Полистирол
| Полистирол | |
|---|---|
  | |
 Международный знак вторичной переработки для полистирола | |
| Общие | |
| Сокращения | PS |
| Хим. формула | (C8H8)n |
| Физические свойства | |
| Плотность | 1,069—1,125 г/см³ |
| Термические свойства | |
| Температура | |
| • плавления | ~160-170 °C |
| Классификация | |
| Рег. номер CAS | 9003-53-6 |
| Рег. номер EINECS | 500-008-9 |
| ChEBI | 53276 |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
 Медиафайлы на Викискладе | |
Полистиро́л — продукт полимеризации стирола (винилбензола), термопластичный полимер линейной структуры.
Свойства
[править | править код]Степень полимеризации промышленно выпускаемых полистиролов n = 600—2500, коэффициент полидисперсности ( — среднемассовая, — среднечисловая молекулярные массы). В зависимости от метода синтеза и степени полимеризации индекс текучести составляет 1,4—30 граммов за 10 минут, температура размягчения (по Вика, 200 МПа) 97 °C для аморфного и 114 °C для частично кристаллизованного полистирола[1].
Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований.
Полистирол — жёсткий хрупкий аморфный полимер с высокой степенью оптического светопропускания, невысокой механической прочностью. Полистирол имеет низкую плотность (1060 кг/м³), усадка при литьевой переработке 0,4—0,8 %. Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и неплохой морозостойкостью (до −40 °C). Имеет невысокую химическую стойкость (кроме разбавленных кислот, спиртов и щелочей).
Растворяется в сероуглероде, пиридине, ацетоне, толуоле, дихлорметане, дихлорэтане, хлороформе, четырёххлористом углероде, сложных эфирах, медленнее — в бензине[2]. Нерастворим в воде. Термопластичный материал. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Хорошо склеивается. Обладает низким влагопоглощением и высокой влагостойкостью.
При сильном (выше 300 °C) нагревании полистирол разлагается с выделением паров мономера (стирола)[3] и других продуктов распада полимерных цепей. На воздухе горит жёлтым коптящим пламенем.
Получение
[править | править код]Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа его получения:
Эмульсионный (ПСЭ)
[править | править код]Устаревший метод получения, не получивший широкого применения в производстве.
Эмульсионный полистирол получают в результате реакции полимеризации стирола в водном растворе щелочных веществ при температуре 85—95 °C. Для этого метода требуются стирол, вода, эмульгатор и инициатор полимеризации. Стирол предварительно очищают от ингибиторов: требутил-пирокатехина или гидрохинона. В качестве инициаторов реакции применяют водорастворимые соединения, двуокись водорода или персульфат калия. В качестве эмульгаторов применяют соли жирных кислот, щелочи (мыло), соли сульфокислот. Реактор наполняют водным раствором касторового масла и, тщательно перемешивая, вводят стирол и инициаторы полимеризации, после чего полученная смесь нагревается до 85—95 °C. Мономер, растворённый в мицеллах мыла, начинает полимеризоваться, поступая из капель эмульсии. В результате чего образуются полимер-мономерные частицы. На стадии 20 % полимеризации мицеллярное мыло расходуется на образование адсорбированных слоёв и процесс далее протекает внутри частиц полимера.
Процесс заканчивается, когда содержание свободного стирола станет менее 0,5 %. Далее эмульсия транспортируется из реактора на стадию осаждения с целью дальнейшего снижения остаточного мономера, для этого эмульсию коагулируют раствором поваренной соли и сушат, получая порошкообразную массу с размерами частиц до 0,1 мм.
Остатки щелочных веществ влияют на качество полученного материала, поскольку полностью устранить посторонние примеси невозможно, а их наличие придаёт полимеру желтоватый оттенок. Этим методом можно получать полистирол с наибольшей молекулярной массой. Полистирол, получаемый по данному методу, имеет аббревиатуру ПСЭ, которая встречается в технической документации и старых учебниках по полимерным материалам.
Суспензионный (ПСС)
[править | править код]Суспензионный метод полимеризации производится по периодической схеме в реакторах с мешалкой и теплоотводящей рубашкой.
Стирол подготавливают, суспендируя его в химически чистой воде посредством применения стабилизаторов эмульсии (поливинилового спирта, полиметакрилата натрия, гидроксида магния) и инициаторов полимеризации. Процесс полимеризации производится при постепенном повышении температуры (до 130 °C) под давлением. Результатом является получение суспензии, из которой полистирол выделяют путём центрифугирования, затем его промывают и сушат. Данный метод получения полистирола также является устаревшим и наиболее пригоден для получения и сополимеров стирола. Данный метод в основном применяется в производстве пенополистирола.
Блочный или получаемый в массе (ПСМ)
[править | править код]Различают две схемы производства полистирола общего назначения: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризация в массе по непрерывной схеме представляет собой систему последовательно соединённых 2—3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят постадийно в среде бензола — сначала при температуре 80—100 °C, а затем стадией 100—220 °C. Реакция прекращается при степени превращения стирола в полистирол до 80—90 % массы (при методе неполной конверсии степень полимеризации доводят до 50—60 %). Непрореагировавший стирол-мономер удаляют из расплава полистирола вакуумированием, понижая содержание остаточного стирола в полистироле до 0,01—0,05 %, непрореагировавший мономер возвращается на полимеризацию. Полистирол, полученный блочным методом, отличается высокой чистотой и стабильностью параметров. Данная технология наиболее эффективна и практически не имеет отходов.
Применение
[править | править код]
Выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, которые перерабатываются в готовые изделия литьём под давлением либо экструзией при 190—230 °C. Широкое применение полистирола (ПС) и пластиков базируется на его невысокой стоимости, простоте переработки и огромном ассортименте различных марок.
Наиболее широкое применение (более 60 % производства полистирольных пластиков) получили ударопрочные полистиролы, представляющие собой сополимеры стирола с бутадиеновым и бутадиен-стирольным каучуком. В настоящее время созданы и другие многочисленные модификации сополимеров стирола.
Из полистиролов производят предметы быта (одноразовая посуда, упаковка, детские игрушки и т. д.), стройматериалы (теплоизоляционные плиты, несъемная опалубка, сэндвич-панели, потолочный багет, потолочная плитка, звукопоглощающие элементы, клеевые основы, полимерные концентраты) и медицинские изделия (части систем переливания крови, чашки Петри, вспомогательные одноразовые инструменты). Вспенивающийся полистирол после высокотемпературной обработки водой или паром может использоваться в качестве фильтрующего материала (фильтрующей насадки) в колонных фильтрах при водоподготовке и очистке сточных вод. Высокие электротехнические показатели полистирола в области сверхвысоких частот позволяют применять его в производстве диэлектрических антенн и опор коаксиальных кабелей. Из полистирола делают тонкие плёнки (до 100, а в смеси с сополимерами (стирол-бутадиен-стирол) до 20 мкм) для упаковочной и кондитерской индустрии, а также производства конденсаторов.
Из ударопрочного полистирола и его модификаций делают корпуса для бытовой техники и электроники.
Предельно низкая вязкость полистирола в бензоле, позволяющая даже в предельных концентрациях получать всё ещё подвижные растворы,[4] обусловила использование полистирола в составе одной из разновидностей напалма[5] в качестве загустителя, зависимость «вязкость-температура» которого, в свою очередь, уменьшается с увеличением молекулярной массы полистирола[4].
Утилизация
[править | править код]Считается, что полистирол не представляет опасности для окружающей среды.[6]. Существуют насекомые, которые едят полистирол без вреда для здоровья. Так Веймин Ву, биолог из Стэнфордского университета, обнаружил, что большой и малый мучные хрущаки едят полистирол[7]. Ву выяснил, что 90 % продуктов переваривания полистирола покидает организм хрущаков через сутки после его поедания[7]. Остальной полистирол усваивается хрущаками, причем никаких признаков отравления им выявлено не было[7]. Через двое суток после поедания пластика в организмах хрущаков остается всего 0,27 % токсина гексабромциклодекана, который добавляется в пластик для термостойкости[7].
Переработка
[править | править код]Отходы полистирола накапливаются в виде вышедших из употребления изделий из ПС и его сополимеров, а также в виде промышленных (технологических) отходов ПС общего назначения, ударопрочного ПС (УПС) и его сополимеров. Вторичное использование полистирольных пластиков может идти по следующим путям:
- утилизация сильно загрязнённых промышленных отходов;
- утилизация технологических отходов УПС и АБС-пластика методами литья под давлением, эктрузии и прессования;
- утилизация изношенных изделий;
- утилизация отходов пенополистирола (ППС);
- утилизация смешанных отходов.
Сжигание
[править | править код]
При сжигании полистирола образуется диоксид углерода (CO2), монооксид углерода (CO — угарный газ), сажа, стирол. Сжигание полистирола, содержащего добавки (например, красители, компоненты, увеличивающие прочность и т. п.) может привести к выбросу в атмосферу других вредных веществ.
Термодеструкция
[править | править код]Продукты разложения полистирола, образующиеся при термодеструкции и при термоокислительной деструкции, токсичны. При переработке полистирола в результате частичной деструкции материала могут выделяться пары стирола, бензола, этилбензола, толуола, оксида углерода.[6]
Виды и маркировки полистирола и его сополимеров
[править | править код]В мире используются следующие стандартные аббревиатуры:
- PS — polystyrene, полистирол (ПС)
- GPPS — general purpose polystyrene (полистирол общего назначения, неударопрочный, блочный, иногда называемый «кристаллическим», ПСЭ, ПСС или ПСМ маркировка зависит от способа получения)
- MIPS — medium-impact polystyrene (средней ударопрочности)
- HIPS — high-impact polystyrene (ударопрочный, УПС, УПМ)
- EPS — expanded polystyrene (вспенивающийся полистирол, ПСВ)
- Аббревиатура MIPS используется сравнительно редко.
- ABS — Акрилонитрил-бутадиен-стирольный сополимер (АБС-пластик, АБС-сополимер)
- ACS — Акрилонитрил-хлорэтилен-стироловый сополимер (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))
- MABS, M-ABS — Сополимер метилметакрилата, акрилонитрила, бутадиена и стирола, прозрачный АБС
- MBS — Метилметакрилат-бутадиен-стирольный сополимер (МБС-сополимер)
- MS, SMMA — Сополимер метилметакрилата и стирола (МС)
- MSN — Сополимер метилметакрилата, стирола и акрилонитрила (МСН)
- SAM — Сополимер стирола и метилстирола (САМ)
- SAN, — AS — Сополимер стирола и акрилонитрила (САН, СН)
- SMA, S/MA — Стирол-малеиново-ангидридный сополимер
Сополимеры стирола — термопластичные эластомеры:
- ESI — Этилен-стирольный интерполимер
- SB, S/B — Стирол-бутадиеновый сополимер
- SBS, S/B/S — Стирол-бутадиен-стирольный сополимер
- SEBS, S-E/B-S — Стирол-этилен-бутилен-стирольный сополимер
- SEEPS, S-E-E/P-S — Стирол-этилен-этилен/пропилен-стирольный сополимер
- SEP — Стирол-этилен-пропиленовый сополимер
- SEPS, S-E/P-S — Стирол-этилен-пропилен-стирольный сополимер
- SIS — Стирол-изопрен-стирольный сополимер
См. также
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Krevelen, Dirk Willem; Klaas Te Nijenhuis. Properties of Polymers: Their Correlation With Chemical Structure; Their Numerical Estimation and Prediction from Additive Group Contributions (англ.). — Elsevier, 2009. — P. 849. — ISBN 9780080548197.
- ↑ В. А. Рабинович, З. Я. Хавин. Краткий химический справочник. — Ленинградское отделение: "ХИМИЯ", 1978. — 356 с.
- ↑ Шульпин Г. Эти разные полимеры // Наука и жизнь. — 1982. — № 3. — С. 80—83.
- ↑ 1 2 Штаудингер Г. Высокомолекулярные органические соединения. Каучук и целлюлоза. Die hochmolekularen organischen Verbindugen, Kautschuk und Cellulose. пер. с немецкого, — Ленинград, ОНТИ, 1935
- ↑ Напалм // Краткая химическая энциклопедия. Т. 3. Мальтаза — Пиролиз. Под ред. Н. Л. Кнунянц. — М.: «Советская энциклопедия», 1967. — С. 360—361.
- ↑ 1 2 ТУ 2214-126-05766801-2003. Полистирол. Технические условия. Дата обращения: 9 февраля 2018. Архивировано 9 февраля 2018 года.
- ↑ 1 2 3 4 Discovery. — 2020. — № 5 (130). — С. 9.
