Технология производства и потребительские свойства полистирола ударопрочного

Физические и химические свойства

Декоративные изделия из полистирола

Свойства материала зависят от нескольких параметров: молекулярная масса, способы производства и т.д. Прочность полистирола и температура его размягчения зависит от молекулярности фракций гранул. Чем этот показатель выше, тем ниже прочность.

Усредненные свойства полистирола:

устойчивость к изгибам – 103 Мпа;
коэффициент теплопроводности – 0,16 Вт/м К;
плотность материала – 1,05 г/см3;
устойчивость к растяжению – 55 Мпа;
коэффициент преломления – 12,59;
стойкость к удлинению – 3%.

Это общие показатели, характерные для всех видов материала. Они могут немного варьироваться в зависимости от производственного процесса. Более точную информацию можно узнать, ознакомившись с сертификатами на выпущенную продукцию у продавца.

Получение

Промышленное производство полистирола основано на радикальной полимеризации стирола. Различают 3 основных способа его получения:

Эмульсионный (ПСЭ)

Наиболее 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)

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)

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.

Продолжительность службы

Если использовать пенополистирол правильно, покрывая его декоративной штукатуркой, срок его службы удастся увеличить до 30 лет. Но в реальности всё оказывается не столь прекрасно, как кажется. Долговечность понижается по причине человеческого фактора. Мастера нередко обустраивают теплоизоляцию некачественно. Да и сами заказчики порой пытаются сэкономить на материалах. Если монтажом занимался неопытный работник, то вряд ли он сможет укладывать правильно пенополистирольные плиты.

Срок службы утеплителя зависит от качества материала и правильности монтажа

Распространенной ошибкой является неправильный подсчет толщины изделий. Почему-то многие думают, что если взять толстую плиту толщиной 30 см, она будет служить дольше и обеспечит дом теплом. В реальности же он больше будет страдать от температурных перепадов и покроется трещинами. Туда без особых усилий проникнет прохладный воздух с улицы. В странах Европы, согласно установленным нормам, используют пенополистирол толщиной не больше 3,5 см.

Химические свойства поликарбоната

PC – группа термопластичных полимеров из группы сложных полиэфиров, которые являются эфирами угольной кислоты. Их получают путем реакции конденсации угольной кислоты с диолами (двухатомными фенолами – фосгеном, бисфенолом А).

Синтез может осуществляться несколькими способами:

фосгенированием бисфенолов путем межфазной конденсации в присутствии щелочей;
поликонденсацией в расплаве путем нагрева диалкилкарбоната с двухатомным фенолом при 180-300°С;
поликонденсацией в растворе с органическим растворителем и третичными органическими основаниями, необходимыми для связывания соляной кислоты.

Термопластичный полимер на основе бисфенола А – аморфное вещество.

ПК совместим со множеством химикатов, при контакте с некоторыми проявляет умеренную стойкость или разрушается.

Химические свойства и использование поликарбоната:

PC устойчив к солям и минеральным маслам;
умеренная химическая стойкость к слабым кислотам – практически не повреждается при температурах > 60°С;
частично растворяются в хлорированных алифатических и ароматических углеводородах, циклогексаноне и диоксане;
ПК не устойчив к щелочам, аминам, аммиаку, альдегидам, кетонам, этиловому спирту и др. (быстро разрушается в течение короткого периода времени);
PC не устойчив к ароматическим углеводородам, к бензину, керосину, анилину, лакам, растворителям, толуолу, метиленхлориду (им склеивают ПК) и другим соединениям.

Особенности эксплуатации поликарбоната, обусловленные его химическими свойствами:

термопласт более восприимчив воздействию химических агентов, когда он находится в напряженном состоянии и/или при деформации;
воздействие агрессивных к ПК химических реагентов не всегда приводит к снижению его технико-эксплуатационных характеристик – пластик может частично раствориться, размягчиться или абсорбировать химикат;
в случае химического разрушения могут возникнуть трещины под напряжением – видимые и микроскопические, что приводит к помутнению или порче изделия из ПК;
нетоксичный и химически инертный материал – PC соответствует требованиям ЕС и FDA для контакта с некоторыми пищевыми продуктами;
химическая устойчивость ПК к воде не является постоянной и зависит от давления и температуры (до +60 °С) – при более высоких температурах воды ПК постепенно разрушается;
при уходе за пластиком PC следует избегать составов для чистки стекла с аммиаком;
следует учитывать, что материал растворим в технических растворителях;
перед применением герметиков, силикона и клеев необходима проверка на совместимость с ПК.

Промышленные поликарбонаты

Термопласты могут подвергаться обработке с применением следующих технологий:

литье под давлением при 280-320 °С – так получают монолитный поликарбонат;
экструзия из гранул при 240-280°С с холодным и горячим формованием — метод изготовления сотового ПК;
литье из растворов в метиленхлориде – получение пленок из термопластичных полимеров.

Для улучшения параметров прочности, жесткости и стабильности при высоких температурах промышленные поликарбонаты дополнительно армируются стекловолокном, модифицируются свето- и/или термостабилизаторами:

Модификации ПК с более высокой текучестью используются для получения продукции с большой площадью.
Разновидности PC, усиленные армирующей сеткой из стекловолокна (10-40%), отличаются повышенной жесткостью и стойкостью к образованию трещин.
Модификации с присадками из графита, сульфита молибдена или тефлона обеспечивают пластику повышенную гладкость и устойчивость к истиранию.

Сополимеры с галогенизированными бисфенолами, в частности с тетрабромбисфенолом, характеризуются пониженной воспламеняемостью. Использование бисфенола S для сополимеризации увеличивает ударную вязкость.

Классификации полимерных материалов

Зависимо от происхождения полимеры разделяют на синтетические и природные. Несмотря на востребованность природных составляющих, материалы искусственного происхождения, которые производят на низкомолекулярной основе, благодаря синтезу, пользуются большим спросом.

Различия по химическому составу позволяет делить полимерные материалы на:

неорганические, у которых нет однотипных соединений, при этом есть органические радикалы, в качестве дополнительных составляющих;
элементоорганические полимеры, отличаются способностью удерживать в органическом радикальном соединении, атомы неорганики, хорошо сочетающихся с органикой;
органические, которые используют, как основу для пластмассовых изделий.

Характерным отличием структуры, влияющим на свойства материала оказывает макромолекула. Ее вид позволяет разделить полимеры на:

плоские;
ленточного типа;
разветвленной структуры;
линейного характера;
сетчатого типа;
гребнеобразные полимеры;
прочие виды.

По свойствам соединений звеньев, полимерные материалы делят по полярности, влияющую на растворимость материалов в разных средах. Ее определяют по разобщению положительных и отрицательных зарядов. Характера этих связей позволяет разделить полимеры на:

гидрофильные;
гидрофобные;
амфильные.

Иначе говоря, можно отнести перечисленные категории к полярным, неполярным или смешанным. Кроме этого, полимеры имеют разные свойства при изменении температуры. Они бывают:

термопластичные, имеющие свойство размягчения, при увеличении градуса, а при понижении – твердеют;
термореактивные, подвержены разрушению структурных связей между звеньями.

Явным примером, подчеркивающим различие структуры, будет письмо, отправленное по почте, предварительно заклеенное в конверт. В процессе транспортировки, тщательно склеенные поверхности остаются невредимыми. Но стоит нагреть обработанное место на огне или с помощью раскаленного металлического предмета, как клей утратит свои свойства и конверт откроется.

Полимерные материалы делят на два типа: синтетический (искусственный) и огнеупорный. Синтетика встречается в различных сферах жизнедеятельности человека: в строительстве, промышленности, быту и даже – в одежде. Производство искусственного сырья началось в первые годы ХХ века. Первым запатентованным материалом была бакелитовая смола, которая при нагревании меняла форму.

Современные синтетические материалы подвержены влиянию огня и высоких температур, а некоторые из них могут воспламеняться. Чтобы избежать подобное используют добавки, а также синтезируют сырье с помощью хлора или брома. Галогенированный полимерный материал, который получается после обработки, при сжигании образует газ, способствующий повышению коррозии других материалов. Разнообразие структур полимеров по химическому составу позволяет разделить материалы на несколько видов, которые находят все большее применение в народном хозяйстве.

Полиэтилен Известен по широко применяемой упаковке различного назначения. Свойства и низкая себестоимость сделала такие материалы популярными в разных отраслях. Различают полиэтилен низкого давления, который обладает прочной структурой молекул и высокого давления, с противоположными свойствами. Эти материалы имеют одинаковы по химическому составу, но различаются по структуре решетки.
Полипропилен Прозрачный полимер изготовленный методикой экструзии с охлаждением методом полива или другим способом с раздувом. Не контактирует с маслами и жирами, не деформируется при температурных изменениях, пропускает водяные пары. Эти свойства материала применяются в пищевой и строительной отрасли.
Поливинилхлорид Такие материалы с полимерной основой встречается реже других из-за способности быть хрупким и не эластичным. Был популярен в 60-е годы прошлого столетия, при сжигании образует диоксин. Современные материалы вытесняют эти полимеры за счет более высокой экологичности и улучшения структуры сырья.
Полиолефин Благодаря разнообразному строению макромолекул, эти полимеры включает в себя составляющие элементы пропилена и полиэтилена. Более половины производимой полимерной продукции относят к полиофелинам. Стойкость к разрыву, нагреву и усадке, позволит в ближайшем будущем увеличить объемы изготовления этого сырья. Тем более, что экологичность, которой обладают такие материалы выше других полимеров, а при производстве и утилизации – не выделяет вредных веществ.

Компоненты, входящие в состав пластмасс

В большинстве своем пластмассы состоят из смолы, а также наполнителя, пластификатора, стабилизатора, красителя и других добавок, улучшающих технологические и эксплуатационные свойства пластмассы. Свойства полимеров могут быть в значительной степени улучшены и изменены, в зависимости от требований, предъявляемых различными отраслями техники, с помощью различных составляющих пластмассы.

Наполнители служат для улучшения физико-механических, диэлектрических, фрикционных или антифрикционных свойств, повышения теплостойкости, уменьшения усадки, а также для снижения стоимости пластмасс. По массе содержание наполнителей в пластмассах составляет от 40 до 70 %. Наполнителями могут быть ткани, а также порошкообразные и волокнистые вещества.

Пластификаторы увеличивают пластичность и текучесть пластмасс, улучшают морозостойкость. В качестве пластификаторов применяют дибутилфталат, трикрезилфосфат и др. Их содержание колеблется в пределах 10 – 20 %.

Стабилизаторы – вещества, предотвращающие разложение полимерных материалов во время их переработки и эксплуатации под воздействием света, влажности, повышенных температур и других факторов. Для стабилизации используют ароматические амины, фенолы, сернистые соединения, газовую сажу.

Красители добавляют для окрашивания пластических масс. Применяют как минеральные красители (мумия, охра, умбра, литопон, крон и т. д.), так и органические (нигрозин, родамин).

Смазочные вещества – стеарин, олеиновая кислота, трансформаторное масло – снижают вязкость композиции и предотвращают прилипание материала к стенкам пресс-формы.

Утилизация

Считается, что полистирол не представляет опасности для окружающей среды.

Переработка

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.

Также из полистирола создают полистиролбетон, который используется для строительства малоэтажных зданий.

Сжигание

При сжигании полистирола образуется диоксид углерода (CO₂), монооксид углерода (CO — угарный газ), сажа. Сжигание полистирола, содержащего добавки (например, красители, компоненты, увеличивающие прочность и т. п.) может привести к выбросу в атмосферу других вредных веществ.

Термодеструкция

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.

Виды и маркировки полистирола и его сополимеров

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

Звукопоглощение и биоустойчивость

В результате исследования удалось установить, что плесень не приживается в структуре пенополистирола. Это доказали учёные из США, которые провели соответствующие опыты в 2004 году. Заказчиком их выступали фирмы-производители из Америки.

Пенополистирол не подвержен поражению грибка и плесени

Если хочется спастись от лишних звуков с улицы, пенополистирол в этом вряд ли поможет. Он способен приглушать ударный шум, но для этого надо укладывать его толстым слоем. Что касается воздушных шумов, пенополистирол справиться с ними тоже не может. Ячейки с воздухом у него располагаются жёстко. Изнутри они изолированы полностью. Вот почему для распространяющихся по воздуху звуковых волн следует обустраивать другие преграды.

Что представляет собой полистирол

плотность 1,05г/м3

Полимер обладает слабой полярностью, имея высокие диэлектрические свойства, они мало зависимы от частоты тока и температур. Он растворим в кетонах, ароматических углеводородах, альдегидах и эфирах, но не растворяется в спиртах, очень устойчив к кислотам, щелочам и воде. Полимер легко формируется и окрашивается, легко обрабатывается механическими способами, хорошо склеивается, он обладает высокой влагостойкостью и морозостойкостью, низким водопоглощением. В производстве его получают 3 способами:

Эмульсионный
Суспензионный
Блочный.

Наиболее устаревший способ получения эмульсионный, поскольку он не нашел своего применения в производстве. Для того чтобы получить полистирол таким методом, необходимо иметь воду, стирол, инициатор полимеризации и эмульгатор, реакция которых происходит при температуре +85 +95оС. Весь процесс заканчивается, когда свободного стирола остается меньше чем 0,5%. Такой метод дает возможность получить полистирол с повышенной молекулярной массой.

Метод суспензионный производится по периодической схеме в реакторах с теплоотводящей рубашкой и мешалкой, применяя эмульсию, стабилизатор и инициатор полимеризации. В ходе процесса температура постепенно повышается до +130оС под давлением. Готовый продукт промывают и сушат. Этот метод также почти не используется, поскольку устарел, но его применяют для получения пенополистирола.

Наиболее эффективным является третий способ, он почти безотходный, поэтому нашел применение в производстве полистирола. Используются две схемы -полной и неполной конвенции для общего назначения полистирола. Полимеризация происходит в среде бензола постадийно, начиная с температуры +80оС постепенно доведя массу до +220оС, пока стирол не превратится в полистирол на 80-90%. Готовый продукт отличается стабильными параметрами и высокой чистотой.

Физические свойства полистирола

Плотность — 1050-1080кг/м3
Насыпная плотность гранул — 550-560кг/м3
Усадка линейная в форме — 0,4-0,8%
Нижний предел рабочей температуры — ( -40оС), верхний предел — (+75оС)
Электрическая прочность с частотой 50Гц — 20-23кВ/мм
Удельное электрическое сопротивление поверхностное — 1016Ом, объемное, под напряжением 1 мин — 1017Ом-см, под напряжением 15 мин — 1015Ом-см.
Коэффициент линейного расширения термического — 6х10-5, 7х10-5градус-1
Теплопроводность — 0,093-0,140Вт/м*К
Теплоемкость — 34х103Дж/кг*К
Диэлектрическая проницаемость — 2,49-2, 6
Тангенс угла при диэлектрических потерях с частотой 1МГц составляет — 3-4Х10-4.

Применение

Стаканчик для йогурта из ударопрочного полистирола

Выпускается в виде прозрачных гранул цилиндрической формы, которые перерабатываются в готовые изделия литьем под давлением либо экструзией при 190—230 °С. 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 широчайшую гамму изделий, которые в первую очередь применяются в бытовой сфере деятельности человека (одноразовая посуда, упаковка, детские игрушки и т. д.), а также строительной индустрии (теплоизоляционные плиты, несъемная опалубка, сэндвич панели), облицовочные и декоративные материалы (потолочный багет, потолочная плитка, полистирольные звукопоглощающие элементы, клеевые основы, полимерные концентраты), медицинское направление (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, опор коаксиальных кабелей. Могут быть получены тонкие пленки (до 100 мкм), а в смеси с со-полимерами (стирол-бутадиен-стирол) до 20 мкм, которые также успешно применяются в упаковочной и кондитерской индустрии, а также производстве конденсаторов.

Ударопрочный полистирол и его модификации получили широкое применение в сфере бытовой техники и электроники (корпусные элементы бытовых приборов).

Военная промышленность

Предельно низкая вязкость полистирола в бензоле, позволяющая даже в предельных концентрациях получать всё ещё подвижные растворы, обусловила использование полистирола в составе одной из разновидностей напалма в качестве загустителя, зависимость «вязкость-температура» которого, в свою очередь, уменьшается с увеличением молекулярной массы полистирола.