Polistiren (PS): özellikleri, kullanım alanları ve işlenmesi

Tıbbi ve laboratuvar ürünleri

Genel amaçlı PS şeffaf ve rijittir, dar toleranslarla kolayca kalıplanır; bu nedenle tek kullanımlık laboratuvar malzemelerinin standart hammaddesidir: Petri kapları, test tüpleri, kültür şişeleri, pipetler ve tanı amaçlı mikroplakalar. Bu ürünler steril olarak tedarik edilir. PS, gama ışınımı veya etilen oksitle sterilizasyona dayanır; ancak 100 °C'nin altında yumuşadığı için buharlı otoklavlamaya dayanmaz.

HIPS levha, tıbbi cihazlar ve ilaç ambalajları için termoformlanarak tepsi ve blister ambalaja dönüştürülür; burada düşük maliyetle rijitlik ve darbe dayanımı sağlar. PS birçok organik çözücüden etkilenir ve ısıl dayanımı sınırlıdır; bu nedenle kimyasal proses ekipmanlarında veya diğer güçlü korozif ortamlarda kullanılmaz.

Otomotiv sektörü

Otomotiv sektöründe PS malzemeler başlıca gösterge paneli muhafazaları, lamba kapakları ve aydınlatma bileşenleri gibi uygulamalarda kullanılır. Polistiren köpürtülerek ambalaj ve ısı yalıtım malzemesi de üretilebilir; bunlar araç tavanı gibi bileşenlerde kullanılır. Ayrıca PS çoğunlukla başka malzemelerle modifiye edilir veya aşı kopolimerizasyonuna tabi tutulur ve böylece PS ailesi içinde çeşitli alaşım plastikler elde edilir. Örneğin stiren-maleik anhidrit (SMA) kopolimerleri, otomotiv gösterge paneli çerçevelerinin üretiminde yaygın olarak kullanılır.

Elektrikli cihazlar

PS malzemeler mükemmel şeffaflığı iyi yalıtım özellikleriyle birleştirir; bu sayede televizyonların, ses kayıt cihazlarının ve çeşitli elektrikli cihazların bileşen ve muhafazalarında ve ayrıca yüksek frekanslı kondansatörlerde kullanılmaya uygundur.

Şeffaf ürünler

Mükemmel şeffaflığı sayesinde PS; genel optik aletler, şeffaf maketler, lamba kapakları, cihaz muhafazaları ve ambalaj kapları için idealdir.

Günlük kullanım ürünleri

Mükemmel renklendirilebilirliği ve parlaklığı sayesinde PS; çocuk oyuncakları, dekoratif paneller, kaset kutuları, mobilya kulpları, taraklar, diş fırçası sapları, kalem gövdeleri ve kırtasiye ürünleri gibi günlük kullanım ürünlerinin üretiminde yaygın olarak kullanılır.

Ambalaj malzemeleri

PS köpük plastikler mükemmel darbe sönümleme ve ısı yalıtım özelliklerine sahiptir; bu nedenle darbeye karşı koruyucu ambalajlara ve yalıtım malzemelerine uygundur. Ambalaj malzemeleri başlıca elektrikli cihazlar, hassas aletler, el sanatları ürünleri, cam ve seramik ürünler için kullanılır; yalıtım malzemeleri arasında bölme panelleri ve çatılar için sandviç paneller yer alır.

Kütle polimerizasyonu

Stiren, inert gaz atmosferinde, 60–90 °C'de kontrollü sıcaklıkta ve başlatıcı olarak benzoil peroksit kullanılarak polimerize edilir; sonuçta kütle hâlinde şeffaf bir reçine elde edilir. Bu reçinenin saflığı yüksek, şeffaflığı ve parlaklığı iyidir.

Emülsiyon polimerizasyonu

Bir başlatıcının etkisiyle stiren monomerinin sulu emülsiyonu 80–95 °C'de polimerize edilir. Ardından polimer ana çözeltiden ayrılır ve toz reçine hâline getirilir. Elde edilen ürünün ısıl dayanımı kütle polimerizasyonuyla üretilen reçineden biraz daha iyi, elektriksel yalıtımı ve şeffaflığı ise biraz daha düşüktür.

Kompaundlama ile modifikasyon

Bu yöntemde iki veya daha fazla polimer malzeme, inorganik malzemeler ve katkılar mekanik olarak karıştırılır; böylece mekanik homojenliği, termal ve optik özellikleri iyileştirilmiş bir malzeme elde edilir.

Kompaundlama ile modifikasyonun özellikleri:

Kompaundlama ile modifikasyon düşük yatırım gerektirir ve üretim döngüsü kısadır; bu nedenle PS modifikasyonunda temel yaklaşımdır. Yalnızca polimer modifikasyonu için önemli bir yöntem değil, aynı zamanda yeni malzeme geliştirmenin de önemli bir yoludur.

PS/PE

Polietilen (PE) mükemmel esneklik ve darbe dayanımına sahiptir ve PS'nin tokluğunu artırmaya yardımcı olur. Ancak PS ve PE birbiriyle uyumsuz polimerlerdir; bu nedenle kompaundlama ile modifikasyon sırasında bir uyumlaştırıcı eklenmelidir.

PS/PE harmanlamasında iki yöntem vardır: reaktif harmanlama ve reaktif olmayan harmanlama.

Reaktif harmanlama çalışmalarında reaktif PS (RPS), klorlu PE (CPE), PE ve PS aynı anda çift vidalı ekstrüdere beslenir, eriyik hâlinde harmanlanıp ekstrüde edilir ve modifiye PS harmanı elde edilir.

PS/PP

Polipropilen (PP), PS'den daha tok ve ısıya daha dayanıklıdır. Bu nedenle PP'nin PS ile harmanlanması PS'nin termal özelliklerini iyileştirebilir.

Ancak PP ve PS uyumsuzdur; bu yüzden bir uyumlaştırıcı gerekir. PS/PP sisteminde yüzey işlemli silika kullanılması, polimerler arasındaki ara yüzey yapışmasını güçlendirir ve sistemin çekme mukavemetini artırır. Reaktif PS (RPS) ile maleik anhidrit aşılı polipropilenin (MPP) birlikte kullanılması da PS/PP harmanlarında iyi bir reaktif uyumlaştırma sağlar.

PS/PC

Polikarbonat (PC), iyi sünme direnci ve %90'ın üzerinde görünür ışık geçirgenliği gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Kırılma indisi PS'ninkine yakındır; PS ile harmanlanarak PS'nin ısıl kararlılığını, mukavemetini ve tokluğunu iyileştirebilir.

Kısmen uyumlu PS/PC harmanlarında, dış kuvvetler altında ara yüzey gerilmesi homojen ve sürekli olarak dağılır; bu da çatlak benzeri mikro yarıkların (craze) ve kayma bantlarının oluşmasına yol açarak harmanın mekanik özelliklerini iyileştirir.

Kopolimer modifikasyonu

Kopolimer modifikasyonu, PS modifikasyonunun önemli yöntemlerinden biridir. Stiren monomeri ikinci bir monomerle kopolimerize edilerek esnek gruplar yapıya katılabilir; böylece PS'nin mükemmel temel özellikleri korunurken tokluğu ve işlenebilirliği iyileştirilir. Başlıca yöntemler α-olefinlerle kopolimerizasyon ve aşı kopolimerizasyonudur.

1. α-olefinlerle kopolimerizasyon

PS'nin poliolefinlerle harmanlandığında uyumluluğu düşüktür; ancak kopolimerizasyonlarıyla hem rijit hem tok ürünler elde edilebilir. İkinci monomer genellikle bir α-olefindir. Stirenin ikinci monomerle metalosen katalizör kullanılarak kopolimerize edilmesi, PS'nin rijitliğini korurken esnekliğini artırır.

2. Aşı kopolimerizasyonu

Metalosen katalizör kullanılarak stiren, bor içeren bir stiren türeviyle kopolimerize edilir; ardından üründeki bor grupları hidroksil gruplarına oksitlenir ve bu gruplar aşılama noktası olarak görev yapar.

Atom transfer radikal polimerizasyonuyla bir dizi PS aşı kopolimeri sentezlenmiş ve polistirenin fonksiyonelleştirilmesi sağlanmıştır. Aşılama yoğunluğu ve zincir uzunluğu, bromlama derecesi ve eklenen monomer miktarı ayarlanarak kontrol edilebilir.

Yerinde (in-situ) zincir transfer reaksiyonlarıyla, uygun reaksiyon koşulları ve katalitik sistemler altında uç kısmında polar grup içeren PS aşı kopolimerleri sentezlenmiş ve PS'nin fonksiyonelleştirilmesi mümkün olmuştur.

İnorganik nanopartikül modifikasyonu

İnorganik nanopartiküller kendine özgü yüzey etkileri, hacim etkileri ve kuantum boyut etkileri gösterir; bu nedenle özellikleri geleneksel tozlardan ve kütle hâlindeki malzemelerden önemli ölçüde farklıdır. İnorganik nanomalzemeler belirli proses koşullarında PS ile kompaundlandığında, polimer malzemenin mukavemeti, tokluğu, ısıl dayanımı ve aşınma direnci büyük ölçüde artırılabilir. PS/inorganik nanopartikül kompozitleri için başlıca birkaç hazırlama yöntemi vardır:

1. Eriyik harmanlama yöntemi

Modifiye nanopartiküller erimiş reçineye eklenir; karışım harmanlanıp kalıplanarak kompozit ürün elde edilir. Nanopartiküller topaklanma eğiliminde olduğundan ve sistem içinde homojen dağılmaları zor olduğundan, harmanlamadan önce nanopartiküllere yüzey işlemi uygulanması kritik önemdedir.

Mekanik harmanlamayla hazırlanan PS/nanopartikül kompozitleri çekme mukavemetini, çentikli darbe mukavemetini ve ısıl akış özelliklerini önemli ölçüde iyileştirebilir.

2. Çözelti harmanlama yöntemi

Ana reçine uygun bir çözücüde çözülür ve nanopartiküller eklenir. Homojen dağılım için iyice karıştırıldıktan sonra çözücü uzaklaştırılır ve kompozit elde edilir.

Asit oksidasyonuyla işlenmiş çok duvarlı karbon nanotüpler (MWNT) tetrahidrofuran çözeltisinde dağıtılır, ardından PS eklenir. 3 saatlik ultrasonik işlemin ardından iletken PS/MWNT kompozitleri elde edilir. Bu yöntem malzemenin depolama modülünü ve iletkenliğini artırır.

3. Yerinde (in-situ) polimerizasyon

Yüzey işlemli nanopartiküller monomere eklenir ve homojen biçimde karıştırılır. Uygun koşullarda polimerizasyon başlatılarak PS/nanopartikül kompozitleri hazırlanır.

Yerinde yöntemlerle hazırlanan PS/vermikülit nanokompozitlerin bozunma sıcaklıkları saf PS'ye göre önemli ölçüde yüksektir.

PS için çeşitli modifikasyon yöntemleri geliştirilmiş olsa da modifiye ürünlerin genel performansının ve modifikasyon mekanizmalarının daha da iyileştirilmesi gerekmektedir. Çünkü PS esaslı modifiye malzemelerin daha geniş alanlarda kullanılabilmesi için modifiye ürünlerin darbe dayanımı, ısıl dayanımı, kimyasal dayanımı ve işlenebilirliği daha yüksek standartları karşılamalıdır.