一、PC与PCTG的化学结构式区别

 

大部分工程师应该都知道PC是一种什么材料，因为PC作为工程塑料的应用太广泛了，PC的中文名是聚碳酸酯（Polycarbonate），它是一种线性的、无色的热塑性塑料，它是在分子主链中含有碳酸酯的高分子化合物的总称，其化学结构式如下图：

 

而PCTG的化学结构式如下图：

从化学结构式看，PCTG的化学结构式比PC复杂，基本没有相似之处，反而跟PET或PCT的化学结构式很相像，下图为PET的化学结构式：

下图为PCT的化学结构式：

从化学结构式看，PCTG分子链段由PET链段和PCT链段交替组成。

 

二、各类聚酯的介绍

 

PET：全称叫聚对苯二甲酸乙二醇酯，是由对苯二甲酸二甲酯（DMT）与乙二醇（EG）酯交换或以对苯二甲酸（TPA）与乙二醇（EG）酯化先合成对苯二甲酸双羟乙酯（BHET），然后再进行缩聚反应制得，由于PET分子链的结构具有高度的立体规整性，具有紧密敛集能力与结晶倾向，易发生结晶，属结晶型均聚聚酯。但是结晶温度高而且结晶速度慢，所以通过控制工艺，可以制备无色高透明的的无定形PET材料。PET分子链含有刚性的亚苯基、极性酯基、柔性的亚甲基，总体上表现为刚中带柔，使其具有较高玻璃化温度和较高的熔融温度，由于分子链存在大量的酯基，在高温和水分存在下，酯基易发生水解，使聚合物具有一定的吸水性、水解性。

 

PCT：全称为聚对苯二甲酸1,4-环己烷二甲醇酯，由1,4-环己烷二甲醇(CHDM)和对苯二甲酸(TPA)聚合而成。属半结晶型均聚聚酯。透明度比PC稍差，但PCT比PC更硬、更刚性，更耐化学品性，更耐温，连续使用温度范围可达130℃~150℃。这使得PCT在需要耐高温、抗冲击和强度要求较高的应用中表现更出色。不过PCT存在聚合度低、成型时机械物理性能和滞留性差、耐老化性差、流动性较差、加工困难等问题，为了提高PCT性能，通常需要加以改性，如醇改性PETG/PCTG，酸改性PCTA。

 

PETG：全称叫聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环已烷二甲醇酯，它是由对苯二甲酸(TPA)、乙二醇(EG)和1,4-环己烷二甲醇(CHDM)三种单体用酯交换法缩聚的产物，是 PET 合成过程中部分乙二醇(EG)被1,4-环己烷二甲醇(CHDM)取代所得到的一种聚酯，是一种透明、非结晶型共聚聚酯，共聚聚酯特点为透明度高、耐化学性好、韧性强、耐高温。共聚聚酯可以分为四大类，PETG、PCTG、PCTA、Tritan（耐温级PCTG）。

 

PCTG：也叫聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环已烷二甲醇酯，与PETG的区别在于1,4-环己烷二甲醇(CHDM)的含量，当CHDM占50%以下而EG占50%以上时称之为PETG；当CHDM占50%以上而EG占50%以下时则称之为PCTG。

 

PCTA：是1,4-环已烷二甲醇(CHDM)和对苯二甲酸(TPA)，以及根据需要用别的酸，如间苯二甲酸(PIA)部分取代对对苯二甲酸(TPA)所形成的聚合物，也叫酸改性共聚酯PCTA。PIA的添加量小于10%（酸中的摩尔分数）时，共聚酯依然具有均聚体PCT的结晶性能；PIA的添加量达到或大于35%（酸中的摩尔分数）时，共聚酯中如果不添加成核剂，此时非晶态的共聚酯树脂将不易结晶。无定形的PCTA 共聚酯是质硬、透明的树脂。PCTA 共聚酯膜具有极好的透明度、低温柔韧性、高的撕裂强度和耐化学品性以及耐水解性。另外，PCTA 共聚酯可以添加玻璃和（或）无机填料，使其具有高温特性，用于双面可烘烤厨具，PCTA的耐热性及食品卫生性良好，可用作电烤箱和微波炉共用托盘、耐热食品容器等。

 

Tritan：是Eastman公司开发的新一代共聚酯，Tritan™是一个商标，并不是一种材料的名称，实际上是改性PCTG，即在PCTG基础上添加一定比例的四甲基环丁二醇 (CBDO)所形成的聚合物，传统户外运动水壶一般采用PC注拉吹生产瓶身，但由于PC有BPA的安全问题，Eastman 开发新一代共聚聚酯 Tritan™来替代PC生产瓶身。Tritan™ 瓶的强度、耐温性虽稍低于PC瓶，但透明度、耐化学性更好、加工更容易。

 

所以可以总结为：

 

PET=PTA(对苯二甲酸)+EG(乙二醇)

 

PCT=PTA(对苯二甲酸)+CHDM(1,4-环己烷二甲醇)

 

PETG=PTA(对苯二甲酸)+EG(乙二醇)+<50%CHDM(1,4-环己烷二甲醇)

 

PCTG=PTA(对苯二甲酸)+EG(乙二醇)+>5O%CHDM(1,4-环己烷二甲醇)

 

PCTA=PTA(对苯二甲酸)+CHDM(1,4-环己烷二甲醇)+间苯二甲酸(PIA)

 

Tritan（耐温级PCTG） = PCTG + 四甲基环丁二醇 (CBDO)

 

三、聚酯的性能：由各组成的特性决定。

 

PTA：中文名为对苯二甲酸，它是聚酯的原料，决定了聚酯的基本性能，它由一个苯环与两个羧基构成。

 

 

其中，苯环提供了较高的结构稳定性和较强的分子间作用力，这是PTA能够在化学反应中保持高转化率的关键，也使得PTA下游产品能够在维持一定刚性的情况下具有极强的延展性，从而在化学纤维领域独占鳌头；而两边的羧基则提供了足够的反应性，有效降低了PTA下游生产的成本和所需条件，为它在工业生产中得到大规模应用创造了基础。世界上90%以上的PTA用于生产PET，PET聚酯包括纤维切片、聚酯纤维（涤纶）、瓶用切片和薄膜切片。

 

 

PIA：中文名为间苯二甲酸，在PET酯化的过程中，可以添加少量的对称性较差的间苯二甲酸(IPA)取代部分对苯二甲酸（PTA），IPA的添加破坏了PCT大分子结构的规整性，使大分子链的结晶性变差，这也是PCTA比PCT透明度更高的原因。

 

 

PETG的G代表什么?

 

回到本文的主角，PCTG/PETG其实是Polyethylene Terephthalate Glycol，或表示成Glycol-Modified Polyethylene Terephthalate。因此PETG的G其实是指Glycol，Glycol是泛指双醇类而非特定结构。简单来说PCTG/PETG的G只是告诉大家，我用的醇不是只有最常见的乙二醇(Ethylene glycol ，EG)，而是有导入其他醇类改质的PCT/PET。但对业界来说，一般提到PCTG/PETG的双醇就是指CHDM(1,4-Cyclohexanedimethanol )， 1,4-环己烷二甲醇。

 

图：EG和CHDM的结构差异

 

不同的单体结构带给高分子不同的性质

 

CHDM：1,4-环己烷二甲醇，是在1950年代由美美Eastman Kodak申请专利并生产的环状双醇。如下图所示，CHDM的中心是由环己烷(cyclohexane)所构成，因此要知道CHDM的特性就要先了解它中心的环己烷结构特性。大家能分辨下图环己烷(cyclohexane)和苯环(Benzene)的差别吗？虽然它两看起来都是六角形，但苯环是「刚硬的平面结构」，环己烷则是「可扭曲的立体结构」，它丰富的立体构型使得它具有很好的韧性，这就是为什么导入CHDM的PETG比一般PET更有韧性的原因。

 

图：乍看之下很像，其实完全不一样

 

图：环己烷有各种立体构型，使得它在分子链受力时能有不同的变化

 

随着CHDM和EG的添加比例不同，PETG性质也会不同。PETG因为CHDM的立体构型而韧性优良外，另一大特色就是「高透明度」。相较于EG，CHDM的体积既大又扭曲，还有順反异构物的差异造成对称性不同，这样的结构导入在分子链中会大幅影响分子链的形状与排列而不易结晶，因此CHDM添加到一定比例后结晶性就会完全消失成为非晶态，不会因形成结晶导致光线无法穿透，因此具有良好的透明性。

 

加入CHDM的作用除了可以防止结晶化而具有良好的透明性，同时还可改善加工性能、提高韧性和抗化学性。伴随共聚物中 CHDM 含量的增加，分子结构排序会变得更加杂乱无章， 从而使 PETG 熔点下降、玻璃化温度上升以及结晶能力降低，形成一种无定型的高分子聚酯材料。由于 PETG 与其他材料性能优缺点互补性较强，在实际使用中可与 PC、ABS 等工程塑料共混使用。一般PETG中CHDM的含量在30%-40%较适宜。具有较好的粘性、透明度、颜色、耐化学药剂、和抗应力白化能力。PETG/PCTG与PET相比较最大的特点是符合环保和食品FDA认证，成型产品具备优良的透明性、韧性、耐化学性和易加工性等特点，可以在食品接触、化妆品包装、医疗器械和药品包装应用。目前，单体1,4-环己烷二甲醇 (CHDM)生产成本高，高成本制约着应用，直接影响了下游产品性价比。

 

然而即使CHDM完全取代EG之共聚酯的玻璃化转变温度约为96˚C，仍无法满足工业领域中对耐热及耐冲击、透明的要求。传统聚酯的玻璃化转变温度较低，在中/高温领域的应用受到一定限制。

 

 

CBDO：2,2,4,4-四甲基-1,3-环丁二醇(CBDO)是一种重要的二醇聚酯单体，主要用于生产高性能聚酯材料，在共聚酯中加入 CBDO 可显著提高聚酯性能，如提高耐温性、透明度、耐化学性、抗冲击强度等。伊士曼化工公司成功开发了以 CBDO 为单体的共聚酯，并命名为 Tritan 共聚酯，也是近年来最为成功的聚合物产品。目前，全球仅有伊士曼化工一家公司能大规模生产 CBDO 二元醇单体，且CBDO概不外售，仅向市场供应后续的Tritan共聚酯产品以赚取超额利润。

 

四、共聚聚酯的性能对比及应用

 

因为共聚聚酯的高透明度、优异的耐化学性和超强的韧性，加上产品外观都给予消费者非常高档的质感，所以应用范围多元化。

 

图：各类共聚聚酯的比较

 

PETG：一般用来挤出成型、吹塑、注塑等，分高粘度和低粘度两种，高粘度可以用来挤瓶、吹瓶、挤板等；低粘度一般用来做注塑件，包装容器等；热变形温度在65℃-75摄氏度之间。

 

PCTG：可用来制作水杯、太空杯、容器、咖啡机等产品，分为耐高温和耐低温两种，耐高温的韧性好，热变形温度高，可达到110℃，有些可以用来替代PC，而且不含双酚A，真正达到食品级的材料；耐低温PCTG，用来注塑化妆瓶子，食品容器，冰箱储物格，可以耐零下-40℃。

 

PCTA：高透明聚酯中，耐化学性非常好，一般用来做化妆瓶，睫毛管，牙刷柄等日用接触品，耐酒精好，低温不开裂，热变形温度在65℃-75℃之间。

 

常用型号：

 

PETG型号：K2012、PN200、AN001、AN011、GN071、S2008

 

                 耐温性低、价格便宜、高透明、冲击强度高。

 

PCTG型号：耐高温：TX1001、TX2001、EX401、YF300

                 适合做水杯、太空杯、咖啡机等食品容器及医用器具。

                 耐低温：DN011、Z6018、EB062、JN200

                 适合做化妆瓶、冲击性要求高的板材及耐低温容器。

 

PCTA型号：AN004、CN015、BR203、DS1010、DS2010、DS1910HF

                 耐化学性好，抗酒精，耐酸碱，流动性高，可做大型产品。

 

共聚聚酯与其他相类似的工程塑料比较：

 

 

1、PETG/PCTG替代亚克力

 

很多工程师可能从未接触过PETG，实际上PETG的真正起步，是从高档化妆品透明塑料包装材料开始的，而之前，高档化妆品的透明塑料包装材料，通常都会选用亚克力，亚克力透明度虽然优异，但其耐溶剂性差(亚克力与化妆品内容物接触，容易发白，致使要经常添加内胆来避免)，而且亚克力不耐冲击，然而，PETG/PCTG的出现，刚好可以弥补亚克力的这种缺陷，尤其在耐化学性方面，PETG/PCTG比亚克力具有更广泛的耐化学性，PETG/PCTG更可以说是透明塑料之中，耐化学性最广泛的塑料之一，以至于在很多的化妆品包装场合，PETG容器不再需要添加内胆，可以直接接触化妆品内容物。而亚克力、AS、PS、PC、NAS等材质的透明容器在通常情况下是要增加内胆的，而且这些材质经常接触到以上化学品时，抗疲劳强度或变差，并较易导致透明容器应力发白或应力开裂，不用加内胆的PETG/PCTG透明容器,无疑要比添加内胆的亚克力等塑料容器要划算得多。

 

图：PCTG的耐化学性在电子烟中的应用

 

2、PCTG替代PC

 

PC是性能优异的工程塑料，具有冲击强度高、抗蠕变、尺寸稳定性好、电绝缘性好等优点，但PC同时也具有溶体粘度大、流动性差、耐溶剂性差，在溶剂和碱性环境下易发生应力开裂和溶胀，对缺口的敏感性较大，加工时容易发生应力开裂，且加工温度较高，不耐高温水解，价格偏高等缺点。

 

PCTG一个重要用途，就是用来代替PC(在不需要耐高温的情况下，PCTG只能在80℃ 以下正常使用)，因为在某些性能上PCTG很接近PC, 有些性能甚至优于PC：如耐化学性、透明性、印刷性、环保性、延展性、加工性以及抗内应力性能等。

 

PCTG相对于PC的优势：

 

1）耐化学性：PCTG比PC好，这是PCTG相对PC最大的优势；

 

2）安全性：PCTG不含双酚A，对人体无害；

 

3）加工性：PCTG流动性比PC好，成型温度也比PC低一些；

 

4）透明性：PCTG透明度比PC稍好一点，透光率>90%，雾度<1%，有水晶般的光泽；

 

5）吸水性：PCTG比PC小，PCTG为0.13%，PC为0.2%；

 

6）抗内应力性：PCTG制品无内应力（或内应力很小），而PC制品内应力大，后续容易引起开裂；

 

7）耐候性：PCTG其抗紫外线性能比PC好，能够在户外环境中长期使用而不会褪色或变形。 

 

PCTG相对于PC的劣势：

 

1）耐温性：普通PCTG只能耐80℃左右，而PC可以耐130℃左右而不变形；

 

2）耐冲击性：PC的耐冲击性比PCTG好，PC可作为工程塑料使用。

 

3）价格：PCTG的生产成本比PC高，因此其市场价格比PC贵些。