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 объёме, 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]. Также существует технология получения вакуумного пенополистирола, в котором отсутствует какой-либо из газов.

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 пенополистирольных плит входят антипирены (класс горючести Г1), 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 тонко-ячеистых 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 (класс горючести Г1). Высокая пожароопасность этого материала требует обязательного проведения предварительных натурных испытаний[16]. В августе 2014 года ФГБУ ВНИИПО МЧС России отметил[17], что применение в конструкции СФТК («Системы фасадные теплоизоляционные композиционные») в качестве утеплителя (теплоизоляции) основной плоскости фасада плиточного пенополистирола (только тех марок, которые указаны в ТС), не являющегося материалом для отделки или облицовки внешних поверхностей наружных стен зданий и сооружений, противоречит требованиями Статьи 87, части 11 ФЗ № 123-ФЗ[18] и пункта 5.2.3 СП 2.13130.2012.
  • 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[19]. Требования и нормы ГОСТ к данному продукту в этих странах кардинально отличаются от Российских и стран СНГ.
  • Служит материалом для производства детских игрушек, дизайнерской мебели и предметов интерьера[20] — подобное применение данного материала в странах Европы, не допустимо! Так же служит материалом для создания объектов современного декоративно-прикладного и концептуального искусства[21].

Свойства пенополистирола[править | править вики-текст]

Водопоглощение[править | править вики-текст]

Колония бактерий на EPS

Пенополистирол способен поглощать воду при непосредственном контакте[22]. Проникновение воды непосредственно в пластмассу составляет менее 0,25 мм за год[23], 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)[24].

Паропроницаемость[править | править вики-текст]

Пенополистирол является низкопаропроницаемым материалом[25][26].

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 734 дня], что не эквивалентно паропроницаемости деревянного сруба из сосны, ели или дуба или минеральной ваты (0,55 Мг/(м*ч*Па)).

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[27][28][29][30].

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[31], 80 лет[32].

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 80 °C (механохимическая деструкция). С повышением температуры свыше +80 °C начинается фаза термоокислительной деструкции. Выше +120 °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[33].

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[34].

Пожароопасность пенополистирола[править | править вики-текст]

Пожароопасность необработанного пенополистирола[править | править вики-текст]

Немодифицированный пенополистирол (класс горючести Г4) — 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[35]. 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[36].

Температура воспламенения пенополистирола колеблется от 210 °C до 440 °C в зависимости от добавок, используемых производителями[37][38]. Температура воспламенения конкретной модификации пенополистирола определяется согласно сертификационному классу.

При воспламенении обычного пенополистирола (класс горючести Г4) в короткое время развивается температура 1200 °C[35], при использовании специальных добавок (антипирены) температура горения может быть снижена согласно классу горения (класс горючести Г1). Горение пенополистирола проходит с образованием токсичного дыма различной степени и интенсивности в зависимости от примесей, добавленных к пенополистиролу для снижения дымообразования. Дымовыделение токсичных веществ в 36 раз больше по объёму чем у древесины.

Горение обычного пенополистирола (класс горючести Г4) сопровождается образованием токсичных продуктов: циановодорода, фосгена, бромоводорода и т. д.[39][40].

По указанным причинам изделия из необработанного пенополистирола (класс горючести Г4) не имеют сертификатов допуска для применения в строительных работах. Производители используют модифицированный пенополистирол, который имеет различные классы по воспламенению, горючести и дымообразованию.

Вместе с этим, при корректном монтаже, пенополистирол не представляет угрозы для пожаробезопасности зданий. Технология «мокрого фасада» (WDVS, EIFS, ETICS), которая подразумевает применение пенополистирола в качестве утеплителя в ограждающей конструкции, находит большое применение в строительстве.

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 (класс горючести Г1) и обозначается у ряда российских производителей дополнительной буквой «С» в конце (например — ПСБ-С)[41].

Снижение горючести пенополистирола в большинстве случаев достигается заменой горючего газа для «надувания» гранул на углекислый газ[42].

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. Письмо ФГБУ ВНИИПО МЧС России от 07.08.2014 № 3550-13-2-02
  18. ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЗАКОН ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ О ТРЕБОВАНИЯХ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ от 22.07.2008 № 123-ФЗ
  19. Бьорвика
  20. Дизайнерская мебель из пенопласта — конструктивная и доступная
  21. Роботы из пенополистирола
  22. Павлов В. А. Пенополистирол. — М., «Химия», 1973 г.
  23. Хренов А. Е. Миграция вредных примесей из полимерных материалов при возведении подземных сооружений и прокладке коммуникаций.//Горный информационно-аналитический бюллетень. № 7, 2005 г.
  24. Егорова Е. И., Коптенармусов В. Б. Основы технологии полистирольных пластиков. — Санкт-Петербург, Химиздат, 2005 г.
  25. Таблица плотности, теплопроводности и паропроницаемости различных материалов
  26. Таблица плотности, теплопроводности и паропроницаемости различных материалов : Ремонт и обустройство квартиры, строительство дома — мои ответы на вопросы
  27. 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.
  28. Atiq N. Biodegradability of Synthetic Plastics Polystyrene and Styrofoam by Fungal Isolates //Department of Microbiology Quaid-i-Azam University, Islamabad, 2011
  29. 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
  30. Richardson N. Beurteilung von mikrobiell befallenen Materialien aus der Trittschalldämmung //AGÖF Kongress Reader September 2010
  31. 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.
  32. Протокол испытаний № 225 от 25.12.2001. НИИСФ РААСН. Испытательная лаборатория теплофизических и акустических измерений)
  33. Савада Х. Термодинамика полимеризации. — М., Химия, 1979 г.
  34. Эммануэль Н. М., Бучаченко А. Л. Химическая физика старения и стабилизации полимеров. — М., Наука, 1982 г.
  35. 1 2 OCT 301-05-202-92E «Полистирол вспенивающийся. Технические условия. Отраслевой стандарт»
  36. Гуюмджян П. П., Коканин С. В., Пискунов А. А. О пожароопасности полистирольных пенопластов строительного назначения//Пожаровзрывоопасность. Т.20 № 8, 2011 г.
  37. Протокол № 255 от 28.08.2007 Идентификационного контроля материала пенополистирола ПСБ-С 25 ФГУ ВНИИПО МЧС России
  38. Кодолов В. И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов. М., Химия, 1976
  39. Токсичность продуктов горения синтетических полимеров. Обзорная информация. Серия: Полимеризационные пластмассы. НИИТЭХИМ, 1978 г.
  40. Токсичность летучих продуктов, образующихся в результате термического воздействия на пластмассы при их переработке. Серия: Полимеризационные пластмассы. НИИТЭХИМ, 1978 г.
  41. Евтумян А. С., Молчадовский О. И. Пожарная опасность теплоизоляционных материалов из пенополистирола. Пожарная безопасность 2006, № 6
  42. Основные требования пожарной безопасности — Системы Теплоизоляции