetas.
• Tecnología de impresión: películas de PET utilizadas en la impresión de etiquetas y materiales gráficos. Transparencias y soportes para impresión.

Aplicaciones innovadoras del PET: avanzando hacia la sustentabilidad

Como ya lo hemos mencionado, este material enfrenta una creciente preocupación por la sostenibilidad, aún y cuando se ha demostrado que es altamente reciclable. Por ello es importante destacar algunas de las aplicaciones más sostenibles del PET:

• Biodegradables y compostables: el PET con estas propiedades se incorpora cada vez más en envases, reduciendo la huella ambiental al descomponerse sin dejar residuos tóxicos.
• Reciclado: el PET reciclado (rPET) se utiliza ampliamente, desde la fabricación de botellas hasta alfombras hasta otros materiales textiles, permitiendo la disminución de desechos plásticos y minimizando el impacto ambiental.
• A base de plantas: producido a partir de materias primas renovables como maíz y caña de azúcar, el PET a base de plantas ofrece una alternativa más ecológica para envases y textiles. Un ejemplo claro de estas aplicaciones son las botellas PlantBottle de The Coca-Cola Company que utiliza materiales que son hasta un 30 % basados ​​en plantas (específicamente caña de azúcar).

Evolución de la industria del PET: innovaciones y tendencias

El futuro del PET (tereftalato de polietileno) se perfila con una combinación de desafíos y oportunidades que podrían transformarlo en un componente fundamental de una economía más sostenible.

Esta transformación es posible gracias a la colaboración entre la industria, la investigación y los gobiernos. Los principales desafíos incluyen:

1. Reciclaje efectivo: mejorar la eficiencia del reciclaje del PET es crucial para manejar la creciente acumulación de residuos plásticos. Esto implica el desarrollo continuo de tecnologías avanzadas y sistemas de reciclaje más accesibles.

2. Biodegradabilidad total: a pesar de los avances en PET biodegradable, lograr una biodegradabilidad completa sin impactos ambientales negativos representa un reto significativo, especialmente en aplicaciones de alta exigencia.

3. Materias primas sostenibles: reducir la dependencia de recursos no renovables es esencial para la sostenibilidad del PET, lo cual implica desarrollar fuentes renovables y más ecológicas para su producción.

Por otro lado, las oportunidades que se presentan para el PET en la búsqueda de sostenibilidad son:

1. Innovación en diseño: diseñar productos de PET teniendo en cuenta su ciclo de vida y capacidad de reciclaje abre posibilidades para reducir la generación de residuos y mejorar la sostenibilidad.

2. Desarrollo de nuevos materiales: ña investigación y adopción de alternativas al PET convencional, como polímeros bioplásticos avanzados, presenta nuevas oportunidades para crear materiales más sostenibles y amigables con el medio ambiente.

3. Economía circular: implementar modelos de economía circular, donde el PET se recicla y reutiliza eficientemente, ayuda a reducir la dependencia de materias primas vírgenes y minimiza los impactos ambientales.

Adicionalmente, la industria del PET ha experimentado una evolución con un enfoque creciente en sostenibilidad y eficiencia energética. La demanda en la industria del embalaje de PET se mantiene fuerte, impulsada por el consumo continuo de agua embotellada y la expansión de nichos de mercado como los refrescos carbonatados y nuevas aplicaciones de embalaje.

Las tendencias actuales en la industria del PET incluyen un incremento en la demanda de productos naturales, orgánicos y reciclados. Según Mordor Intelligence, los consumidores están cada vez más conscientes del impacto ambiental de sus compras, prefiriendo alternativas sostenibles. Los productos de PET reciclado son populares por su menor impacto ambiental y por reducir la cantidad de residuos plásticos.

En términos de innovación, hay un interés creciente en productos biodegradables y compostables. La tecnología de impresión 3D también está ganando terreno en la producción de artículos de PET personalizados y de alta calidad, permitiendo la creación de productos complejos y adaptados que son difíciles de lograr con métodos convencionales, además de agilizar los tiempos y reducir los costos de producción, lo que es especialmente atractivo para la fabricación a pequeña escala.