（更新于 2022 年 10 月 29 日 發布于 2012 年 9 月 29 日）
--要正確理解 PET 和 PBT 之間的性能差異，我們需要進行同類比較——即比較每種聚合物的半結晶形態。
我們之前（2012年9月）曾概述過聚甲醛聚合物家族中不同化學物質之間的異同。本月，我們將開始對市面上的聚酯 材料PBT 和 PET 進行類
似的比較。許多年前，當我為一家定制化生產的注塑廠工作時，我曾與一位客戶密切合作，將一系列零件從 30% 玻璃纖維增強 PBT 轉換為
具有相同填充物水平的 PET。這實際應用了這兩種材料在加工和性能水平上的差異。
從根本上說，PET 和 PBT 的化學性質非常相似。聚酯是通過有機酸（本例中為對苯二甲酸）與醇反應合成的。對于 PBT，醇通常稱為丁二醇，
而對于 PET，則是乙二醇。因此，所得的聚合物分別稱為聚對苯二甲酸丁二醇酯 (PBT) 和聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET)。
通過檢查構成聚合物鏈的重復單元的化學結構（如圖 1 所示），可以最好地理解材料的差異。使這些材料與眾不同的基本特征是酯基，該材料
家族也由此得名。其他聚合物，如 PTT 和 PCT，也屬于這個化學家族，它們的結構略有不同。
這種材料化學結構的另一個關鍵特征是在主鏈中間隔出現的六元環。該結構稱為苯環，或更通常地稱為芳香環，它為聚合物鏈提供剛性。這
影響幾個重要特性，包括玻璃化轉變溫度——聚合物在該溫度區域會喪失相當大比例的承載性能。
從化學結構的二維表示中看不出來，但三維視圖會顯示，雖然聚合物鏈中的許多化學基團會伸入或伸出頁面，但芳香環位于一個平面內。它
還限制了鏈中其他基團旋轉和振動的自然趨勢。這是該環結構產生剛性效應的一部分。降低的流動性和環的龐大體積也影響了聚合物冷卻時
結晶的能力。PBT 的芳香環間距更大，其結晶效率比 PET 更高。但 PET 如果成功結晶，能提供更好的機械性能，包括強度、剛度和高溫性能。
大多數消費者熟悉的是用于瓶裝水或軟飲料的 PET 容器。這類 PET 是無定形的，并且經過設計以防止結晶。如果瓶用級 PET 發生結晶，它會
變得渾濁，更重要的是，會失去抗沖擊性。因此，雖然您的汽車引擎蓋下可能有很多部件是由結晶 PET 聚酯注塑成型的，這些部件會遇到高溫
和侵蝕性化學環境；但世界上絕大多數 PET 消耗在包裝領域，這些 PET 是無定形的、未增強的，無法應對如此嚴苛的環境。
我們將在本文第二部分討論的 PET 類型是半結晶的，并且幾乎總是含有高含量的玻璃纖維和/或礦物填料。然而，PBT 聚酯可以以半結晶形態
提供，包括填充和未填充的。事實上，由于 PBT 的結晶速度比 PET 快，在正常的加工條件下不可能生產出無定形的 PBT 零件。該聚合物結晶
效率足夠高，總能使其結構達到一定程度的規整度。酯基和芳香環的剛性，與丁二醇基團的柔韌性和流動性達到了平衡。但在 PET 中，較短
的乙二醇基團使得結晶性成為可選項。如果我們快速冷卻，可以得到無定形 PET；如果我們緩慢冷卻，則可以得到半結晶 PET。
大多數 PET 瓶最初是作為注塑成型的瓶坯開始的。它們透明、堅韌且壁相對較厚，以便承受瓶坯被重新加熱和拉伸成型為瓶子時瓶壁將經歷
的變薄效應。如果您在制瓶廠工作過，您會知道，在預熱周期中，如果瓶坯溫度過高，它們會變渾濁——這是結晶的跡象。（事實上，如果您
仔細觀察瓶坯的澆口區域，您會看到該區域有少量霧狀現象，這是由于零件該區域產生的額外熱量所致）。
如果您嘗試用這種渾濁的、部分結晶的材料吹制瓶子，其抗沖擊性能會下降。如果結晶度足夠高，瓶坯甚至可能在吹制過程中破裂。所以訣
竅在于將材料溫度保持在其玻璃化轉變溫度以上，但低于其結晶溫度。這個溫度窗口可能不是很寬，如圖 2 所示。
該圖表顯示了無定形 PET 聚酯的行為，這是一種未填充的透明材料，用于制造需要韌性和透明度但不需要承受高溫的零件。隨著材料從室溫
開始加熱，第一個顯著事件是玻璃化轉變。這表現為材料熱含量的階躍變化，對于這種化合物，該過程在 75°C (167°F) 完成。此時，材料已
失去其在室溫下所具有的剛性，變得柔軟且易彎曲。隨著溫度升高，軟化聚合物的粘度會降低，直至溫度接近 110°C (230°F)。這是掃描基線
開始快速上升的溫度，75°C 到 110°C 之間的區間代表了吹制瓶子的操作窗口。
我參觀過的大多數 PET 制瓶廠運行的預熱溫度都在 100°C (212°F) 附近。一旦結晶過程開始，材料就開始變得渾濁。它也會開始恢復一些在
經歷玻璃化轉變時失去的剛度。如果這個過程進行得足夠充分，聚合物會在約 140°C (284°F) 時結晶。此時，材料將變得不透明且脆化，并保
持這種狀態，直到晶體結構在大約 245°C (473°F) 熔化。因此，PET 可以有兩種形態——無定形或半結晶——這取決于我們如何處理它。
但在正常的商業環境下，PBT 總是半結晶的。因此，要正確理解 PET 和 PBT 之間的性能差異，我們需要進行同類比較——即比較每種聚合物
的半結晶形態。由于 PET 結晶非常緩慢，生產具有半結晶結構的零件需要稱為成核劑的化學物質的幫助，以及填料和增強材料的固體顆粒的
存在。因此，商業半結晶 PET 聚酯總是以填充或增強的形式出售，為了公平比較 PET 與 PBT 的性能，我們需要比較具有同等水平和相同類
型填料的材料。我們將在本研究的第二部分進行此比較，并討論注塑商在使用這兩種聚合物家族時會遇到的加工差異。
**關于作者：** Michael Sepe 是一位獨立的材料和加工顧問，常駐亞利桑那州塞多納，客戶遍布北美、歐洲和亞洲。他在塑料行業擁有超過
45 年的經驗，協助客戶進行材料選擇、可制造性設計、工藝優化、故障排除和失效分析。聯系方式：(928) 203-0408
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