PET-Polymerchemie: IV, Polykondensation und die Wirkung auf die Maschenware
Griff, Festigkeit und Fall einer Polyester-Maschenware stecken in einer einzigen Zahl im Reaktor — der intrinsischen Viskosität —, lange bevor überhaupt ein Garn existiert.
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Was wir Polyester nennen, ist chemisch Poly(ethylenterephthalat), also PET. Faser-, Folien- und Flaschentypen teilen dasselbe Grundgerüst; der Unterschied liegt im Wesentlichen in der Kettenlänge, also im Molekulargewicht. Um zu verstehen, warum sich eine Maschenware auf eine bestimmte Weise verhält, muss man betrachten, wie die Kette aufgebaut wird und wie weit sie wachsen darf.
Zweistufige Synthese: Veresterung, dann Polykondensation
Die moderne Herstellung beginnt mit der direkten Veresterung von gereinigter Terephthalsäure (PTA) mit Monoethylenglykol (MEG); dieser Schritt liefert als Zwischenprodukte Bis(2-hydroxyethyl)terephthalat (BHET) und kurzkettige Oligomere und setzt Wasser als Nebenprodukt frei. Im zweiten Schritt läuft die Polykondensation unter Vakuum und bei hoher Temperatur ab: Die Oligomere verbinden sich, überschüssiges MEG wird kontinuierlich abdestilliert und das Gleichgewicht verschiebt sich in Richtung Kettenwachstum. Die fortlaufende Entfernung des Glykols aus dem System ist die eigentliche Triebkraft, die die Kette wachsen lässt.
Die Nebenreaktionen sind hier nicht harmlos. Diethylenglykol (DEG), das entsteht, wenn MEG mit sich selbst reagiert, wird in die Kette eingebaut; mit steigendem Gehalt sinkt die Glasübergangstemperatur (Tg), Schmelzverhalten und Anfärbbarkeit ändern sich und die Hydrolysebeständigkeit lässt nach. Deshalb ist DEG ein kritischer Parameter, der in der Branche typischerweise auf einen niedrigen Prozentsatz begrenzt wird (meist in der Größenordnung von 1 %).
Katalysator und Mattierungsmittel: zwei im Harz festgeschriebene Entscheidungen
Für die Polykondensation ist ein Katalysator unverzichtbar. Über viele Jahre war Antimontrioxid (Sb2O3) die vorherrschende Wahl der Branche; die typische Einsatzmenge liegt bei etwa 200-300 ppm Sb. Umweltbedenken und die Suche nach einem saubereren Farbton haben das Interesse an titanbasierten Katalysatoren erhöht, die bereits bei deutlich geringerer Dosierung wirksam sein können (typischerweise in der Größenordnung von 25 ppm); Titan ist schnell, doch seine Vergilbungsneigung erfordert eine sorgfältige Stabilisierung. Germanium wird in Nischen eingesetzt, die eine hohe Transparenz verlangen.
Die zweite Entscheidung ist der Glanz. Titandioxid (TiO2) wird der Schmelze als Mattierungsmittel (Delustrant) zugesetzt und streut das Licht in der Faser. Bei einer Teilchengröße von etwa 0,2-0,3 Mikrometer bestimmt die Dosierung die Glanzklasse: unter rund 0,1 % bei glänzender Faser (bright), rund 0,3-0,5 % bei halbmatter (semi-dull) und typischerweise rund 1,5-2,0 % bei vollmatter Faser (full-dull). Diese Wahl lässt sich später nicht mehr ändern; der Glanz einer Maschenware beginnt im Harz.
IV: die einzige Zahl, die bis zur Maschenware reicht
Das Molekulargewicht wird nicht direkt gemessen; in der Praxis wird es über die intrinsische Viskosität (IV, dL/g) abgebildet. Je höher die IV, desto länger die Kette und desto größer das Molekulargewicht. Textilfilament liegt typischerweise bei rund 0,60-0,68 dL/g IV; technische Garn- und Flaschentypen liegen deutlich höher. Diese kleine Zahl an der Spinndüse trägt die gesamte Geschichte der Kette, von der Verspinnbarkeit bis zur Endfestigkeit.
Die IV messen: ASTM D4603 und ISO 1628-5
Die IV-Messung ist genormt. ASTM D4603 löst PET bei 0,50 % Konzentration in einem Lösungsmittel aus 60/40 Phenol/1,1,2,2-Tetrachlorethan, misst die Durchflusszeiten bei 30 C mit einem Glaskapillarviskosimeter vom Ubbelohde-Typ und berechnet daraus die inhärente Viskosität; ISO 1628-5 ist die Schwesternorm zum selben Gegenstand (mit Unterschieden etwa bei den Lösungsmitteloptionen und der Angabe einer Viskositätszahl). Beim Vergleich der „IV“-Zahlen zweier Lieferanten kommt es deshalb darauf an, welche Methode und welches Lösungsmittel verwendet wurden.
| Typ | Typische IV (dL/g) | Relatives MW | Typische Verwendung / Grund |
|---|---|---|---|
| Textilfilament/-stapelfaser | ~0,60-0,68 | Niedrig-mittel | Gleichmäßiger Schmelzfluss, stabiles Spinnen, feiner Titer |
| Technisches/industrielles Garn | ~0,90-1,00+ | Hoch | Hohe Festigkeit, Reifenkord/Sicherheitsgurte |
| Flasche (Verpackung) | ~0,72-0,84 | Mittel-hoch | Dehnungsverfestigung, Druckbeständigkeit |
| rPET nach SSP | angehoben | Erhöht | Verarbeitbarkeit in der Schmelze wiederhergestellt |
Was die IV bestimmt: Verspinnbarkeit, Festigkeit, Pilling, Hydrolyse
Eine sehr niedrige IV macht die Schmelze zu dünnflüssig; das Filament wird instabil, Fadenbrüche nehmen zu und die Endfestigkeit (Tenazität) sinkt. Eine sehr hohe IV erhöht Schmelzviskosität und Spinndruck und erschwert feine Titer (Denier). Der textile Bereich hält diese Balance. Auch Scheuer- und Pillingverhalten hängen indirekt daran: Ohne ausreichendes Molekulargewicht und sachgerechtes Thermofixieren steigt die Neigung zu Flusen- und Knötchenbildung an der Oberfläche — auf Warenebene machen Martindale-Pillingprüfungen (z. B. ISO 12945-2) dieses Ergebnis sichtbar.
Die Hydrolyse ist die Achillesferse des PET. Wasser spaltet die Esterbindung und erzeugt bei jeder Spaltung ein Carboxylende (-COOH) und ein Hydroxylende (-OH); da Carboxylendgruppen die Hydrolyse selbst beschleunigen, verläuft der Prozess autokatalytisch. Die Folge sind eine sinkende IV, ein geringeres Molekulargewicht und ein Festigkeitsverlust. Deshalb sind die Trocknung der Chips vor dem Spinnen (Restfeuchte in der Regel unter rund 50 ppm) und ein niedriger Ausgangsgehalt an Carboxylendgruppen die stillen Stellgrößen der Qualität.
Teilkristalline Struktur, thermische Übergänge und SSP
PET ist ein teilkristallines Polymer: geordnete (kristalline) und ungeordnete (amorphe) Bereiche liegen nebeneinander vor. Die Glasübergangstemperatur (Tg) liegt typischerweise bei ~70-80 C, die Schmelztemperatur (Tm) bei ~255-260 C; diese Übergänge werden mittels Dynamischer Differenz-Thermoanalyse (DSC) nach ISO 11357 gemessen (Teil 2 für Tg und Glasübergangsstufenhöhe, Teil 3 für Schmelz- und Kristallisationsenthalpie). Der Kristallinitätsgrad steuert Festigkeit, Dimensionsstabilität, Anfärbbarkeit und Thermofixierverhalten. Die Tg legt zudem die Thermofixier- und Bügelfenster der Maschenware fest.
Wird ein höheres Molekulargewicht benötigt — besonders bei recycelten (rPET) und technischen Typen —, kommt die Festphasen-Nachkondensation (SSP) ins Spiel. Die Chips werden unterhalb des Schmelzpunkts unter Vakuum oder unter inerter Stickstoffspülung erhitzt; sobald die Reaktionsnebenprodukte (Ethylenglykol, Acetaldehyd) aus dem Inneren des Granulatkorns an die Oberfläche diffundieren und abgeführt werden, verschiebt sich das Gleichgewicht zum Kettenwachstum. Die SSP hebt die IV an und senkt Carboxylendgruppen und Acetaldehyd; sie ist der wesentliche Weg, die im werkstofflichen Recycling verlorene IV für die Schmelzeverarbeitbarkeit zurückzugewinnen.
Im Ergebnis ist die intrinsische Viskosität der Polymerparameter mit der größten Hebelwirkung in der Hand eines Einkäufers von Maschenware: Selbst bei gleichem Titer und gleicher Maschenbindung schreiben die Entscheidungen zu IV, DEG, Katalysator und TiO2 in der Rezeptur Festigkeit, Griff, Glanz und Langzeitbeständigkeit der Ware im Voraus fest. Mit dem Lieferanten darüber zu sprechen — „Wie hoch ist die IV, nach welcher Methode wird sie gemessen, wie hoch sind Carboxylendgruppen und DEG?“ — ist der schnellste Weg, oberflächliche Marketingsprache hinter sich zu lassen.