Пенополистирол

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Пенополистирол Суспензионный Беспрессовый Самозатухающий (ПСБ-С) на срезе (EPS)
Структура пенополистирола при большом увеличении

Пенополистирол представляет собой газонаполненный материал, получаемый из полистирола и его производных, а также из сополимеров стирола. Обычная технология получения пенополистирола связана с первоначальным заполнением гранул стирола газом, который растворяют в полимерной массе. В дальнейшем производится нагрев массы паром. В процессе этого происходит многократное увеличение исходных гранул в объеме, пока они не занимают всю блок-форму и не спекаются между собой. В традиционном пенополистироле используются хорошо растворимый в стироле природный газ для заполнения гранул, в пожаростойких вариантах пенополистирола гранулы наполнены углекислым газом. [1].

История производства пенополистирола[править | править вики-текст]

Первый пенополистирол был изготовлен во Франции в 1928 г.[2]. Промышленное производство пенополистирола началось в 1937-х гг. в Германии[3]. В СССР производство пенополистирола (марки ПС-1) было освоено в 1939 г.[4], марок ПС-2 и ПС-4 — в 1946 г.[5], марки ПСБ — в 1958 г.[6] В 1961 в СССР была освоена технология производства самозатухающего пенополистирола (ПСБ-С)[7]. Для строительных целей пенополистирол марки ПСБ начали выпускать в 1959 г. на мытищинском комбинате «Стройпластмасс».

Состав пенополистирола[править | править вики-текст]

Для получения пенополистирола чаще всего применяется полистирол. Другим сырьём служат полимонохлорстирол, полидихлорстирол, а также сополимеры стирола с другими мономерами: акрилонитрилом и бутадиеном. В качестве вспенивающих агентов служат легкокипящие углеводороды (пентан, изопентан, петролейный эфир, дихлорметан) или газообразователи (диаминобензол, нитрат аммония, азобисизобутиронитрил). Кроме того, в состав пенополистирола входят антипирены, красители, пластификаторы и различные наполнители.

Способы получения[править | править вики-текст]

Значительная доля получаемого пенополистирола производится вспениванием материала парами низкокипящих жидкостей. Для этого используется процесс суспензионной полимеризации в присутствии жидкости, которая способна растворяться в исходном стироле и нерастворима в полистироле, например, пентана, изопентана и их смеси. При этом образуются гранулы, в которых легкокипящая жидкость равномерно распределена в полистироле. Далее эти гранулы подвергают нагреванию паром, водой или воздухом, в результате чего они значительно увеличиваются в размерах — в 10-30 раз. Получившиеся объёмные гранулы спекают с одновременным формованием изделий.

Свойства пенополистирола[править | править вики-текст]

Высококачественный пенополистирол: материал с равномерно расположенными гранулами одинакового размера
Низкокачественный пенополистирол типа ПСБ: излом идёт по зоне контакта шариков разного размера

Пенополистирол, который был получен методом вспенивания легкокипящей жидкости, представляет собой материал, состоящий из тонкоячеистых гранул, спекшихся между собой. Внутри гранул пенополистирола есть микропоры, между гранулами — пустоты. Механические свойства материала определяются его кажущейся плотностью: чем она выше, тем больше прочность и ниже водопоглощение, гигроскопичность, паро- и воздухопроницаемость.

Основные виды производимого пенополистирола[править | править вики-текст]

  • Беспрессовый пенополистирол: EPS (Expanded Polystyrene); ПСБ (Пенополистирол суспензионный беспрессовый); ПСБ-С (Пенополистирол суспензионный беспрессовый самозатухающий). Изобретён BASF в 1951 г.
  • Экструзионный пенополистирол: XPS (Extruded Polystyrene); Пеноплэкс, Стирэкс, Техноплекс, Технониколь, URSA XPS
  • Прессовый пенополистирол: различные зарубежные марки; ПС-1; ПС-4
  • Автоклавный пенополистирол: Styrofoam (Dow Chemical)
  • Автоклавно-экструзионный пенополистирол[8]

Применение[править | править вики-текст]

Пенополистирол чаще всего используется как теплоизоляционный и конструкционный материал. Области его применения: строительство, вагоно- и судостроение, авиастроение. Довольно большое количество пенополистирола применяется как упаковочный и электроизоляционный материал.

  • В военной промышленности — как утеплитель; в системах индивидуальной защиты военнослужащих; как амортизатор в шлемах
  • В производстве бытовых холодильников как теплоизолятор (в СССР это серийно производившиеся холодильники «Ярна-3», «Ярна-4», «Визма», «Смоленск» и «Аргац-71») до начала 1960-х гг., когда пенополистирол был вытеснен пенополиуретаном.
  • В производстве тары и одноразовой изотермической упаковки для замороженных продуктов[9][10][11][12]
  • В строительстве зданий — применение пенополистирола в России в строительной отрасли регламентируется государственными стандартами[13][14][15] и ограничивается использованием в качестве среднего слоя строительной ограждающей конструкции. При этом использование пенополистирола в кровлях не рекомендовано, однако он широко применяется для утепления фасадов. Высокая пожароопасность этого материала требует обязательного проведения предварительных натурных испытаний[16].
  • С 1970-х гг. пенополистирол применяется при строительстве дорог, устройстве искусственных рельефов и насыпей, прокладки транспортных путей на территориях со слабыми грунтами, при защите дорог от промерзания, для снижения вертикальной нагрузки на конструкцию и в ряде других случаев. Наиболее активно используют пенополистирол в дорожном строительстве США, Япония, Финляндия и Норвегия[17].

Свойства пенополистирола[править | править вики-текст]

Водопоглощение[править | править вики-текст]

Колония бактерий на EPS

Пенополистирол способен поглощать воду при непосредственном контакте[18]. Проникновение воды непосредственно в пластмассу составляет менее 0,25 мм за год[19], поэтому водопоглощение пенополистирола зависит от его структурных особенностей, плотности, технологии изготовления и длительности периода водонасыщения. Водопоглощение экструзионного пенополистирола даже через 10 суток нахождения в воде не превышает 0,4 % (по объёму), что обусловливает его широкое применение как утеплителя для подземных и заглубленных сооружений (дороги, фундаменты)[20].

Паропроницаемость[править | править вики-текст]

Пенополистирол является паропроницаемым материалом [21][22].

Особенностью паропроницаемости пенополистирола является то, что она не зависит от его степени вспенивания и плотности пенополистирола и всегда равна 0.05 Мг/(м*ч*Па)[источник не указан 438 дней], что примерно эквивалентно паропроницаемости деревянного сруба из сосны, ели или дуба.

Биологическая устойчивость[править | править вики-текст]

Несмотря на то, что пенополистирол не подвержен действию грибков, микроорганизмов и мхов, они способны образовывать на нём свои колонии[23][24][25][26].

В пенополистироле могут селиться насекомые, обустраивать гнёзда птицы и грызуны. Проблема повреждениям конструкций пенополистирола грызунами была предметом специальных исследований [1]. По результатам произведенных тестов пенополистирола на серых крысах, домовых мышах и мышах-полевках [2] установлено следующее:

1. Пенополистирол, как материал, состоящий из углеводородов, не является питательной средой для грызунов.

2. В принудительных условиях грызуны воздействуют на экструзионный и гранулированный пенополистирол равно, как и на всякий другой материал, в тех случаях, когда он является преградой (препятствием) для доступа к пище и воде или для удовлетворения других физиологических потребностей животного.

3. В условиях свободного выбора грызуны воздействуют на пенополистирол в меньшей степени, чем в условиях принуждения, и только в том случае, если им необходим подстилочный материал или существует потребность в стачивании резцов.

4. При наличии выбора гнездового материала (мешковина, бумага, пенополистирол), пенополистирол привлекает грызунов в последнюю очередь.

Результаты экспериментов с крысами и мышами показали также зависимость от модификации пенополистирола, в частности экструзионный пенополистирол в сравнении с гранулированным пенополистиролом повреждается грызунами в гораздо меньшей степени.

Долговечность[править | править вики-текст]

Одним из способов определения долговечности пенополистирола является чередованием нагревания до +40 °C, охлаждения до −40 °C и выдерживанием в воде. Каждый такой цикл принимается равным 1 условному году эксплуатации. Утверждается, что долговечность изделий из пенополистирола по данной методике испытаний составляет не менее 60 лет[27], 80 лет[28].

Устойчивость к действию растворителей[править | править вики-текст]

Пенополистирол мало устойчив к растворителям. Он легко растворяется в исходном стироле, ароматических углеводородах (бензол, толуол, ксилол), хлорированных углеводородах (1,2-дихлорэтан, четырёххлористый углерод), сложных эфирах, ацетоне, сероуглероде. В то же время он нерастворим в спиртах, алифатических углеводородах и простых эфирах.

Деструкция пенополистирола[править | править вики-текст]

Высокотемпературная деструкция[править | править вики-текст]

Высокотемпературная деструкция пенополистирола начинается уже при 160 °C (механохимическая деструкция). С повышением температуры до +200 °C начинается фаза термоокислительной деструкции. Выше +260 °C преобладают процессы термической деструкции и деполимеризации. В связи с тем, что теплота полимеризации полистирола и поли-α-метилстирола одни из самых низких среди всех полимеров (71 и 39 кДж/моль соответственно), в процессах их деструкции преобладает деполимеризация до исходного мономера — стирола[29].

Модифицированный пенополистирол со специальными добавками отличается по степени высокотемпературной деструкции согласно сертификационному классу. Модифицированные пенополистиролы, сертифицированные по классу Г1, не разрушаются более чем на 65% под воздействием высоких температур. Классы модифицированных пенополистиролов приведены в таблице в разделе по пожаростойкости.

Низкотемпературная деструкция[править | править вики-текст]

Вспененный полистирол, как и некоторые другие углеводороды, способен к самоокислению на воздухе с образованием пероксидов. Реакция сопровождается деполимеризацией. Скорость реакции определяется диффузией молекул кислорода. Ввиду значительно развитой поверхности пенополистирола он окисляется быстрее, чем полистирол в блоке[30].

Пожароопасность пенополистирола[править | править вики-текст]

Пожароопасность необработанного пенополистирола[править | править вики-текст]

Немодифицированный пенополистирол — легковоспламеняющийся материал, воспламенение которого может произойти от пламени спичек, паяльной лампы, от искр автогенной сварки. Пенополистирол не воспламеняется от прокаленного железного провода, горящей сигареты и от искр, возникающих при точке стали[31]. Пенополистирол относится к синтетическим материалам, которые характеризуются повышенной горючестью. Он способен сохранять энергию от внешнего источника тепла в поверхностных слоях, распространяя огонь и инициируя усиление пожара[32].

Температура воспламенения пенополистирола колеблется от 210 °C до 440 °C в зависимости от добавок, используемых производителями [33][34]. Температура воспламенения конкретной модификации пенополистирола определяется согласно сертификационному классу.

При воспламенении обычного пенополистирола в короткое время развивается температура 1200 °C[31], при использовании специальных добавок температура горения может быть снижена согласно классу горения. Горение пенополистирола проходит с образованием дыма различной степени токсичности в зависимости от примесей, добавленных к пенополистиролу для снижения дымообразования.

Горение обычного пенополистирола сопровождается образованием токсичных продуктов: циановодорода, фосгена, бромоводорода и т. д.[35][36].

По указанным причинам изделия из необработанного пенополистирола не имеют сертификатов допуска для применения в строительных работах. Производители используют модифицированный пенополистирол, который имеет различные классы по воспламенению, горючести и дымообразованию.

Модифицированный пенополистирол для пожарной безопасности[править | править вики-текст]

Для снижения пожароопасности пенополистирола при его получении к нему добавляют антипирены. Полученный материал называется самозатухающим пенополистиролом и обозначается у ряда российских производителей дополнительной буквой «С» в конце (например — ПСБ-С)[37].

Снижение горючести пенополистирола в большинстве случаев достигается заменой горючего газа для «надувания» гранул на углекислый газ[38].

Литература[править | править вики-текст]

  • Кабанов В. А. и др. т.2 Л - Полинозные волокна // Энциклопедия полимеров. — М.: Советская Энциклопедия, 1974. — 1032 с. — 35 000 экз.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Кабанов В. А. и др. т.2 Л - Полинозные волокна // Энциклопедия полимеров. — М.: Советская Энциклопедия, 1974. — 1032 с. — 35 000 экз.
  2. Патент Франции № 668142 (Chem. Abs, 24, 1477, 1930)
  3. Патент Германии № 644102 (Chem. Abs, 31, 5483, 1937)
  4. Берлин А. Ан. Основы производства газонаполненных пластмасс и эластомеров. — М., Госхимиздат, 1956 г.
  5. Чухланов В. Ю., Панов Ю. Т., Синявин А. В., Ермолаева Е. В. Газонаполненные пластмассы. Учебное пособие. —Владимир, Издательство Владимирского госуниверситета. 2007 г.
  6. Кержковская Е. М. Свойства и применение пенопласта ПС-Б. -Л, ЛДНТП, 1960 г.
  7. Андрианов Р. А. Новые марки пенополистирола. Промышленность строительных материалов Москвы. Выпуск № 11, —М., «Главмоспромстройматериалы», 1962
  8. Патент ФРГ № 92606 от 07.04.55
  9. Discussion and Possible Action Regarding a Ban of the Use of Expanded Polystyrene (EPS) Food Containers (Study Issue)// December 18, 2012
  10. POLICY TOOLS FOR REDUCING IMPACT OF SINGLE-USE, CARRYOUT PLASTIC BAGS AND EPS FOOD PACKAGING//Final Report June 2, 2008
  11. Nguyen L. An Assessment of Policies on Polystyrene Food Ware Bans.// San Jose State University 10.01/2012
  12. S8619 Prohibits food establishments from using expanded polystyrene foam disposable food service containers beginning 1/1/15.
  13. ГОСТ 15588-86 «Плиты пенополистирольные. Технические условия»
  14. ГОСТ Р 53786-2010 «Системы фасадные теплоизоляционные композиционные с наружными штукатурными слоями. Термины и определения»
  15. ГОСТ Р 53785-2010 «Системы фасадные теплоизоляционные композиционные с наружными штукатурными слоями. Классификация»
  16. ПИСЬМО Госстроя РФ N 9-18/294, ГУГПС МВД РФ N 20/2.2/1756 от 18.06.1999 «ОБ УТЕПЛЕНИИ НАРУЖНЫХ СТЕН ЗДАНИЙ»
  17. Бьорвика
  18. Павлов В. А. Пенополистирол. — М., «Химия», 1973 г.
  19. Хренов А. Е. Миграция вредных примесей из полимерных материалов при возведении подземных сооружений и прокладке коммуникаций.//Горный информационно-аналитический бюллетень. № 7, 2005 г.
  20. Егорова Е. И., Коптенармусов В. Б. Основы технологии полистирольных пластиков. — Санкт-Петербург, Химиздат, 2005 г.
  21. Таблица плотности, теплопроводности и паропроницаемости различных материалов
  22. Таблица плотности, теплопроводности и паропроницаемости различных материалов : Ремонт и обустройство квартиры , строительство дома – мои ответы на вопросы
  23. Семенов С. А. Разрушение и защита полимерных материалов при эксплуатации в условиях воздействия микроорганизмов //Диссертация на соискание степени доктора технических наук, РАН Институт химической физики им. Н. Н. Семенова. — М.: 2001 г.
  24. Atiq N. Biodegradability of Synthetic Plastics Polystyrene and Styrofoam by Fungal Isolates //Department of Microbiology Quaid-i-Azam University, Islamabad, 2011
  25. Naima Atiq Т., Ahmed S., Ali M., Andleeb S., Ahmad B., Geoffery R. Isolation and identification of polystyrene biodegrading bacteria from soil.//African Journal of Microbiology Research Vol. 4(14), pp. 1537—1541, 18 July, 2010
  26. Richardson N. Beurteilung von mikrobiell befallenen Materialien aus der Trittschalldämmung //AGÖF Kongress Reader September 2010
  27. Hed G. Service Life Estimations of Building Components. Munich: Hanser. Report TR28:1999.Gävle, Sweden: Royal Institute of Technology, Centre for Built Environment, Stockholm, 1999, p. 46.
  28. Протокол испытаний № 225 от 25.12.2001. НИИСФ РААСН. Испытательная лаборатория теплофизических и акустических измерений)
  29. Савада Х. Термодинамика полимеризации. — М., Химия, 1979 г.
  30. Эммануэль Н. М., Бучаченко А. Л. Химическая физика старения и стабилизации полимеров. — М., Наука, 1982 г.
  31. 1 2 OCT 301-05-202-92E «Полистирол вспенивающийся. Технические условия. Отраслевой стандарт»
  32. Гуюмджян П. П., Коканин С. В., Пискунов А. А. О пожароопасности полистирольных пенопластов строительного назначения//Пожаровзрывоопасность. Т.20 № 8, 2011 г.
  33. Протокол № 255 от 28.08.2007 Идентификационного контроля материала пенополистирола ПСБ-С 25 ФГУ ВНИИПО МЧС России
  34. Кодолов В. И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов. М., Химия, 1976
  35. Токсичность продуктов горения синтетических полимеров. Обзорная информация. Серия: Полимеризационные пластмассы. НИИТЭХИМ, 1978 г.
  36. Токсичность летучих продуктов, образующихся в результате термического воздействия на пластмассы при их переработке. Серия: Полимеризационные пластмассы. НИИТЭХИМ, 1978 г.
  37. Евтумян А. С., Молчадовский О. И. Пожарная опасность теплоизоляционных материалов из пенополистирола. Пожарная безопасность 2006, № 6
  38. Основные требования пожарной безопасности - Системы Теплоизоляции