Chemische Struktur von Polyester: C10H8O4, Esterbindungen und warum sie wichtig sind

Eine Wiederholungseinheit des in Textilien verwendeten Polyesters enthält zehn Kohlenstoffatome, acht Wasserstoffatome und vier Sauerstoffatome: C10H8O4, etwa 192 g/mol. Nahezu 46 Prozent dieser Masse befinden sich in zwei Estergruppen, den -COO-Gliedern, die die Kette zusammenhalten. Diese einzige Tatsache erklärt, warum PET bei etwa 255 °C schmilzt, warum es nur etwa 0,4 Prozent Feuchtigkeit aufnimmt, warum es bei 130 °C unter Druck gefärbt werden muss und warum heiße Natronlauge es auflöst.

Das gleiche Grundgerüst verläuft durch ein 75D/72F DTY-Garn auf einer Rundstrickmaschine, einen Chip in Flaschenqualität mit einer Grenzviskosität von 0,80 dl/g und ein recyceltes Filament, das durch Glykolyse wieder aufgebaut wurde. Von der Wiederholungseinheit an aufwärts gelesen, bleibt die Chemie einfach. Die kommerziellen Konsequenzen bestehen nicht.

Was die chemische Struktur von Polyester tatsächlich ist

Ein Polyester ist jedes Polymer, dessen Wiederholungseinheiten durch Esterbindungen verbunden sind, und der Polyester hinter fast jedem Textiletikett ist Poly(ethylenterephthalat), kurz PET.

Zwei Monomere bilden PET. Terephthalsäure liefert zwei -COOH-Gruppen an einem para-substituierten Benzolring und Ethylenglykol liefert zwei -OH-Gruppen. Säure trifft auf Alkohol, ein Wassermolekül verlässt es, eine Esterbindung bildet sich und die Sequenz wiederholt sich in beide Richtungen.

Die Wiederholungseinheit -[O-CH2-CH2-O-CO-C6H4-CO]- ist ein Sandwich aus zwei Ethylensegmenten, einem aromatischen Ring und zwei Carbonylkohlenstoffen mit ihren Estersauerstoffatomen. Die para-Position des Rings ist wichtiger als seine Größe: Sie hält die Kette gerade, sodass sich PET zu Kristalliten zusammenfügt und bei etwa 255 °C schmilzt. Tauscht man ihn gegen eine flexible aliphatische Kette aus, wie bei Polyethylenadipat, sinkt der Schmelzpunkt auf etwa 50–60 °C.

Wie die Esterbindung aufgebaut ist: Kondensationspolymerisation in vier Stufen

PET wird durch Kondensationspolymerisation hergestellt, und jede dabei gebildete Esterbindung setzt ein kleines Molekül frei, normalerweise Wasser oder Methanol.

Faserproduzenten wählen dann zwischen normalen Hackschnitzeln in SD-, FD-, CD- und TBR-Qualität, da Helligkeit und Färbeverhalten bereits bei der Hackschnitzelfestlegung festgelegt werden.

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Von der Struktur zur Leistung: Kristallinität, Grenzviskosität und Schmelzpunkt

Zwei Zahlen sagen die meisten Eigenschaften eines Polyestergarns voraus: die Grenzviskosität, die die Kettenlänge misst, und die Kristallinität, die misst, wie dicht diese Ketten gepackt sind.

Die Grenzviskosität ist der praktische Indikator für das Molekulargewicht. Eine Lücke von 0,02 dl/g zwischen zwei Chips entspricht etwa 8 bis 10 Prozent des gewichtsmittleren Molekulargewichts und zeigt sich in Festigkeit, Dehnung, Farbstoffaufnahme und Filamentbrüchen während der Texturierung.

Warum das Rückgrat darüber entscheidet, wie Polyester Farbstoffe aufnimmt

Standard-PET trägt keine ionischen Seitengruppen und kann daher nicht wie Baumwolle gefärbt werden. Dispersionsfarbstoffe müssen sich in den amorphen Bereichen der Faser auflösen, und das geschieht erst bei etwa 130 °C und 2 bis 3 bar Druck.

Die Estercarbonyle sind schwach polar, aber sie sind keine Farbstoffzentren. Unterhalb einer Glasübergangstemperatur von etwa 70–80 °C sind die amorphen Ketten eingefroren und Farbstoffmoleküle können sich nicht zwischen ihnen durchquetschen. Oberhalb von 130 °C öffnet sich die Struktur, der Farbstoff diffundiert hinein und bleibt beim Abkühlen der Faser eingeschlossen.

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Wo die Struktur bricht: Hydrolyse, Recycling und Kettenlänge

Die Esterbindung ist die Schwachstelle von Polyester, und jeder kommerzielle Recyclingweg greift sie gezielt an.

Mechanisches Recycling erhält das Rückgrat, verkürzt es aber. Hitze, Feuchtigkeit und Scherung beim erneuten Schmelzen geschnittener Ketten, sodass ein zu 100 Prozent recyceltes Filament 0,05–0,10 dl/g unter der Originalviskosität ankommen kann. Ohne Kettenverlängerer oder eine reine Mischung schwanken sowohl die Festigkeit als auch die Gleichmäßigkeit des Farbstoffs.

• Glykolyse: Ethylenglykol bricht bei 180–240 °C die Ketten wieder zu Bis(2-hydroxyethyl)terephthalat auf, das zu neuem PET repolymerisiert werden kann.
• Methanolyse: Methanol bei 180–280 °C und 20–40 bar liefert Dimethylterephthalat und Glykol.
• Hydrolyse: Dampf oder Wasser bei hoher Temperatur und hohem Druck geben Terephthalsäure und Glykol zurück.

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Lesen einer Polyester-Spezifikation: Was Ihnen die Struktur verrät

Ein Polyester-Datenblatt ist ein getarnter Strukturbericht, und vier Werte enthalten die meisten Informationen, die ein Käufer benötigt.

• Grenzviskosität: 0,62–0,68 dl/g ist die normale Faserqualität. Niedrigere Werte drehen sich kühler, brechen aber beim Texturieren häufiger, während höhere Werte mehr Wärme zum Ziehen benötigen.
• Denier- und Filamentzahl: 75D/72F sorgt für einen weichen, fließenden Griff, während 150D/48F für Volumen und Abdeckung sorgt. Die Anzahl der Filamente verändert auch die Art und Weise, wie Licht reflektiert wird, wodurch sich der scheinbare Farbton verschiebt.
• Comonomergehalt: Isophthalsäure, Diethylenglykol oder Natrium-5-sulfoisophthalat verringern die Kristallinität und verschieben den Schmelzpunkt. Ab etwa 3 Mol-% ist PET nicht mehr flaschentauglich.
• Feuchtigkeit und Ausrüstung: PET erhält etwa 0,4 Prozent Feuchtigkeit zurück, sodass es schnell trocknet, sich aber statisch auflädt, und die Spinnausrüstung entscheidet darüber, wie es auf der Strickmaschine läuft.

Käufer, die Standard-, kationische, hochelastische und recycelte Versionen desselben Garns in einem Programm benötigen, verkürzen normalerweise die Versuch-und-Irrtum-Phase, indem sie mit arbeiten ein Anbieter von Differenzialgarnen das läuft über alle vier Linien.

Polyesterstruktur: Häufig gestellte Fragen

Wie lautet die chemische Formel von Polyester?

Für textiles PET ist die Wiederholungseinheit C10H8O4 und das Polymer wird mit (C10H8O4)n geschrieben. Ein kommerzielles Harz hat keine einzelne Molekülformel, da jede Charge eine Verteilung der Kettenlängen und nicht ein Molekül darstellt. Die Notation selbst wird in dieser Erklärung des erläutert Polyester-PET-Formel C10H8O4 .

Ist Textilpolyester chemisch dasselbe wie Flaschenpolyester?

Ja, beide sind PET. Der Unterschied liegt in der Kettenlänge und den Zusatzstoffen: Faserqualitäten haben eine intrinsische Viskosität von 0,62 bis 0,68 dl/g, Flaschenqualitäten von 0,75 bis 0,85 dl/g und Faserqualitäten enthalten häufig Titandioxid zum Mattieren oder Comonomere zum Färben.

Behält recyceltes Polyester die gleiche Struktur?

Das Grundgerüst ist identisch, aber die Kettenlängenverteilung ist breiter. Mechanisch recyceltes PET weist in der Regel einen höheren Oligomergehalt und eine um 0,05 bis 0,10 dl/g niedrigere Grenzviskosität auf, weshalb viele Fabriken es mit Neuharz vermischen oder Kettenverlängerer hinzufügen.

Warum muss Polyester bei hoher Temperatur gefärbt werden?

Da die Faser keine ionischen Farbstoffstellen bietet und ihre amorphen Bereiche unterhalb einer Glasübergangstemperatur von etwa 70–80 °C eingefroren sind, benötigt der Dispersionsfarbstoff etwa 130 °C und 2–3 bar, um einzudiffundieren. Kationisch färbbare Qualitäten fügen der Kette Sulfonatgruppen hinzu, sodass der gleiche Farbton bei etwa 100 °C erzeugt werden kann.