PET adalah bahan kemasan minuman yang paling banyak digunakan saat ini. Karena PET dapat dengan mudah diperoleh dalam bentuk amorf, sangat transparan, dan produk PET yang mudah diregangkan melalui pendinginan cepat, ketika digunakan sebagai bahan kemasan, PET dapat dibentuk menjadi film kemasan terorientasi biaxial, serta botol hasil blow molding regangan yang kuat dan sangat transparan dapat diperoleh dari preform amorf. PET juga dapat langsung diekstrusi atau dibentuk dengan blow molding menjadi wadah hampa bentuk botol yang tidak bisa diregangkan. Wadah hampa PET, terutama botol hasil blow molding regangan, memanfaatkan sepenuhnya kinerja PET, memberikan efek tampilan yang baik terhadap isi kemasan. Kinerja dan biayanya setara dengan wadah hampa lainnya. Oleh karena itu, ketika PET digunakan sebagai bahan kemasan, pada dasarnya dibentuk melalui blow molding regangan. Di antaranya, yang paling luas digunakan adalah botol kecil berkapasitas puluhan mililiter hingga 2 liter, serta ada pula botol besar berkapasitas 30 liter. Sejak awal 1980-an, karena bobotnya yang ringan, proses pembentukannya yang mudah, harga yang rendah, serta kemudahan produksi dalam jumlah besar, PET berkembang dengan pesat sejak diperkenalkan. Dalam waktu sekitar 20 tahun saja, PET telah berkembang menjadi bentuk kemasan minuman terkemuka di dunia. PET tidak hanya digunakan secara luas untuk kemasan minuman berkarbonasi, air minum dalam kemasan, bumbu, kosmetik, minuman keras putih, permen buah kering, dan produk lainnya, tetapi botol isi panas yang telah melalui perlakuan khusus juga dapat digunakan untuk kemasan minuman jus buah dan teh. Botol PET untuk bir yang diproses dengan teknologi paling mutakhir juga mulai memasuki pasar, sementara botol PET yang diisi secara aseptik juga berkembang dengan cepat. Dapat dikatakan bahwa kemajuan teknologi terus memperluas bidang aplikasi botol PET. Botol PET tidak hanya terus memperluas pasar tradisionalnya di bidang air minum dan minuman berkarbonasi, tetapi juga mulai menyerbu panggung terakhir kemasan botol kaca dan kaleng aluminium untuk bir serta produk lainnya.
Proses produksi chip kelas botol PET terutama terdiri dari dua bagian utama. Bagian pertama adalah produksi chip dasar, yaitu produksi poliester. Proses produksi chip dasar kelas botol pada dasarnya sama dengan proses produksi chip konvensional. Sementara itu, untuk memenuhi beberapa persyaratan kinerja chip kelas botol, monomer ketiga IPA dan beberapa aditif ditambahkan. Bagian kedua adalah peningkatan kekentalan fase padat dari chip dasar.
1. Dimensi luar chip bahan baku
Kedua reaksi transesterifikasi dan esterifikasi bersifat reversibel. Untuk menggeser kesetimbangan ke arah reaksi maju, perlu segera menghilangkan produk molekul kecil yang mudah menguap. Terdapat dua proses agar produk sampingan molekul kecil yang dihasilkan oleh polikondensasi fasa padat dapat keluar dari butiran, yaitu proses difusi produk sampingan molekul kecil dari bagian dalam menuju permukaan butiran, dan proses difusi dari permukaan ke luar butiran. Di antara keduanya, laju difusi dari permukaan butiran ke luar terkait dengan suhu dan laju alir nitrogen. Secara relatif, dalam produksi SSP, pada suhu dan laju alir yang relatif tinggi, laju difusi produk molekul kecil di dalam butiran jauh lebih lambat dibandingkan laju difusi dari permukaan butiran ke luar. Oleh karena itu, untuk menghilangkan produk molekul kecil sebanyak mungkin, proses ini mensyaratkan waktu tinggal butiran di dalam reaktor harus lebih lama. Karena jalur difusi produk molekul kecil di dalam partikel kecil lebih pendek daripada di dalam partikel besar, maka produk tersebut lebih mudah dikeluarkan. Selain itu, dengan ukuran partikel sampel yang lebih kecil, luas permukaan total partikel meningkat, laju perpindahan panas naik, dan laju reaksi juga menjadi lebih cepat. Oleh sebab itu, dalam rentang tertentu, laju reaksi polikondensasi fasa padat PET berbanding terbalik dengan ukuran partikel chip bahan baku. Namun, jika partikel terlalu halus, partikel tersebut cenderung menggumpal, yang justru mengganggu laju reaksi. Selain itu, bentuk partikel juga memengaruhi laju reaksi. Bentuk partikel yang tidak beraturan juga rentan menyebabkan penggumpalan. Oleh karena itu, persyaratan granulasi terhadap chip dasar sangat ketat, dan tidak boleh ada chip abnormal yang masuk ke dalam sistem polikondensasi fasa padat.
2. Nilai warna dari irisan bahan baku
Nilai warna dari irisan bahan baku secara langsung menentukan nilai warna dari irisan produk jadi. Terdapat banyak faktor yang memengaruhi nilai warna dari irisan dasar. Warna merupakan indikator paling langsung yang mencerminkan kualitas irisan tersebut. Pengukurannya didasarkan pada prinsip kromatografi dan fotometri serta standar metrolgi dari International Commission on Illumination. Biasanya, digunakan kolorimeter dengan metode Hunter (L,a,b) untuk pengukuran, di mana L mewakili keputihan dan kecerahan, a adalah indeks hijau/merah, dan b mewakili indeks kuning. Terdapat banyak faktor yang memengaruhi warna irisan dasar, terutama disebabkan oleh perbedaan kualitas bahan baku, jenis dan kadar aditif, proses produksi, kontrol proses produksi, serta kualitas produk [3]. Saat ini, metode kontrol yang relatif langsung dari sudut pandang proses adalah, dalam kondisi proses yang stabil dan kualitas bahan baku serta bahan tambahan yang baik, jumlah penambahan agen derajat merah dan biru dapat mengubah nilai b dari irisan secara tepat. Faktor-faktor yang memengaruhi nilai warna irisan produk jadi lebih kompleks. Namun, irisan kelas botol memiliki persyaratan yang sangat tinggi terhadap nilai warna produk. Oleh karena itu, proses harus segera disesuaikan sesuai kebutuhan pengguna agar kebutuhan tersebut terpenuhi.
3. Kandungan IPA dan DEG
Kandungan IPA dan DEG dalam serpihan jadi dikendalikan selama produksi serpihan dasar, dan kandungannya tetap pada dasarnya tidak berubah selama proses tackifikasi fase padat.
Jumlah IPA sangat penting untuk peningkatan viskositas chip. Penambahan IPA dimaksudkan untuk mengurangi keteraturan susunan molekul makro PET dalam batas tertentu, sehingga menurunkan kemampuan kristalisasi chip. Pertama, hal ini dapat meningkatkan kinerja proses selama pencetakan injeksi dan blow molding, serta menurunkan suhu pemrosesan. Kedua, dapat meningkatkan transparansi preform dan botol. Namun, penambahan IPA menurunkan titik leleh dan titik lunak PET, sehingga menyebabkan penurunan ketahanan panas dan kekuatan mekanis botol yang dihasilkan. Oleh karena itu, kadar IPA harus disesuaikan secara tepat dan dikendalikan secara ketat sesuai dengan permintaan pasar. Saat ini, perusahaan telah memproduksi dua jenis potongan kelas botol sesuai kebutuhan pengguna: satu jenis adalah potongan kelas botol untuk minuman berkarbonasi biasa, dan yang lainnya adalah potongan kelas botol untuk minuman jus kaleng panas. Jenis terakhir memerlukan ketahanan suhu tinggi yang baik. Oleh sebab itu, selain melakukan penyesuaian yang tepat dalam proses peniupan botol, seperti menambahkan proses perlakuan panas dan menyesuaikan suhu cetakan, selain itu, kadar IPA dikurangi secara tepat dalam bahan baku (sebesar 1,5%, yaitu persentase berat) untuk meningkatkan kristalinitas PET dan memenuhi persyaratan ketahanan suhu botol minuman. Selain itu, kadar IPA juga memiliki dampak tertentu terhadap polikondensasi fase padat. Jika kadar IPA tidak tepat, misalnya terlalu tinggi, akan menyebabkan kristalisasi chip tidak sempurna dalam pra-kristalisasi dan kristalisator, sehingga mengakibatkan pelekatan chip selama proses peningkatan viskositas.
Jumlah diethylene glikol umumnya ditentukan oleh proses produksi dan juga dapat sedikit disesuaikan dengan mengatur rasio formula (seperti menyesuaikan rasio EG terhadap PTA). Saat ini, kandungan diethylene glikol pada potongan kelas botol yang diproduksi di pasaran umumnya sekitar 1,1%±0,2% (dalam persentase berat). Dalam kisaran ini, kandungan diethylene glikol yang lebih tinggi bermanfaat untuk meningkatkan ketahanan panas dari potongan tersebut. Hal ini karena ikatan eter dalam diethylene glikol memiliki tingkat kelenturan tertentu, yang dapat meningkatkan laju kristalisasi PET. Namun, kandungan ini tidak boleh terlalu tinggi, karena keberadaan ikatan eter mengurangi kekakuan molekul PET dan menurunkan titik leleh PET, sehingga rentan menempel selama proses penebalan potongan. Jika kandungannya terlalu tinggi, hal ini juga akan mengurangi sifat mekanis selama proses pemotongan dan peniupan botol.
4. Gugus karboksil terminal
Dalam kondisi tertentu lainnya, kandungan gugus karboksil terminal yang tinggi mendukung peningkatan laju reaksi. Dari persamaan reaksi SSP, dapat dilihat bahwa terdapat dua jenis: transesterifikasi dan esterifikasi. Kandungan gugus karboksil terminal yang tinggi mendukung reaksi esterifikasi antar rantai PET dan meningkatkan laju reaksi. Pada serpihan PET, peningkatan konsentrasi H+ juga bermanfaat bagi efek katalisis diri dari katalis. Namun, peningkatan kandungan gugus karboksil terminal akan memengaruhi kinerja pengolahan berikutnya dari serpihan tersebut. Oleh karena itu, gugus karboksil terminal pada serpihan dasar harus dikendalikan dalam kisaran tertentu, umumnya berkisar antara 30 hingga 40 mol/t, sedangkan untuk serpihan kelas botol sebaiknya 30 mol/t.
5. Faktor-faktor lain
Jenis dan jumlah penambahan berbagai aditif dalam irisan bahan baku juga akan berdampak tertentu terhadap kualitas intrinsik irisan jadi. Produksi chip kelas botol memerlukan penambahan stabilizer panas, yaitu asam polifosfat. Fungsi asam polifosfat adalah mengikat ujung rantai molekul PET dengan gugus fosfat, sehingga meningkatkan stabilitas termal dari rantai PET. Namun, karena gugus fosfat juga dapat berubah menjadi agen penginti (nukleasi) untuk kristalisasi PET, hal ini khususnya akan berdampak pada proses blow molding injeksi chip kelas botol. Selama proses tiup botol, oligomer, oksida logam (seperti antimon trioksida), fosfat, dan sebagainya merupakan agen penginti bagi kristalisasi PET. Selain itu, beberapa senyawa berat molekul rendah, seperti polietilen glikol, meskipun tidak memiliki efek pengintian secara langsung, bersifat sebagai katalisator kristalisasi. Jika kadar zat-zat ini dalam PET melebihi tingkat tertentu, maka akan mempercepat kecepatan kristalisasi PET (yakni menurunkan suhu kristalisasi dingin), yang dapat memengaruhi kualitas proses tiup botol, menyebabkan kabut putih di dasar atau mulut botol, bahkan mengurangi transparansi seluruh botol. Oleh karena itu, dengan tetap menjaga kualitas irisan dan laju reaksi (kapasitas produksi perangkat), jumlah aditif, termasuk katalis, sebaiknya lebih sedikit daripada lebih banyak.
6. Pengaruh parameter proses pre-kristalisator dan kristalisator terhadap sifat produk
Pengaturan suhu umum pre-kristalisator adalah 145 hingga 150℃ (parameter yang diberikan oleh pihak asing). Jika suhunya terlalu rendah, karena kesulitan menghilangkan molekul air dalam bentuk air kristal pada potongan-potongan tersebut, kecepatan kristalisasi potongan akan terlalu lambat, dan kristalisasi tidak akan mencukupi dalam waktu singkat, sehingga tidak dapat memenuhi kebutuhan produksi. Namun, suhu kristalisasi juga tidak boleh terlalu tinggi, karena seiring kenaikan suhu, potongan-potongan tersebut cenderung mengalami oksidasi dan degradasi dengan udara di dalam pre-kristalisator dan kristalisator, sehingga memengaruhi nilai warna produk. Pengaturan suhu cetakan adalah 170 hingga 175℃ (parameter yang diberikan oleh pihak asing). Jika suhu melebihi 175℃, seiring bertambahnya waktu tinggal potongan di dalam pre-kristalisator dan kristalisator, nilai warna akan meningkat lebih tajam, sedangkan kristalinitas hampir tidak berubah. Tentu saja, dalam produksi aktual, pendinginan berlebihan tidak boleh digunakan untuk mendapatkan nilai b yang lebih baik. Karena ketika suhu rendah, kristalisasi yang tidak cukup pada potongan akan menyebabkan potongan menempel di preheater dan reaktor berikutnya, serta air dalam bentuk kristal juga sulit dihilangkan secara sempurna. Hal ini akan memengaruhi efek peningkatan viskositas potongan dan kualitas intrinsik potongan jadi. Hanya dengan menghasilkan potongan yang memiliki kristalisasi baik, maka dapat diperoleh potongan yang menebal dengan baik. Yang dimaksud potongan berkristalisasi baik terutama merujuk pada kristalinitas potongan yang mencapai nilai tertentu, misalnya kristalinitas keluaran dari pre-kristalisator ≥30%, kristalinitas pada outlet kristalisator ≥40%, dan kristalinitas pada outlet preheater ≥45%. Jika tidak, akan menyebabkan potongan menempel selama proses penebalan. Satu hal lagi adalah bahwa kristalisasi permukaan potongan harus seragam.
7. Pengaruh parameter proses preheater dan reaktor terhadap kinerja produk
Kedua tahap ini meningkatkan viskositas irisan dalam derajat yang bervariasi. Terdapat dua faktor pengaruh termodinamika dan kinetika pada reaksi polikondensasi fase padat: suhu reaksi dan tingkat difusi produk sampingan berupa molekul kecil keluar dari bagian-bagian tersebut. Faktor pertama bergantung pada kontrol suhu pemanasan nitrogen.
Pengaruh suhu terhadap reaksi selalu memiliki aspek positif dan negatif. Dari sisi positif, kenaikan suhu dapat meningkatkan laju reaksi. Dengan kondisi kenaikan viskositas tertentu, hal ini dapat meningkatkan kapasitas produksi perangkat. Selain itu, dengan kondisi output tertentu, hal ini juga dapat meningkatkan kenaikan viskositas. Namun, kenaikan suhu akan diikuti oleh peningkatan reaksi samping, yang pada gilirannya akan memengaruhi indikator kualitas produk. Oleh karena itu, dalam produksi aktual, perlu menemukan suhu yang tepat dengan mempertimbangkan dua aspek tersebut. Dalam perangkat ini, yang benar-benar menentukan suhu reaktor adalah suhu keluaran preheater. Suhu reaktor dapat dikendalikan dengan mengubah suhu keluaran preheater dan laju alir nitrogen pendingin di bagian bawah preheater. Suhu masuk reaktor secara bertahap berpindah ke bawah, dan reaksi sistem juga berlangsung lambat. Waktu untuk kembali stabil setelah terjadi perubahan setidaknya dua kali waktu tinggal reaktor. Pada saat yang sama, perubahan nilai viskositas produk akhir juga memerlukan waktu. Jika tidak, laju reaksi akan menjadi tidak merata, sehingga menyebabkan kenaikan viskositas serpihan yang tidak seragam dan pada akhirnya memengaruhi kinerja pengolahan selanjutnya dari serpihan tersebut.
Faktor kedua tergantung pada laju aliran nitrogen selama reaksi dan luas permukaan spesifik dari irisan. Di sini, nitrogen berfungsi sebagai medium pemanas (terutama di preheater), sekaligus medium yang menghilangkan produk sampingan berupa molekul kecil. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, terdapat dua proses di mana produk sampingan molekul kecil yang dihasilkan dari kondensasi fasa padat meninggalkan bagian tersebut. Di antaranya, proses difusi molekul kecil dari permukaan ke luar dipengaruhi oleh laju aliran nitrogen dan suhu. Dalam hal ini, nitrogen dan irisan mengalir dalam arah yang berlawanan, sehingga dapat meningkatkan efek pemanasan serta menghilangkan produk sampingan molekul kecil. Preheater perangkat BUHLER menggunakan struktur berbentuk cincin, dengan pemanasan nitrogen di bagian bawah dan sirkulasi pemanasan nitrogen di bagian tengah, sehingga pemanasan menjadi lebih merata dan menghilangkan sudut mati. Di dalam reaktor, karena irisan berada di bawah tekanan yang lebih tinggi di bagian bawah, suhu gas masuk di bagian bawah dikendalikan pada level relatif rendah sekitar 190 derajat, sehingga irisan menjadi kurang cenderung saling menempel. Laju aliran nitrogen, yang digunakan sebagai medium pemanas, terutama bergantung pada suhu reaksi dan beban produksi (yaitu kebutuhan rasio gas-padatan). Dalam kondisi suhu dan beban yang konstan, terdapat nilai batas untuk laju aliran nitrogen. Artinya, setelah mencapai nilai tersebut, peningkatan laju aliran tidak lagi mempercepat laju reaksi karena antarmuka gas-padatan telah mencapai kesetimbangan adsorpsi pada saat itu. Namun, ketika suhu naik, kesetimbangan ini terganggu. Konsentrasi molekul kecil di antarmuka gas-padatan terus menurun seiring dengan peningkatan laju aliran nitrogen hingga mencapai kesetimbangan baru.
Ada alasan lain yang memengaruhi laju reaksi SSP, yaitu gaya dorong eksternal—gaya dorong katalis. Artinya, ukuran kandungan katalis pada bagian dasar, kandungan katalis pada bagian A kira-kira dua pertiga dari kandungan pada bagian B. Di antara faktor-faktor yang memengaruhi efek katalitik suatu katalis, selain kandungan katalis, suhu reaksi relatif penting.
8. Pengaruh sistem pemurnian nitrogen terhadap sifat produk
(1)Kadar oksigen
Sejumlah kecil udara instrumen dimasukkan ke dalam sistem pemurnian nitrogen untuk menghilangkan zat organik gas molekul kecil yang dihasilkan dalam sistem nitrogen. Seperti terlihat dari persamaan 1-3, hidrokarbon utama dalam reaksi adalah etilen glikol, dan juga terdapat sejumlah asetaldehida, oligomer, dll. yang dihasilkan karena reaksi sampingan, yang kemudian teroksidasi secara katalitik oleh oksigen menjadi karbon dioksida dan air di dalam lapisan katalis Pt/Pd pada reaktor katalitik. Namun, kadar oksigen harus dikontrol secara ketat karena keberadaan molekul oksigen akan menyebabkan degradasi termal selama proses peningkatan viskositas, sehingga mengakibatkan penurunan nilai warna produk, penurunan viskositas, dan peningkatan gugus karboksil terminal. Kadar oksigen dalam gas nitrogen yang keluar dari sistem pemurnian nitrogen pada perangkat ini dikendalikan dalam batas 10 ppm. Saat ini, berdasarkan karakteristik sistem pemurnian nitrogen, selain oksidasi katalitik, penyemprotan EG dingin juga dapat digunakan untuk menghilangkan senyawa molekul kecil dari nitrogen. Metode ini dapat menghilangkan kandungan oksigen dalam nitrogen, tetapi kurang efektif dalam menghilangkan senyawa molekul kecil dengan titik didih rendah seperti asetaldehida
(2) Derajat pemurnian nitrogen
Kemurnian nitrogen memiliki pengaruh tertentu terhadap peningkatan viskositas serpihan dan kualitas serpihan. Pertama, hidrokarbon berantai pendek dalam nitrogen dapat mendorong reaksi peningkatan viskositas berlangsung ke arah sebaliknya, yang tidak mendukung peningkatan viskositas serpihan. Pada saat yang sama, hal ini juga akan memengaruhi penghilangan asetaldehida dalam serpihan, sehingga memengaruhi kadar aldehida dalam serpihan. Namun, karena kompleksitas reaksi berat molekul tinggi, analisis pengaruh molekul kecil dalam nitrogen terhadap kandungan asetaldehida masih memerlukan penelitian lebih lanjut.
(3) Titik embun sistem nitrogen
Pada suhu tinggi, molekul air dapat dengan mudah menyebabkan hidrolisis makromolekul poliester, sehingga memengaruhi kualitas produk. Oleh karena itu, dalam produksi polikondensasi fase padat, perlu mengendalikan titik embun sistem nitrogen, yaitu mengontrol kadar molekul air dalam sistem nitrogen. Untuk unit BUHLER, titik embun nitrogen harus di bawah -30 derajat Celsius, sedangkan untuk unit SINCO, harus di bawah -40 derajat Celsius.
Kesimpulan
Ketika chip kelas botol PET digunakan sebagai bahan kemasan, indikator kualitas utama mencakup aspek-aspek berikut: kualitas penampilan, sifat mekanis, kinerja pemrosesan, tidak berbau, dan tidak beracun. Terdapat banyak faktor yang memengaruhi kualitas chip dengan tingkat kompleksitas tinggi, dan faktor utamanya adalah aspek-aspek yang telah dianalisis di atas. Sesuai kebutuhan pengguna, formula, rute proses, dan kondisi proses dari slice dasar dapat disesuaikan untuk mengatur indikator-indikator di atas, sehingga memenuhi kebutuhan pasar. Serta melakukan persiapan untuk lokalasi produksi SSP.
EN
