Полистирол (ПС) — cинтетический полимер класса термопластов, продукт полимеризации стирола (винилбензола); твердое стеклообразное вещество.
Имеет химическую формулу вида: [-СН2-СН(С6Н5)-]n—
Фенольные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это жёсткий, хрупкий, аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью, выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, из которых затем экструзионным способом получают листы и прочую продукцию. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/м³), термическую стойкость (до 105 °С), степень полимеризации п = 600-2500, усадка при литьевой переработке 0,4-0,8 %. Полистирол отличный диэлектрик. Морозостойкость до −40 °C. Полистирол легко растворим в собственном мономере, ароматических углеводородах, сложных эфирах, ацетоне, не растворим в низших спиртах, алифатических углеводородах, фенолах и простых эфирах. Для улучшения свойств полистирола его смешивают с различными полимерами — подвергают сшиванию, получая сополимеры стирола. Обладает низким влагопоглощением, устойчив к радиоактивному облучению, в кислотах и щелочах, однако разрушается концентрированной азотной и ледяной уксусной кислотами. Легко склеивается. На воздухе при ультрафиолетовом облучении полистирол портится: появляются желтизна и микротрещины, увеличивается хрупкость. Разлагаться полистирол начинается при 200 °С и сопровождается выделением мономера. При обычной температуре полистирол не токсичен. При температуре выше 60 °С начинает терять форму.
Достоинства полистирола:
- Легкость обработки, низкая стоимость полистирола. Cпособность к термоформированию и вакуумоформованию.
- Большая химическая стойкость к воде, кислотам и щелочам, не растворяется в бензине и спирте. Хорошо растворяется в ароматических углеводородах и сложных эфирах.
- Полистирол лишен запаха, экологически безвреден, допускают использование его в жилых помещениях, с пищей.
- Широко применяемый в производстве товаров бытового назначения, строительстве и рекламе, легко окрашивается и наноситься пленочная аппликация, трафаретная и офсетная печать.
недостатки полистирола — хрупкость и низкая теплостойкость, низкое сопротивление ударным нагрузкам.
Широкое применение полистирола (ПС) и пластиков на его основе базируется на его невысокой стоимости, простоте переработки и огромном ассортименте различных марок. Массовое применение (более 60 % производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы ( сополимеры стирола с бутадиеновым и бутадиен-стирольным каучуком).
Существует многочисленные модификации сополимеров стирола:
Гомополимер
GPPS, PS-GP, Crystal PS — Аморфный полистирол общего назначения.
SPS, sPS — Кристаллизующийся синдиотактический полистирол
Сополимеры стирола
ABS — Сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, АБС-пластик, АБС-сополимер
ACS — Сополимер акрилонитрила, хлорированного этилена и стирола, АХС-сополимер
AES, A/EPDM/S — Сополимер акрилонитрила, СКЭПТ и стирола, АЭС-сополимер
ASA — Сополимер акрилового эфира, стирола и акрилонитрила, АСА-сополимер
ASR — Ударопрочный сополимер стирола (advanced styrene resine)
HIPS, PS-I, PS-HI — Ударопрочный полистирол высокой ударной прочности (УПС)
MABS, M-ABS — Сополимер метилметакрилата, акрилонитрила, бутадиена и стирола, прозрачный АБС
MBS — Сополимер метилметакрилата, бутадиена и стирола
MIPS, PS-I — Ударопрочный полистирол средней ударной прочности (УПС)
MS, SMMA — Сополимер метилметакрилата и стирола (МС)
Сополимер метилметакрилата, стирола и акрилонитрила (МСН)
Сополимер стирола и -метилстирола (САМ)
SAN, AS — Сополимер стирола и акрилонитрила (САН, СН)
SHIPS — Ударопрочный полистирол сверхвысокой ударной прочности
SMA, S/MA — Сополимер стирола и малеинового ангидрида
Сополимеры стирола, термопластичные эластомеры
ESI — Этилен-стирольный интерполимер
SB, S/B — Стирол-бутадиеновый сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SBS, S/B/S — Стирол-бутадиен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEBS, S-E/B-S — Стирол-этилен-бутилен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEEPS, S-E-E/P-S — Стирол-этилен-этилен/пропилен- стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEP — Стирол-этилен-пропиленовый сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEPS, S-E/P-S — Стирол-этилен-пропилен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SIS — Стирол-изопрен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
Получение полистирола
Промышленное производство полистирола базируется на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа получения полистирола:
Эмульсионный метод получения полистирола (ПСЭ)
Устаревший метод получения полистирола, не получивший широкого применения в производстве. Эмульсионный полистирол получают в результате полимеризации стирола в водном растворе щелочных веществ при температуре 85-95 °C. Для данного метода требуются: стирол, вода, эмульгатор и инициатор полимеризации. Стирол сначала очищают от ингибиторов: требутил-пирокатехина или гидрохинона. В качестве инициаторов реакции используют водорастворимые соединения, двуокись водорода или персульфат калия. В качестве эмульгаторов используют щелочи (мыло), соли жирных кислот, соли сульфокислот. В реактор с водным раствором касторового масла тщательного перемешивая вводят стирол и инициаторы полимеризации, после чего смесь нагревается до 85-95 °C. Мономер, растворённый в мицелах мыла, начинает полимеризовываться, поступая из капель эмульсии, образуя полимер-мономерные частицы. На стадии 20 % полимеризации мицеллярное мыло расходуется на образование адсорбированных слоёв и далее протекает внутри частиц полимера. Процесс полимеризации заканчивается, когда содержание свободного стирола станет менее 0,5 %.
Далее эмульсия транспортируется из реактора на стадию осаждения с целью снижения остаточного мономера. Для этого эмульсию коагулируют раствором поваренной соли и сушат. В итоге получается порошкообразная масса с размерами частиц до 0,1 мм. Остатки щелочных веществ придаёт полимеру желтоватый оттенок, поскольку полностью устранить посторонние примеси невозможно. Данным методом получается полистирол с наибольшей молекулярной массой.
Суспензионный метод получения полистирола (ПСС)
Данный метод получения полистирола является устаревшим и наиболее пригоден для получения и сополимеров стирола, в основном применяется в производстве пенополистирола.
Суспензионный метод полимеризации полистирола производится по периодической схеме в реакторах с мешалкой и теплообменником. Сначала стирол подготавливают, суспендируя его в чистой воде посредством применения стабилизаторов эмульсии (поливинилового спирта, гидроокиси магния, полиметакрилата натрия) и инициаторов полимеризации. Полимеризация производится при постепенном повышении температуры до 130 °С под давлением в результате получается суспензия из которой полистирол выделяют путём центрифугирования. В конце его промывают и сушат.
Блочный или получаемый в массе (ПСМ)
Современный метод получения полистирола, отличается высокой чистотой полистирола и стабильностью параметров. Данная технология наиболее эффективна и практически безотходна.
Различают две схемы производства полистирола: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризацией по непрерывной схеме состоит из системы последовательно соединенных 2-3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят поэтапно в среде бензола — сначала при температуре 80-100 °С, а затем стадией 100—220 °С. Реакция заканчивается при степени превращения стирола в полистирол до 80-90 % массы. При методе неполной конверсии степень полимеризации доводят до 50-60 %. Стирол-мономер не прореагировавший удаляют из расплава полистирола вакуумом и понижают содержания остаточного стирола в полистироле до 0,01-0,05 %, его возвращают на полимеризацию.
Применение полистиролов
Основные методы переработки гранул полистирола это экструзия и литьё под давлением. Диапазон температур переработки гранул лежит в пределах 190—240 °С. Из полистиролов производят широчайшую гамму изделий, которые в первую очередь применяются в бытовой сфере деятельности из за безвредности для человека — такие как одноразовая посуда, детские игрушки, упаковка т. д., а также строительной индустрии (теплоизоляционные плиты,сандвич панели, несъемная опалубка и т.д.,) декоративные и облицовочные материалы (потолочный багет, потолочная декоративная плитка, полистирольные звукопоглощающие элементы, полимерные концентраты, клеевые основы). Медицинское направление (части систем переливания крови,вспомогательные одноразовые инструменты, чашки Петри). Высокие электротехнические показатели полистирола в области сверхвысоких частот позволяют применять его в производстве: диэлектрических антенн, опор коаксиальных кабелей. Вспенивающийся полистирол после высокотемпературной термообработки водой или паром может использоваться в качестве фильтрующего материала в колонных фильтрах при водоподготовке и очистке сточных вод. Из полистирола могут быть получены тонкие пленки (до 100 мкм), а в смеси с со-полимерами (стирол-бутадиен-стирол) до 20 мкм, которые также успешно применяются в упаковочной и пищевой индустрии, а также производстве изоляторов конденсаторов.
Ударопрочный полистирол и его модификации получили широкое применение в сфере бытовой техники и электроники в качестве корпусных элементов бытовых приборов. В военной промышленности используют полистирол в составе напалма в качестве загустителя, зависимость «вязкость-температура» которого, в свою очередь, уменьшается с увеличением молекулярной массы полистирола. Полистирол также применяется при изготовлении некоторых взрывчатых веществ.