Polistyren (PS): właściwości, zastosowania i przetwórstwo

Wyroby medyczne i laboratoryjne

PS ogólnego przeznaczenia jest przezroczysty, sztywny i łatwo formuje się go z wąskimi tolerancjami, dlatego jest standardowym materiałem na jednorazowy sprzęt laboratoryjny: szalki Petriego, probówki, butelki do hodowli komórkowych, pipety i mikropłytki do diagnostyki. Wyroby te dostarcza się w stanie sterylnym. PS wytrzymuje sterylizację promieniowaniem gamma lub tlenkiem etylenu, ale nie autoklawowanie parą, ponieważ mięknie poniżej 100 °C.

Folię HIPS termoformuje się na tacki i blistry do wyrobów medycznych i opakowań farmaceutycznych, gdzie przy niskim koszcie zapewnia sztywność i odporność na uderzenia. PS jest atakowany przez wiele rozpuszczalników organicznych i ma ograniczoną odporność cieplną, dlatego nie stosuje się go w aparaturze procesowej przemysłu chemicznego ani w innych zastosowaniach w silnie korozyjnym środowisku.

Przemysł motoryzacyjny

W przemyśle motoryzacyjnym PS stosuje się głównie na obudowy zestawów wskaźników, klosze lamp i elementy oświetlenia. Polistyren można również spieniać, otrzymując materiały opakowaniowe i termoizolacyjne, które wykorzystuje się m.in. w elementach dachu samochodu. Ponadto PS często modyfikuje się innymi materiałami lub poddaje kopolimeryzacji szczepionej, otrzymując różne stopy polimerowe z rodziny PS. Na przykład kopolimery styren–bezwodnik maleinowy (SMA) są powszechnie stosowane do produkcji szkieletów desek rozdzielczych.

Urządzenia elektryczne

PS łączy doskonałą przezroczystość z dobrymi właściwościami izolacyjnymi, dlatego stosuje się go na elementy i obudowy telewizorów, magnetofonów i różnych urządzeń elektrycznych, a także w kondensatorach wysokiej częstotliwości.

Wyroby przezroczyste

Dzięki doskonałej przezroczystości PS świetnie nadaje się na przyrządy optyczne ogólnego przeznaczenia, przezroczyste modele, klosze lamp, obudowy przyrządów i pojemniki opakowaniowe.

Artykuły codziennego użytku

Dzięki łatwości barwienia i wysokiemu połyskowi PS jest szeroko stosowany do produkcji artykułów codziennego użytku, takich jak zabawki dziecięce, panele dekoracyjne, pudełka na kasety, uchwyty meblowe, grzebienie, rączki szczoteczek do zębów, obudowy długopisów i artykuły piśmiennicze.

Materiały opakowaniowe

Pianki PS mają doskonałe właściwości amortyzujące i termoizolacyjne, dlatego nadają się na opakowania chroniące przed wstrząsami i na materiały izolacyjne. Materiały opakowaniowe służą głównie do pakowania urządzeń elektrycznych, przyrządów precyzyjnych, wyrobów rękodzielniczych, wyrobów ze szkła i ceramiki; materiały izolacyjne obejmują płyty działowe i płyty warstwowe do dachów.

Polimeryzacja w masie

Styren polimeryzuje się w atmosferze gazu obojętnego, w kontrolowanej temperaturze 60–90 °C, z nadtlenkiem benzoilu jako inicjatorem; otrzymuje się przezroczysty polimer w postaci bloków. Tak wytworzony polistyren ma wysoką czystość, dobrą przezroczystość i połysk.

Polimeryzacja emulsyjna

W obecności inicjatora wodną emulsję monomeru styrenu polimeryzuje się w temperaturze 80–95 °C. Polimer oddziela się następnie od cieczy macierzystej i przerabia na proszek. Produkt końcowy ma nieco lepszą odporność cieplną niż polistyren otrzymany w masie, ale nieco gorsze właściwości elektroizolacyjne i przezroczystość.

Modyfikacja przez kompaundowanie

Polega na mechanicznym mieszaniu dwóch lub więcej polimerów, materiałów nieorganicznych i dodatków; otrzymuje się materiał o bardziej jednorodnych właściwościach mechanicznych oraz lepszych właściwościach cieplnych i optycznych.

Cechy modyfikacji przez kompaundowanie:

Modyfikacja przez kompaundowanie wymaga niewielkich nakładów inwestycyjnych i ma krótki cykl produkcyjny, dlatego jest kluczową metodą modyfikacji PS. To nie tylko ważna metoda modyfikacji polimerów, lecz także istotna droga do opracowywania nowych materiałów.

PS/PE

Polietylen (PE) ma doskonałą giętkość i udarność, co pomaga zwiększyć ciągliwość PS. PS i PE są jednak polimerami niemieszalnymi, dlatego podczas kompaundowania trzeba dodać kompatybilizator.

Mieszaniny PS/PE wytwarza się dwiema metodami: przez mieszanie reaktywne i niereaktywne.

W badaniach nad mieszaniem reaktywnym do wytłaczarki dwuślimakowej podaje się jednocześnie reaktywny PS (RPS), chlorowany PE (CPE), PE i PS; po wymieszaniu w stanie stopionym i wytłoczeniu otrzymuje się modyfikowaną mieszaninę PS.

PS/PP

Polipropylen (PP) jest bardziej ciągliwy niż PS i ma lepszą odporność cieplną. Dlatego zmieszanie PP z PS może poprawić właściwości cieplne PS.

PP i PS są jednak niemieszalne, dlatego potrzebny jest kompatybilizator. Zastosowanie w układzie PS/PP krzemionki modyfikowanej powierzchniowo może poprawić adhezję międzyfazową polimerów i zwiększyć wytrzymałość układu na rozciąganie. Dobrą kompatybilizację reaktywną mieszanin PS/PP zapewnia również połączenie reaktywnego PS (RPS) z polipropylenem szczepionym bezwodnikiem maleinowym (MPP).

PS/PC

Poliwęglan (PC) ma doskonałe właściwości, m.in. dobrą odporność na pełzanie i przepuszczalność światła widzialnego powyżej 90%. Jego współczynnik załamania światła jest zbliżony do współczynnika PS, a po zmieszaniu z PS może poprawić stabilność termiczną, wytrzymałość i ciągliwość PS.

W częściowo mieszalnych mieszaninach PS/PC naprężenia międzyfazowe pod wpływem sił zewnętrznych rozkładają się równomiernie i w sposób ciągły, co prowadzi do powstawania mikropęknięć (crazes) i pasm ścinania poprawiających właściwości mechaniczne mieszaniny.

Modyfikacja przez kopolimeryzację

Modyfikacja przez kopolimeryzację to jedna z ważnych metod modyfikacji PS. Kopolimeryzacja monomeru styrenu z drugim monomerem pozwala wprowadzić giętkie grupy, dzięki którym PS zachowuje swoje doskonałe pierwotne właściwości, a jednocześnie zyskuje większą ciągliwość i lepszą przetwarzalność. Główne metody to kopolimeryzacja z α-olefinami i kopolimeryzacja szczepiona.

1. Kopolimeryzacja z α-olefinami

PS wykazuje niską kompatybilność w mieszaninach z poliolefinami, ale ich kopolimeryzacja pozwala otrzymać produkty łączące sztywność z ciągliwością. Drugim monomerem jest zwykle α-olefina. Kopolimeryzacja styrenu z drugim monomerem z użyciem katalizatora metalocenowego zachowuje sztywność PS, a zarazem zwiększa jego giętkość.

2. Kopolimeryzacja szczepiona

Z użyciem katalizatora metalocenowego styren kopolimeryzuje się z pochodną styrenu zawierającą bor; grupy borowe w produkcie utlenia się następnie do grup hydroksylowych, które stanowią miejsca szczepienia.

Metodą polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu zsyntezowano szereg kopolimerów szczepionych PS, uzyskując funkcjonalizację polistyrenu. Gęstość szczepienia i długość łańcuchów można regulować, dobierając stopień bromowania i ilość dodawanego monomeru.

Dzięki reakcjom przeniesienia łańcucha in situ, w odpowiednich warunkach reakcji i przy odpowiednich układach katalitycznych zsyntezowano kopolimery szczepione PS z końcowymi grupami polarnymi, co umożliwia funkcjonalizację PS.

Modyfikacja nanocząstkami nieorganicznymi

Nanocząstki nieorganiczne wykazują specyficzne efekty powierzchniowe, objętościowe i kwantowe efekty rozmiarowe, przez co ich właściwości znacznie różnią się od właściwości konwencjonalnych proszków i materiałów litych. Połączenie nanomateriałów nieorganicznych z PS w określonych warunkach procesowych pozwala znacznie zwiększyć wytrzymałość, ciągliwość, odporność cieplną i odporność na ścieranie materiału polimerowego. Główne metody wytwarzania kompozytów PS z nanocząstkami nieorganicznymi to:

1. Mieszanie w stanie stopionym

Modyfikowane nanocząstki dodaje się do stopionego polimeru, a mieszaninę miesza się i formuje, otrzymując wyrób kompozytowy. Ponieważ nanocząstki mają skłonność do aglomeracji i trudno je równomiernie rozproszyć w układzie, kluczowa jest obróbka powierzchniowa nanocząstek przed mieszaniem.

Kompozyty PS z nanocząstkami otrzymywane przez mieszanie mechaniczne mogą mieć znacznie lepszą wytrzymałość na rozciąganie, udarność z karbem i właściwości płynięcia w podwyższonej temperaturze.

2. Mieszanie w roztworze

Polimer bazowy rozpuszcza się w odpowiednim rozpuszczalniku i dodaje nanocząstki. Po dokładnym wymieszaniu, zapewniającym równomierną dyspersję, usuwa się rozpuszczalnik i otrzymuje kompozyt.

Wielościenne nanorurki węglowe (MWNTs) poddane utlenianiu kwasem dysperguje się w roztworze tetrahydrofuranu, a następnie dodaje PS. Po 3 godzinach obróbki ultradźwiękowej otrzymuje się przewodzące kompozyty PS/MWNTs. Metoda ta zwiększa moduł zachowawczy i przewodność elektryczną materiału.

3. Polimeryzacja in situ

Nanocząstki modyfikowane powierzchniowo dodaje się do monomeru i równomiernie miesza. W odpowiednich warunkach inicjuje się polimeryzację, otrzymując kompozyty PS z nanocząstkami.

Nanokompozyty PS/wermikulit otrzymywane metodą in situ mają znacznie wyższą temperaturę rozkładu niż czysty PS.

Choć opracowano wiele metod modyfikacji PS, ogólne właściwości modyfikowanych produktów i mechanizmy modyfikacji wciąż wymagają dalszego doskonalenia. Udarność, odporność cieplna, odporność chemiczna i przetwarzalność modyfikowanych produktów muszą bowiem spełniać wyższe wymagania, aby materiały z modyfikowanego PS mogły znaleźć szersze zastosowanie.