Chimica del polimero PET: IV, policondensazione e perché conta
La mano, la resistenza e il cadente di un tessuto in poliestere sono decisi da un singolo numero nel reattore — la viscosità intrinseca — molto prima che esista qualunque filato.
Ciò che chiamiamo poliestere è chimicamente il poli(etilene tereftalato), o PET. Le qualità per fibra, film e bottiglia condividono la stessa struttura di base; ciò che principalmente le distingue è la lunghezza della catena, ovvero il peso molecolare. Per capire perché un tessuto si comporta in un certo modo, occorre osservare come la catena viene costruita e quanto le è permesso di crescere.
Una sintesi in due fasi: esterificazione, poi policondensazione
La produzione moderna parte dall'esterificazione diretta dell'acido tereftalico purificato (PTA) con il monoetilenglicole (MEG); questa fase fornisce come intermedi il bis(2-idrossietil) tereftalato (BHET) e oligomeri a catena corta, liberando acqua come sottoprodotto. Nella seconda fase, la policondensazione procede sotto vuoto ad alta temperatura: gli oligomeri si accoppiano, l'eccesso di MEG viene distillato in continuo e l'equilibrio si sposta verso la crescita della catena. La rimozione continua del glicole dal sistema è la vera forza motrice che consente alla catena di crescere.
Le reazioni secondarie, qui, non sono innocue. Il dietilenglicole (DEG), che si forma quando il MEG reagisce con sé stesso, viene incorporato nella catena; al crescere del suo contenuto, la temperatura di transizione vetrosa (Tg) cala, il comportamento alla fusione e la tingibilità cambiano e la resistenza all'idrolisi si indebolisce. Per questo il DEG è un parametro critico, mantenuto tipicamente entro una percentuale bassa (spesso dell'ordine di ~1%) in tutto il settore.
Catalizzatore e opacizzante: due decisioni scritte nella resina
Un catalizzatore è essenziale per condurre la policondensazione. Per anni la scelta dominante del settore è stata il triossido di antimonio (Sb2O3), tipicamente dell'ordine di ~200-300 ppm di Sb. Le preoccupazioni ambientali e la ricerca di un colore più pulito hanno accresciuto l'interesse per i catalizzatori a base di titanio, che possono risultare efficaci a dosaggi molto inferiori (tipicamente dell'ordine di ~25 ppm); il titanio è veloce, ma la sua tendenza all'ingiallimento richiede un'attenta stabilizzazione. Il germanio è riservato alle nicchie che esigono un'elevata trasparenza.
La seconda decisione è la lucentezza. Il biossido di titanio (TiO2) viene aggiunto alla massa fusa come opacizzante, diffondendo la luce all'interno della fibra. Con una dimensione delle particelle di circa 0,2-0,3 micron, il suo dosaggio fissa la classe di lucentezza: al di sotto di ~0,1% per la fibra brillante (bright), ~0,3-0,5% per la semi-opaca (semi-dull) e tipicamente ~1,5-2,0% per la pieno opaca (full-dull). Questa scelta non è più reversibile in seguito; la brillantezza di un tessuto comincia nella resina.
IV: l'unico numero che arriva fino al tessuto
Il peso molecolare non si misura direttamente; in pratica viene rappresentato dalla viscosità intrinseca (IV, dL/g). Più alta è la IV, più lunga è la catena e maggiore è il peso molecolare. Il filamento per uso tessile lavora tipicamente intorno a 0,60-0,68 dL/g di IV; le qualità per filato tecnico e per bottiglia sono nettamente più elevate. Quel piccolo numero alla filiera porta con sé l'intera storia della catena, dalla filabilità alla resistenza finale.
La misura della IV è standardizzata. La ASTM D4603 scioglie il PET allo 0,50% di concentrazione in un solvente fenolo/1,1,2,2-tetracloroetano 60/40, misura i tempi di efflusso a 30 C con un viscosimetro a capillare di vetro di tipo Ubbelohde e calcola la viscosità inerente; la ISO 1628-5 è la norma gemella che affronta lo stesso argomento (con differenze quali le opzioni di solvente e la rendicontazione di un numero di viscosità). Per questo, nel confrontare le cifre di «IV» di due fornitori, contano il metodo e il solvente impiegati.
| Qualità | IV tipica (dL/g) | MW relativo | Uso tipico / motivo |
|---|---|---|---|
| Filamento/fiocco per uso tessile | ~0,60-0,68 | Basso-medio | Flusso di fusione regolare, filatura stabile, denaro fine |
| Filato tecnico/industriale | ~0,90-1,00+ | Alto | Elevata tenacità, cordoni per pneumatici/cinture di sicurezza |
| Bottiglia (imballaggio) | ~0,72-0,84 | Medio-alto | Incrudimento da deformazione, resistenza alla pressione |
| rPET dopo SSP | innalzata | Ripristinato | Lavorabilità in fase fusa recuperata |
Cosa governa la IV: filabilità, resistenza, pilling, idrolisi
Una IV molto bassa rende la massa fusa troppo fluida; il filamento diventa instabile, le rotture aumentano e la resistenza finale (tenacità) cala. Una IV molto alta innalza la viscosità di fusione e la pressione di filatura, rendendo più difficile il denaro fine. L'intervallo tessile mantiene questo equilibrio. Anche il comportamento all'abrasione e al pilling è legato qui, in modo indiretto: senza un peso molecolare adeguato e un corretto termofissaggio, la superficie è più soggetta alla formazione di peluria e pelucchi — a livello di tessuto, le valutazioni di pilling Martindale (ad es. ISO 12945-2) rendono visibile questo esito.
L'idrolisi è il tallone d'Achille del PET. L'acqua scinde il legame estere, creando a ogni scissione un'estremità carbossilica (-COOH) e una idrossilica (-OH); poiché i gruppi terminali carbossilici accelerano essi stessi l'idrolisi, il processo è autocatalitico. Il risultato è una IV in calo, un peso molecolare ridotto e una perdita di resistenza. Per questo l'essiccazione del chip prima della filatura (umidità tipicamente al di sotto di ~50 ppm) e un basso contenuto iniziale di gruppi terminali carbossilici sono i determinanti silenziosi della qualità.
Struttura semicristallina, transizioni termiche e SSP
Il PET è un polimero semicristallino: coesistono regioni ordinate (cristalline) e disordinate (amorfe). La temperatura di transizione vetrosa (Tg) è tipicamente ~70-80 C e la temperatura di fusione (Tm) ~255-260 C; queste transizioni si misurano per calorimetria differenziale a scansione (DSC) secondo la ISO 11357 (Parte 2 per la Tg e l'altezza del gradino, Parte 3 per l'entalpia di fusione/cristallizzazione). Il grado di cristallinità governa resistenza, stabilità dimensionale, tingibilità e comportamento al termofissaggio. La Tg definisce inoltre le finestre di termofissaggio e di stiratura del tessuto.
Quando occorre un peso molecolare più elevato — specialmente nelle qualità riciclate (rPET) e tecniche — entra in gioco la policondensazione allo stato solido (SSP). I chip vengono riscaldati al di sotto della fusione, sotto vuoto o con flusso di azoto inerte; man mano che i sottoprodotti di reazione (etilenglicole, acetaldeide) diffondono dall'interno del granulo verso la superficie e vengono allontanati, l'equilibrio si sposta verso la crescita della catena. La SSP innalza la IV e riduce sia i gruppi terminali carbossilici sia l'acetaldeide; è la via principale per recuperare, ai fini della lavorabilità in fase fusa, la IV perduta nel riciclo meccanico.
In definitiva, la viscosità intrinseca è il singolo parametro polimerico a più alta leva nelle mani di un acquirente di tessuti: a parità di denaro e di maglia, le decisioni su IV, DEG, catalizzatore e TiO2 nella ricetta predeterminano la resistenza, la mano, la brillantezza e la durabilità a lungo termine del tessuto. Chiedere a un fornitore «qual è la IV, con quale metodo e quali sono i livelli di gruppi terminali carbossilici e di DEG» è il modo più rapido per andare oltre il linguaggio di marketing superficiale.