Полистирол

Полистиро́л — продукт полимеризации стирола (винилбензола), термопластичный полимер линейной структуры.

Степень полимеризации промышленно выпускаемых полистиролов n = 600—2500, коэффициент полидисперсности ${\displaystyle M_{w}/M_{n}=2-4}$ (${\displaystyle M_{w}}$ — среднемассовая, ${\displaystyle M_{n}}$ — 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.

Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Реакция полимеризации протекает по уравнению:

Различают 3 основных способа его получения:

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 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.

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.

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].

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].

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.

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.

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]

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.

Сополимеры стирола:

• 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

• Пенополистирол
• Пенокартон