Что такое полистирол (ПС)?
Полистирол (ПС) — полимер, получаемый радикальной полимеризацией мономера стирола; это бесцветный прозрачный термопласт.
В системе идентификационных кодов пластмасс ПС обозначается цифрой 6 (цифра внутри треугольника из стрелок). Этот код должен быть чётко нанесён на дно изделия или на его упаковку, чтобы потребители и переработчики могли правильно сортировать отходы.
01Основные сведения о полистироле (ПС)
Физические свойства
ПС выпускается в виде бесцветных прозрачных гранул. При горении он выделяет густой дым с запахом, напоминающим скипидар, а при задувании пламени тянутся длинные нити. Изделия из ПС жёсткие, похожи на стекло и при падении или ударе издают металлический звук. Они хрупкие, а не гибкие; поверхность излома имеет перламутрово-серебристый блеск. Водопоглощение ПС составляет 0,05 % — немного выше, чем у ПЭ, но это практически не влияет на прочность и стабильность размеров изделий.
Оптические свойства
Превосходная прозрачность — одна из самых заметных характеристик ПС: светопропускание составляет 88–92 %. Наряду с ПК и ПММА полистирол входит в тройку ведущих прозрачных пластиков на рынке.
Механические свойства
ПС твёрдый и хрупкий, не обладает пластичностью — при растяжении разрушается вблизи предела текучести. Среди термопластов общего назначения ПС имеет наибольшую прочность при растяжении и изгибе; прочность при растяжении достигает 60 МПа. Однако ударная прочность у него очень низкая, поэтому как инженерный пластик он не применяется. ПС обладает низкой износостойкостью и умеренным сопротивлением ползучести. Его механические свойства сильно зависят от температуры.
Термические свойства
ПС обладает низкой термостойкостью: температура изгиба под нагрузкой — всего 70–90 °C, поэтому длительная эксплуатация возможна лишь при 60–80 °C. При низких температурах свойства также неудовлетворительные: температура хрупкости составляет -30 °C.
Электрические свойства
ПС обладает превосходными электроизоляционными свойствами, не зависящими от температуры и влажности. Он имеет низкий тангенс угла диэлектрических потерь, выдерживает умеренный коронный разряд и обладает хорошей дугостойкостью, что делает его пригодным для высокочастотных изоляционных материалов.
Химическая стойкость
ПС обладает хорошей химической стойкостью: он устойчив к слабым кислотам, щелочам, солям, минеральным маслам и низшим спиртам. Однако на него действуют многие углеводороды, кетоны и высшие жирные кислоты, а в ароматических растворителях он растворяется. Атмосферостойкость ПС низкая: он плохо противостоит действию света и окислению, поэтому не подходит для длительного использования на открытом воздухе. Вместе с тем ПС обладает хорошей радиационной стойкостью.
02Виды полистирола (ПС)
По характеристикам и областям применения полистирол (ПС) в основном подразделяют на следующие виды:
| Полистирол общего назначения (GPPS) | ХарактеристикиИзвестен также как полистирол общего назначения; обладает хорошей прозрачностью, жёсткостью и электроизоляционными свойствами. | ПрименениеШироко используется для производства прозрачных пластиковых изделий: пищевых контейнеров, футляров для компакт-дисков, пробирок, канцелярских товаров и декоративных материалов. |
|---|---|---|
| Ударопрочный полистирол (УПС, HIPS) | ХарактеристикиВ полистирол общего назначения вводят каучук (обычно полибутадиеновый), чтобы повысить ударную прочность и вязкость; материал, как правило, молочно-белый или непрозрачный. | ПрименениеПодходит для изделий с повышенными требованиями к прочности и вязкости: корпусов бытовой техники, игрушек, корпусов приборов и внутренних камер холодильников. |
| Пенополистирол (EPS) | ХарактеристикиПолучается вспениванием; отличается малой массой, теплоизоляционными и амортизирующими свойствами. | ПрименениеИспользуется для производства изоляционных и упаковочных материалов, одноразовой посуды и теплоизоляционных плит для строительства. |
Экструдированный пенополистирол (XPS) | ХарактеристикиТакже относится к вспененным полистиролам, но получается экструзионным вспениванием; имеет однородную закрытоячеистую структуру, более высокую прочность на сжатие и лучшие теплоизоляционные свойства. | ПрименениеШироко применяется в системах теплоизоляции зданий, для изоляции холодильных складов и полов. |
| Разлагаемый полистирол | ХарактеристикиВ полистирол общего назначения вводят добавки, ускоряющие разложение, чтобы он легче разлагался в окружающей среде и меньше вредил ей. | ПрименениеИспользуется для экологичных упаковочных материалов и одноразовых изделий. |
| Антистатический полистирол | ХарактеристикиВ полистирол вводят антистатики, уменьшающие накопление статического электричества. | ПрименениеИспользуется для упаковки электронных изделий и в других применениях, где требуются антистатические свойства. |
Эти виды полистирола значительно различаются по свойствам и областям применения, что позволяет удовлетворять самые разные требования.
03Применение полистирола (ПС)
Материалы на основе ПС применяются очень широко; основные области их использования можно разделить на следующие группы:
Медицинские и лабораторные изделия
ПС общего назначения прозрачен, жёсток и легко формуется с высокой точностью размеров, поэтому это стандартный материал для одноразовой лабораторной посуды: чашек Петри, пробирок, культуральных флаконов, пипеток и микропланшетов для диагностики. Такие изделия поставляются стерильными. ПС выдерживает стерилизацию гамма-излучением или оксидом этилена, но не паровую стерилизацию в автоклаве, поскольку размягчается при температуре ниже 100 °C.
Из листа УПС (HIPS) термоформованием изготавливают лотки и блистеры для упаковки медицинских изделий и лекарственных препаратов: материал обеспечивает жёсткость и ударопрочность при низкой стоимости. Многие органические растворители разрушают ПС, а его термостойкость ограничена, поэтому он не применяется для химического технологического оборудования и в других сильно агрессивных условиях.
Автомобильная промышленность
В автомобильной промышленности материалы на основе ПС используются главным образом для корпусов приборных панелей, рассеивателей фонарей и элементов освещения. Вспениванием полистирола также получают упаковочные и теплоизоляционные материалы, которые применяются, например, в элементах крыши автомобиля. Кроме того, ПС часто модифицируют или подвергают привитой сополимеризации с другими материалами, получая различные полимерные сплавы семейства ПС. Например, сополимеры стирола с малеиновым ангидридом (SMA) широко используются для изготовления каркасов приборных панелей.
Электроприборы
Материалы на основе ПС сочетают превосходную прозрачность с хорошими изоляционными свойствами, поэтому подходят для деталей и корпусов телевизоров, магнитофонов и различных электроприборов, а также для высокочастотных конденсаторов.
Прозрачные изделия
Благодаря превосходной прозрачности ПС идеально подходит для оптических приборов общего назначения, прозрачных моделей, плафонов, корпусов приборов и упаковочной тары.
Товары повседневного спроса
Благодаря отличной окрашиваемости и блеску ПС широко используется в производстве товаров повседневного спроса: детских игрушек, декоративных панелей, футляров для кассет, мебельных ручек, расчёсок, ручек зубных щёток, корпусов авторучек и канцелярских товаров.
Упаковочные материалы
Вспененные материалы на основе ПС обладают превосходными амортизирующими и теплоизоляционными свойствами и подходят для защитной упаковки и теплоизоляции. Упаковку из них применяют в основном для электроприборов, точных приборов, изделий ручной работы, стеклянных и керамических изделий; к изоляционным материалам относятся перегородочные плиты и сэндвич-панели для кровли.
04Производство полистирола (ПС)
Полимеризация в массе
Стирол полимеризуют в атмосфере инертного газа при контролируемой температуре 60–90 °C в присутствии пероксида бензоила в качестве инициатора и получают прозрачную блочную смолу. Такая смола отличается высокой чистотой, хорошей прозрачностью и блеском.
Эмульсионная полимеризация
Водную эмульсию мономера стирола полимеризуют в присутствии инициатора при температуре 80–95 °C. Затем полимер отделяют от маточного раствора и перерабатывают в порошкообразную смолу. Готовый продукт несколько превосходит смолу, полученную полимеризацией в массе, по термостойкости, но немного уступает ей по электроизоляционным свойствам и прозрачности.
05Модификация полистирола (ПС)
Полистирол имеет ряд недостатков: хрупкость, низкую стойкость к растрескиванию под действием среды и плохую совместимость. Поэтому при производстве часто требуется улучшать его свойства модификацией. Распространённые методы — модификация компаундированием, сополимеризацией и неорганическими наночастицами.
Модификация компаундированием
Этот метод заключается в механическом смешении двух или более полимеров, неорганических материалов и добавок для получения материала с улучшенной механической однородностью, термическими и оптическими свойствами.
Особенности модификации компаундированием:
Модификация компаундированием требует небольших инвестиций и отличается коротким производственным циклом, поэтому является одним из основных способов модификации ПС. Это не только важный метод модификации полимеров, но и значимый путь создания новых материалов.
ПС/ПЭ
Полиэтилен (ПЭ) обладает превосходной гибкостью и ударной прочностью, что помогает повысить вязкость ПС. Однако ПС и ПЭ несовместимы, поэтому при компаундировании необходимо вводить компатибилизатор.
Существует два метода смешения ПС/ПЭ: реакционное и нереакционное смешение.
В исследованиях реакционного смешения реакционноспособный ПС (RPS), хлорированный ПЭ (ХПЭ), ПЭ и ПС одновременно подают в двухшнековый экструдер, где их смешивают в расплаве и экструдируют, получая модифицированную смесь ПС.
Увеличение молекулярной массы ПЭ не влияет на прочность смеси при растяжении, но может повысить её ударную прочность.
ПС/ПП
Полипропилен (ПП) превосходит ПС по ударной вязкости и обладает лучшей термостойкостью. Поэтому смешение ПП с ПС позволяет улучшить термические свойства ПС.
Однако ПП и ПС несовместимы, поэтому требуется компатибилизатор. Применение в системе ПС/ПП диоксида кремния с обработанной поверхностью усиливает межфазную адгезию полимеров и повышает прочность системы при растяжении. Сочетание реакционноспособного ПС (RPS) и полипропилена, привитого малеиновым ангидридом (MPP), также обеспечивает хорошую реакционную компатибилизацию смесей ПС/ПП.
ПС/ПК
Поликарбонат (ПК) обладает превосходными свойствами, в том числе хорошей стойкостью к ползучести и светопропусканием в видимой области более 90 %. Его показатель преломления близок к показателю преломления ПС; в смеси с ПС он повышает термостабильность, прочность и вязкость ПС.
В частично совместимых смесях ПС/ПК напряжения на границе раздела фаз под действием внешней нагрузки распределяются равномерно и непрерывно, что приводит к образованию крейзов и полос сдвига и улучшает механические свойства смеси.
Модификация сополимеров
Модификация сополимеризацией — один из важных методов модификации ПС. Сополимеризация мономера стирола со вторым мономером позволяет ввести гибкие группы, сохранив отличные исходные свойства ПС и улучшив его вязкость и перерабатываемость. Основные методы — сополимеризация с α-олефинами и привитая сополимеризация.
1. Сополимеризация с α-олефинами
При смешении с полиолефинами ПС плохо совмещается, однако их сополимеризация позволяет получить продукты, сочетающие жёсткость и вязкость. В качестве второго мономера обычно используют α-олефин. Сополимеризация стирола со вторым мономером на металлоценовом катализаторе сохраняет жёсткость ПС и одновременно повышает его гибкость.
2. Привитая сополимеризация
На металлоценовом катализаторе стирол сополимеризуют с борсодержащим производным стирола; затем борсодержащие группы в продукте окисляют до гидроксильных групп, которые служат центрами прививки.
Методом радикальной полимеризации с переносом атома (ATRP) синтезирован ряд привитых сополимеров ПС, что позволило функционализировать полистирол. Плотность прививки и длину цепей можно регулировать степенью бромирования и количеством вводимого мономера.
С помощью реакций передачи цепи in situ в подходящих условиях и каталитических системах синтезированы привитые сополимеры ПС с концевыми полярными группами, что обеспечивает функционализацию ПС.
Модификация неорганическими наночастицами
Неорганические наночастицы проявляют особые поверхностные, объёмные и квантово-размерные эффекты, поэтому их свойства существенно отличаются от свойств обычных порошков и массивных материалов. Компаундирование неорганических наноматериалов с ПС в определённых технологических условиях позволяет значительно повысить прочность, вязкость, термостойкость и износостойкость полимерного материала. Основные методы получения композитов ПС с неорганическими наночастицами:
1. Смешение в расплаве
Модифицированные наночастицы вводят в расплав смолы, смесь перемешивают и формуют, получая композиционное изделие. Поскольку наночастицы склонны к агломерации и плохо диспергируются в системе равномерно, решающее значение имеет обработка их поверхности перед смешением.
Композиты ПС с наночастицами, полученные механическим смешением, позволяют значительно повысить прочность при растяжении, ударную вязкость с надрезом и текучесть при нагреве.
2. Смешение в растворе
Базовую смолу растворяют в подходящем растворителе и вводят наночастицы. После тщательного перемешивания до равномерного диспергирования растворитель удаляют и получают композит.
Многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ), обработанные кислотным окислением, диспергируют в тетрагидрофуране, затем добавляют ПС. После 3 часов ультразвуковой обработки получают электропроводящие композиты ПС/МУНТ. Этот метод повышает модуль накопления и электропроводность материала.
3. Полимеризация in situ
Наночастицы с обработанной поверхностью вводят в мономер и равномерно перемешивают. В подходящих условиях инициируют полимеризацию и получают композиты ПС с наночастицами.
Нанокомпозиты ПС/вермикулит, полученные методом in situ, имеют значительно более высокую температуру разложения, чем чистый ПС.
Хотя разработано множество методов модификации ПС, комплекс свойств модифицированных продуктов и механизмы модификации ещё требуют совершенствования. Чтобы модифицированные материалы на основе ПС нашли более широкое применение, их ударная прочность, термостойкость, химическая стойкость и перерабатываемость должны отвечать более высоким требованиям.
Вопросы и ответы
Можно ли перерабатывать полистирол?
Да, полистирол поддаётся вторичной переработке, но этот процесс связан с определёнными трудностями. Из-за малой массы и большого объёма затраты на транспортировку и переработку сравнительно высоки. Особенно это касается пенополистирола (EPS): большой объём и низкая плотность делают его переработку ещё сложнее. Вторичный ПС можно использовать для производства новых пластмассовых изделий или в качестве топлива.
Как полистирол влияет на окружающую среду?
Полистирол плохо разлагается в природе: на его разложение могут уйти сотни лет, что создаёт долговременную нагрузку на экосистемы. При неправильной утилизации отходы ПС загрязняют как морскую, так и наземную среду. Пенополистирол (EPS) при разложении может распадаться на микропластик, что представляет угрозу для диких животных.
Безопасен ли полистирол для пищевой упаковки?
Обычный полистирол, как правило, считается безопасным для контакта с пищевыми продуктами и широко применяется для одноразовой посуды и пищевых контейнеров. Однако при высоких температурах ПС может выделять следовые количества мономера стирола, поэтому его не рекомендуется использовать для разогрева в микроволновой печи и длительного хранения горячих продуктов.
Чем полистирол отличается от других пластиков, например ПП и ПЭТ?
По сравнению с другими пластиками ПС отличается высокой прозрачностью и жёсткостью, но он более хрупок и плохо выдерживает удары. ПП (полипропилен) обладает лучшей вязкостью и термостойкостью и подходит для более широкого круга применений. ПЭТ (полиэтилентерефталат) также отличается высокой прозрачностью и превосходными механическими свойствами и широко используется для бутылок для напитков и пищевой упаковки.
Какие меры предосторожности нужно соблюдать при использовании полистирола?
- Не разогревайте контейнеры из ПС в микроволновой печи, особенно если в них жирная пища.
- При сдаче на переработку изделия из ПС следует отсортировать и по возможности спрессовать, чтобы уменьшить объём и упростить транспортировку и обработку.
- Отходы пенополистирола (EPS) необходимо правильно утилизировать, чтобы они не попадали в окружающую среду.
