Для чего используется полистирол. Полистирол и его сополимеры. “Алтайский Государственный Технический Университет

В широком разнообразии полимерных материалов особое место занимает полистирол. Из этого материала производят огромное количество различных пластиковых изделий как для бытового, так и для промышленного использования. Сегодня мы с вами познакомимся с формулой полистирола, его свойствами, способами получения и направлениями использования.

Общая характеристика

Полистирол является синтетическим полимером, относящимся к классу термопластов. Как можно понять из названия, он представляет собой продукт полимеризации винилбензола (стирола). Это твердый стеклообразный материал. Формула полистирола в общем виде выглядит следующим образом: [СН 2 СН(С 6 Н 5)] n . В сокращенном варианте она выглядит так: (C 8 H 8) n . Сокращенная формула полистирола встречается чаще.

Химические и физические свойства

Наличие фенольных групп в формуле структурного звена полистирола препятствует упорядоченному размещению макромолекул и образованию кристаллических структур. В этой связи материал является жестким, но хрупким. Он представляет собой аморфный полимер с малой механической прочностью и высоким уровнем светопропускания. Он производится в виде прозрачных цилиндрических гранул, из которых путем экструзии получают необходимую продукцию.

Полистирол является хорошим диэлектриком. Он растворяется в ароматических углеводородах, ацетоне, сложных эфирах, и собственном мономере. В низших спиртах, фенолах, алифатических углеводородах, а также простых эфирах полистирол не растворим. При смешивании вещества с другими полимерами, происходит «сшивание», в результате которого образуются сополимеры стирола, обладающие более высокими конструктивными качествами.

Вещество обладает низким влагопоглощением и устойчивостью к радиоактивному облучению. Вместе с тем оно разрушается под действием ледяной уксусной, и концентрированной азотной кислот. При воздействии ультрафиолета полистирол портится - на поверхности образуется микротрещины и желтизна, увеличивается его хрупкость. При нагревании вещества до 200 °С оно начинает разлагаться с выделением мономера. При этом, начиная с температуры в 60 °С, полистирол теряет форму. При нормальной температуре вещество не токсично.

Основные свойства полистирола:

1. Плотность - 1050-1080 кг/м 3 .
2. Минимальная рабочая температура - 40 градусов мороза.
3. Максимальная рабочая температура - 75 градусов тепла.
4. Теплоемкость - 34*10 3 Дж/кг*К.
5. Теплопроводность - 0,093-0,140 Вт/м*К.
6. Коэффициент термического расширения - 6*10 -5 Ом·см.

В промышленности полистирол получают с помощью радикальной полимеризации стирола. Современные технологии позволяют проводить этот процесс с минимальным количеством непрореагировавшего вещества. Реакция получения полистирола из стирола осуществляется тремя способами. Рассмотрим отдельно каждый из них.

Эмульсионный (ПСЭ)

Это самый старый метод синтеза, который так и не получил широкого промышленного применения. Эмульсионный полистирол получают в процессе полимеризации стирола в водных растворах щелочей при температуре 85-95 °С. Для этой реакции необходимы такие вещества: вода, стирол, эмульгатор и инициатор процесса полимеризации. Стирол предварительно избавляют от ингибиторов (гидрохинона и трибутил-пирокатехина). Инициаторами реакции выступают водорастворимые соединения. Как правило, это персульфат калия или двуокись водорода. В качестве эмульгаторов применяют щелочи, соли сульфокислот и соли жирных кислот.

Процесс происходит следующим образом. В реактор наливают водный раствор касторового масла и при тщательном перемешивании вводят стирол вместе с инициаторами полимеризации. Полученную смесь греют до 85-95 градусов. Растворенный в мицеллах мыла мономер, поступая из капель эмульсии, начинает полимеризоваться. Так получаются полимер-мономерные частицы. На протяжении 20 % времени реакции мицеллярное мыло идет на образование слоев адсорбции. Далее процесс идет внутри частиц полимера. Реакция завершается, когда содержание стирола в смеси будет составлять примерно 0,5 %.

Далее эмульсия поступает на стадию осаждения, позволяющую снизить содержание остаточного мономера. С этой целью ее коагулируют раствором соли (поваренной) и высушивают. В результате получается порошкообразная масса с размером частиц до 0,1 мм. Остаток щелочи сказывается на качестве получаемого материала. Устранить примеси полностью невозможно, а их наличие обуславливает желтоватый оттенок полимера. Этот метод позволяет получить продукт полимеризации стирола с наибольшей молекулярной массой. Получаемое таким способом вещество имеет обозначение ПСЭ, которое периодически можно встретить в технических документах и старых учебниках по полимерам.

Суспензионный (ПСС)

Этот метод осуществляется по периодической схеме, в реакторе, оборудованном мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Для подготовки стирола его суспензируют в химически чистой воде с помощью стабилизаторов эмульсии (поливиниловый спирт, полиметакрилат натрия, гидроксид магния), а также инициаторов полимеризации. Процесс полимеризации проходит под давлением, при постоянном повышении температуры, вплоть до 130 °С. В итоге получается суспензия, из которой первичный полистирол отделяют с помощью центрифугирования. После этого вещество промывают и высушивают. Этот метод также считается устаревшим. Он пригоден в основном для синтезирования сополимеров стирола. Его применяют в основном в производстве пенополистирола.

Блочный (ПСМ)

Получение полистирола общего назначения в рамках этого метода можно проводить по двум схемам: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризация по непрерывной схеме осуществляется на системе, состоящей из 2-3 последовательно соединенных колонных аппаратов-реакторов, каждый из которых оборудован мешалкой. Реакцию проводят постадийно, увеличивая температуру с 80 до 220 °С. Когда степень превращения стирола доходит до 80-90 %, процесс прекращается. При методе неполной конверсии степень полимеризации достигает 50-60 %. Остатки непрореагировавшего стирола-мономера удаляют из расплава путем вакуумирования, доводя его содержание до 0,01-0,05 %. Полученный блочным методом полистирол отличается высокой стабильностью и чистотой. Эта технология является наиболее эффективной, в том числе и потому, что практически не имеет отходов.

Применение полистирола

Полимер выпускается в виде прозрачных цилиндрических гранул. В конечные изделия их перебарывают путем экструзии или литья, при температуре 190-230 °С. Из полистирола производят большое количество пластиков. Распространение он получил благодаря своей простоте, невысокой цене и широкому ассортименту марок. Из вещества получают массу предметов, которые стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни (детские игрушки, упаковка, одноразовая посуда и так далее).

Полистирол широко используют в строительстве. Из него делают теплоизоляционные материалы - сэндвич-панели, плиты, несъемные опалубки и прочее. Кроме того, из данного вещества производят отделочные декоративные материалы - потолочные багеты и декоративную плитку. В медицине полимер используют для производства одноразовых инструментов и некоторых деталей в системах переливания крови. Вспененный полистирол также применяют в системах для очистки воды. В пищевой промышленности используют тонны упаковочного материала, сделанного из данного полимера.

Существует и ударопрочный полистирол, формула которого изменяется путем добавления бутадиенового и бутадиенстирольного каучука. На этот вид полимера приходится более 60 % всего производства полистирольного пластика.

Благодаря предельно низкой вязкости вещества в бензоле можно получить подвижные растворы в придельных концентрациях. Этим обуславливается использование полистирола в составе одного из видов напалма. Он играет роль загустителя, у которого по мере увеличения молекулярной массы полистирола уменьшается зависимость «вязкость-температура».

Преимущества

Белый термопластичный полимер может стать отличной заменой пластику ПВХ, а прозрачный - оргстеклу. Популярность вещество получило главным образом благодаря гибкости и легкости в обработке. Оно отлично формуется и обрабатывается, предотвращает потери тепла и, что немаловажно, имеет низкую стоимость. Благодаря тому, что полистирол может хорошо пропускать свет, его даже используют в остеклении зданий. Однако размещать такое остекление на солнечной стороне нельзя, так как под действием ультрафиолета вещество портится.

Полистирол давно используется для изготовления пенопластов и сопутствующих материалов. Теплоизоляционные свойства полистирола во вспененном состоянии, позволяют использовать его для утепления стен, пола, кровли и потолков, в зданиях различного назначения. Именно благодаря обилию утеплительных материалов, во главе которых стоит пенополистирол, простые обыватели знают о рассматриваемом нами веществе. Эти материалы отличаются простой в использовании, устойчивостью к гниению и агрессивным средам, а также отличными теплоизоляционными свойствами.

Недостатки

Как и у любого другого материала, у полистирола есть недостатки. Прежде всего, это экологическая небезопасность (речь идет об отсутствии методов безопасной утилизации), недолговечность и пожароопасность.

Переработка

Сам по себе полистирол не представляет опасности для окружающей среды, однако некоторые продукты, полученные на его основе, требуют особого обращения.

Отходы материала и его сополимеров накапливаются в виде изделий, вышедших из употребления, и промышленных отходов. Вторичное использование полистирольных пластиков, производится несколькими путями:

1. Утилизация промышленных отходов, которые были сильно загрязнены.
2. Переработка технологических отходов методами литья, экструзии и прессования.
3. Утилизация изношенных изделий.
4. Утилизация смешанных отходов.

Вторичное применение полистирола позволяет получить новые качественные изделия со старого сырья, не загрязняя при это окружающую среду. Одним из перспективных направлений переработки полимера является производство полистиролбетона, который применяется в строительстве зданий малой этажности.

Продукты разложения полимера, образующиеся при термодеструкции или термоокислительной деструкции, токсичны. В процессе переработки полимера путем частичной деструкции могут выделяться пары бензола, стирола, этилбензола, оксида углерода и толуола.

Сжигание

При сжигании полимера выделяется диоксид углерода, монооксид углерода и сажа. В общем виде уравнение реакции горения полистирола выглядит так: (С 8 Н 8) n + О 2 = СО 2 + Н 2 О. Сжигание полимера, содержащего добавки (компоненты увеличивающие прочность, красители и т. д.), приводит к выбросу ряда других вредных веществ.

Давайте попытаемся представить нашу жизнь без полимеров. Без наружной рекламы, удобной упаковки продуктов, разовой посуды — без полистирола.

Так жили люди еще 100 лет назад, а сегодня все выглядит иначе. Листовой полистирол изменил наше существование. Почему это произошло? Чем он так хорош? Делайте выводы сами.

Полистирол (ПС) — это вид пластика (полимерного материала). Его получают из стирола методом полимеризации. ПС имеет линейную структуру, которая позволяет получать из него изделия необходимой формы.

Простота изготовления листового полистирола является главной причиной разнообразия форм, марок и видов этого материала. Помимо доступности исходного сырья существует множество других положительных свойств ПС.

Технические характеристики полистирола

Основными преимуществами листового полистирола являются:

• термопластичность;
• устойчивость к химически активным веществам (большинству щелочей и кислот);
• легкость механической обработки;
• высокая влагостойкость;
• прочность;
• безвредность для человека;
• способность пропускать солнечный свет;
• высокие электроизоляционные свойства.

Главным недостатком листового полистирола является его повышенная горючесть. Поэтому при использовании данного материала нужно соблюдать требования противопожарной техники безопасности.

Маркировка

В России принята маркировка полистирола в зависимости от метода производства. Различают такие виды ПС общего назначения:

• ПСМ — получаемый полимеризацией в массе;
• ПСЭ — эмульсионным методом;
• ПСС — суспензионным способом.

Марки имеют также индивидуальное цифровое обозначение (151, 118 и др.), которое указывает на назначение и свойства продукта.

Ударопрочный листовой полистирол маркируется подобным образом, но вместо аббревиатуры ПС используется УП.

Международная классификация разделяет полистирол на такие группы:

• GPPS — общего назначения;
• HIPS — ударопрочный;
• MIPS — средней ударопрочности;
• EPS — вспененный.

Наибольшее распространение получили первые два вида полистирола. ПС средней ударопрочности используется намного реже. При производстве ударопрочного полистирола в его состав добавляют каучуковую массу, которая изменяет прочностные свойства материала, делая его устойчивых к механическим нагрузкам.

Формы выпуска

Полистирол изготавливается в двух основных формах:

• в виде готовых листов различной длины, толщины и ширины. Полистирол листовой прозрачный может приобретать различные цвета в процессе производства с помощью красок;
• вспененный полистирол листовой. Этот материал более известен нам как пенопласт. Пузырьки воздуха занимают более 90% объема вспененного ПС, поэтому этот материал является очень легким.

Размер листа полистирола может варьироваться. Наиболее часто встречаемые габариты: 1500 х 2400, 1000 х 1400, 1000 х 2000, 2000 х 3000 мм.

Большинство российских производителей гарантируют изготовление листов полистирола любых размеров по желанию клиента.

Сферы применения

Область применения полистирола очень широка. Уникальные свойства этого материала позволяют успешно его использовать:

• в строительстве . Для создания материалов для наружной и внутренней отделки. Полистирол листовой для утепления стен применяется ввиду высоких теплоизоляционных свойств этого материала;
• в медицине . Для изготовления одноразовых инструментов;
• в электротехнической промышленности . Для создания изоляционных материалов;
• в рекламной сфере . Многочисленные вывески в городах сделаны из ПС. Например, полистирол черный глянцевый является отличным материалом для изготовления табличек и указателей на фоне белого фасада зданий;
• в печатной отрасли . Из ПС производят основу для трафаретной печати;
• в пищевой промышленности . Для фасовки молочных, кондитерских, мясных и других продуктов и напитков, производства лотков из полистирола;
• в сельском хозяйстве . Для изготовления теплиц. Полистирол белый листовой является прекрасным заменителем стекла;
• в производстве сантехнических изделий . Для душевых кабин и ванн.

Обработка листового полистирола

Листовой полистирол легко поддается обработке. Высокая термопластичность позволяет изготавливать из этого материала различные изделия: от тончайшей тары для пищевых продуктов до толстых листов для наружной рекламы в городах. Более удобным для обработки является ударопрочный полистирол листовой.

Температура размягчения полистирола составляет 95°С. Поэтому при всех видах механической обработки (распиливании, сверлении, фрезеровании) рекомендуется использовать охлаждающую жидкость.

Ориентировочная цена на листовой полистирол

Полистирол — это доступный полимерный материал. Если вы хотите купить лист полистирола, то должны знать, что цена его зависит от нескольких факторов: производителя, вида полистирола и габаритов листа. В розницу сегодня можно приобрести полистирол листовой по цене от 125 до 2000 рублей за квадратный метр.

Листовой полистирол — это удобный и практичный материал, который широко применяется во всех сферах человеческой жизни. Его использование позволяет нам значительно улучшить комфортность проживания.

В многообразии полимерных материй особенная роль принадлежит полистиролу. Из данной субстанции создаётся колоссальное число разных пластмассовых продуктов для домашнего и индустриального применения.

Длительный временной промежуток увеличение изготовления полистирола удерживалось значительными тарифами на исходники. Прорыв в формировании новейшей подотрасли стали военные действия. Качество полистирола дало возможность использовать его как загуститель для напалма. В мирное время производство подобного рода полимеров приобрело популярность. В настоящее время этот материал с триумфом замещает стеклянные элементы в осветительных приборах, обширно используется в строительных материалах, в упаковке и как украшающий элемент. В современном мире стремительно формируется линия переработки пластика и похожих по строению материалов, т.к. полимерные остатки не являются токсичными и в большом числе сохраняются в неизменённом составе длительных срок.

Общие свойства

Полистирол считается синтетическим полимером, имеющим отношение к подклассу термопластов. Этот продукт предполагает в своём составе наличие стирола, который имеет твёрдую стекловидную структуру.

Химическая формула данного продукта представлена в таком варианте: [СН2СН(С6Н5)]n. В сжатом виде она смотрится в таком виде: (C8H8) n. Материал не растворяется в воде, просто принимает нужную форму и окраску при изготовлении. Растворим в ацетоносодержащих жидкостях, дихлорэтане, толуоле.

Присутствие фенольных соединений в составе полистирола мешает высокоупорядоченному размещению макромолекул и формированию кристаллических строений. Потому этот продукт считается твёрдым, однако непрочным. Полимер считается превосходным диэлектриком. Влияние солнечного излучения на полимер не благоприятно сказывается, могут образоваться трещины, желтизна, возрастает ломкость. При согревании до двухсот градусов полимер распадается с образованием мономера. Материал морозоустойчивый, при температурах выше 60 градусов теряет форму.

Синтез полистирола

По способу производства полистирол разделяется на несколько видов:

• Эмульсионный (ПСЭ). Наиболее устаревший способ получения материала, который не приобрёл обширного индустриального использования. Этот вид полимера получают в ходе полимеризации стирола в гидрофильных растворах щелочей при температурах 80-90 градусов. С целью данного взаимодействия нужны такие ингредиенты, как влага, эмульгатор, стирол, катализатор реакции. Стирол заранее фильтруют от ингибиторов. Соединения калия и двуокись водорода часто провоцируют взаимодействие всех компонентов полимерной реакции. Во время процесса получения полистирола в термореактор вливают растворенное в воде касторовое масло и после размешивания включают в смесь стирол вместе с катализаторами полимерной реакции. Приобретённый состав согревают до 80-95 градусов. Получающийся из крупиц эмульсии мономер, разведённый в мыле, со временем полимеризуется. В конечном итоге выходит полимер в варианте порошка. Целиком убрать примеси (присутствующие во время взаимодействия щёлочи) не получается и получившийся полимер приобретает желтый тон.
• Суспензионный (ПСС). Данный способ исполняется согласно периодической схеме, в термореакторе, снабженном мешалкой и теплоотведением. Стирол подвергают суспензированию. Процедура полимеризации протекает под давлением при непрерывно увеличивающемся терморежиме (до 130 градусов). В результате выходит взвесь, из которой первоначальный полимер отделяют с поддержкой центрифугирования. После этого элемент промывают и высушивают. Данный способ также является устарелым. Его используют для изготовления пенополистирола.
• Блочный (ПСМ). Производство полистирола всеобщего назначения в пределах данного метода возможно осуществить согласно 2 схемам: абсолютной и неполной конверсии. Тепловая автополимеризация согласно постоянной схеме выполняется в концепции, складывающейся из нескольких поочерёдно объединённых термореакторов, любой из которых снабжен мешалкой. При проведении реакции температура идёт на повышение до 200 градусов. Если уровень преобразования стирола достигает 85-90%, процедура прерывается. Данная методика считается более результативной из-за того, что не оставляет остатков производства.

Использование полистирола

Полистирол производится в форме трубчатых гранул. В окончательный продукт этот материал перерабатывают посредством литья. Изделия из этого вида полимера отличаются огромным многообразием. Это могут быть орудия быта, игрушки, элементы декора, упаковки, одноразовый инвентарь. Также полистирол необходим в строительстве. Из пенополистирола производят конструкции, которые подобно термосу не пропускают тепло. Также из-за морозоустойчивости данного материала его можно применять для изготовления ульев для зимовки пчёл, уличных конструкций в зимнее время.

Министерство образования Российской Федерации и науки

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

“Алтайский Государственный Технический Университет

им. И.И. Ползунова”

Реферат.

По дисциплине «органическая химия» на тему:

«Полистирол (поливинилбензол)»

Выполнила студентка гр. ПКМ-71:

Бархатова Л. Н.

Проверила старший преподаватель

кафедры ФиТКМ: Арсентьева С.Н.

Барнаул 2008г.

Введение, общая характеристика и классификация полимеров

1. Историческая справка

2. Описание полистирола

3. Основные свойства

3.1.Физические свойства

3.2.Химические свойства

4. Получение

5. Надмолекулярная структура, конформация, конфигурация

6. Способы отверждения

7. Применение в промышленности

Заключение

Список литературы

Введение

Общая характеристика и классификация полимеров

Полимером называется органическое вещество, длинные молеку­лы которого построены из одинаковых многократно повторяю­щихся звеньев – мономеров.

Размер молекулы полимера определяется степенью полимери­зации n, т.е. числом звеньев в цепи. Если n= от 10 до 20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием n увеличива­ется вязкость, вещество становится воскообразным, наконец, при n=1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограниченна: она может быть 10 4 , и тогда длина молекул достига­ет микрометров. Молекулярная масса полимера равна произве­дению молекулярной массы мономера и степени полимеризации. Обычно она находится в пределах от 10 3 до 3×10 5 . Столь большая длина молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьирует от аморф­ной до частично кристаллической. Доля кристалличности в зна­чительной мере определяется геометрией цепей. Чем ближе укла­дываются цепи, тем более кристалличным полимер становится. Кристалличность даже в лучшем случае оказывается несовершенной .

Аморфные полимеры плавятся в диапазоне температур, зави­сящем не только от их природы, но и от длины цепей; кристалли­ческие имеют точку плавления.

По происхождению полимеры делятся на три группы: синтетические полимеры (искусственные), природные органические и природные неорганические полимеры.

Синтетические полимеры получаются путем ступенчатой или цепной полимеризации низкомолекулярных полимеров.

Природные неорганические полимеры – это например расплав магмы, оксид кремния.

Природные органические полимеры образуются в результате жизнедеятельности рас­тений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выде­ления очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки явля­ются искусственные полимеры. Примерами являются натураль­ный каучук, изготовляемый из латекса, целлулоид, представляю­щий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.

Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной технике, а в некоторых областях остаются неза­менимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной про­мышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических поли­меров – материалов, полученных синтезом из низкомолекуляр­ных веществ и не имеющих аналогов в природе. Развитие хими­ческой технологии высокомолекулярных веществ – неотъемлемая и существенная часть современнойНТР. Без полимеров уже не может обойтись ни одна отрасль техники, тем более новой. По химической структуре полимеры делятся на линейные, разветв­ленные, сетчатые и пространственные. Молекулы линейных поли­меров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния (рисунок 1). Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует думать, что термин «ли­нейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более ха­рактерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под дей­ствием реагентов.

Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем ли­нейные. Контролируемое разветвление цепей служит одним из основных промышленных методов модификации свойств термопластичных полимеров.

Сетчатая структура характерна тем, что цепи связаны друг с другом, а это сильно ограничивает движение и приводит к изме­нению как механических, так и химических свойств. Обычная ре­зина мягка, но при вулканизации серой образуются ковалентные связи типа S-ноль, и прочность растет. Полимер может приобрести сетчатую структуру и спонтанно, например, под действием света и кислорода произойдет старение с потерей эластичности и рабо­тоспособности. Наконец, если молекулы полимера содержат реакционноспособные группы, то при нагревании они соединяются множеством поперечных прочных связей, полимер оказывается сшитым, т. е. приобретает пространственную структуру. Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяю­щие свойства материала, который приобретает прочность и вы­сокую вязкость, становится нерастворимым и неплавким. Вслед­ствие большой реакционной способности молекул, проявляющей­ся при повышении температуры, такие полимеры называют тер­мореактивными. Нетрудно представить, что их молекулы активны не только по отношению друг к другу, но и к поверхностям ино­родных тел. Поэтому термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, обладают высокой адгезионной способностью даже при низких температурах, что позволяет использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующего в композици­онных материалах.

Термопластичные полимеры получают по реакции полимери­зации, протекающей по схеме (рисунок 2).

При цепной полимеризации молекулярная масса нарастает почти мгновенно, промежуточные продукты неустойчивы, реакция чувствительна к присутствию примесей и требует, как правило, высоких давлений. Неудивительно, что такой процесс в естествен­ных условиях невозможен, и все природные полимеры образова­лись иным путем. Современная химия создала новый инстру­мент - реакцию полимеризации, и благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализует­ся лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.

Реакционноспособные молекулы термореактивных полимеров могут образоваться более простым и естественным путем – посте­пенно от мономера к димеру, потом к тримеру, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют ре­акцией поликонденсации; она не требует ни высокой чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара) (рисунок 2). Именно эта реакция реализуется в природе; она мо­жет быть легко осуществлена за счет лишь небольшого нагрева в самых простых условиях, вплоть до домашних. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров предоставляет ши­рокие возможности изготовлять различные изделия на нехимиче­ских предприятиях, в том числе на радиозаводах .

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифици­ровать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.

1. Историческая справка

Промышленность ластмасс зародилась на рубеже XX века. Легко полимеризующийся стирол и его стеклообразный твердый полимер сразу же привлекли внимание. Основы химии и техноло­гии производства полистирола заложили Остромысленский и Штау-дингер. Последний предложил цепной механизм образования макромолекул полистирола.

Первый патент на получение полистирола (способом термической спонтанной полимеризации в массе) был взят в Германии в 1911г. Там же в 1920 г. началось промышленное производство полимера. В 1936г. уже производилось 6000 т/год.

За пределами Германии рост производства полистирола долгое время сдерживался высокой ценой на мономер. Стимулом к бурному развитию послужило создание в США во время второй мировой войны крупнотоннажного производства бутадиен-стирольного каучукачто, естественно, привело к снижению цен на стирол. После Войныпроизводство полистирола и сополимеров стирола, содержащихболее 50 процентов стирола по составу (в отличие от бутадиен-стирольного каучука, где стирола около 30 процентов), развивалось самостоятельно. Разработка таких эффективных продуктов; как пенополистирол, ударопрочные полимеры стирола, АБС-пластики, позволила полистирольным пластикам в целом занять третье место в мировом производстве пластмасс после полиэтилена и поливинилхлорида.

В СССР производство полистирола развернулось в послевоенные годы. Как и в других странах, основу производства составляют процессы свободнорадикальной полимеризации в блоке (массе), суспензии и эмульсии .

В настоящее время производятся практически все основные типы сополимеров стирола, включая сополимеры с α-метилстиролом, метилметакрилатом, ударопрочные сополимеры с каучуком, двойные и тройные сополимеры с акрилонитрилом (включая АВС-пластики) и др.

2. Описание полистирола

Полистирол – термопластичный аморфный полимер с формулой

[-СН 2 -С(С 6 Н 5)Н-] n

Структурная формула:

Полистирол – прозрачное стеклообразное вещество, молекулярная масса 30-500 тыс., плотность 1,06 г/см 3 (20 °С), температура стеклования 93°С.

Для полистирола характерно коптящее пламя с цветочным сладковатым запахом (Этот запах корицы обычно можно обнаружить, уколов исследуемый предмет раскаленной иглой). Если к тому же предмет падает на пол с металлическим звоном то, скорее всего полистирол .

Это твердое, упругое, бесцветное вещество. Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению макромолекул и формированию кристаллических образований. Это жесткий, аморфный полимер с невысокой механической прочностью при растяжении и изгибе. Полистирол имеет низкую плотность, низкую термическую стойкость, обладает отличными диэлектрическими свойствами и весьма низкой прочностью при ударе. Он легко деформируется при относительно невысоких температурах (80°C). При контакте с жирами выделяет мономер стирола. Для улучшения свойств полистирола его модифицируют различными сополимерами и подвергают сшиванию.

Полистирол – дешёвый крупнотоннажный термопласт; характеризуется высокой твёрдостью, хорошими диэлектрическими свойствами, влагостойкостью, легко окрашивается и формуется, химически стоек, растворяется в ароматически и хлорированных алифатических углеводородах. Лучшими эксплуатационными свойствами обладают различные сополимеры стирола. Так, повышения теплостойкости и прочности при растяжении (на ~ 60 процентов) достигают сополимеризацией стирола с акрилонитрилом или a-метилстиролом, повышения прочности и ударной вязкости (от 5-10 до 50-100 кДж/м 2) – получением привитых сополимеров стирола с 5-10% каучука, например бутадиенового (ударопрочный полистирол), а также тройных сополимеров акрилонитрила, бутадиена и стирола (т. н. АБС-пластик). Заменой акрилонитрила на метилметакрилат синтезируют прозрачные тройные сополимеры .

3. Основные свойства

3.1. Физические свойства

Стирол горюч и взрывоопасен. Пределы взрывоопасности в смеси с воздухом при комнатной температуре от 1,1 до 6,1 объемн. %. Допу­стимая концентрация паров в воздухе не выше 0,5 мг/м система­тическое вдыхание паров стирола в концентрации выше допустимой приводит к хроническому заболеванию печени.

Важнейшие физические свойства стирола и α-метилстирола при­ведены ниже:

Таблица 1 – Физические свойства стирола и α-метилстирола

Стирол	α-метилстирол
Структурная формула
Молекулярный вес	104,14	119,14
Т. кипения при 760 мм рт. ст., °C	145,2	165,38
Градиент кипения, °C/мм рт. ст.	0,049	0,052
Т. замерзания при 760 мм рт.ст., °C	–30,628	–
Плотность при 20 °C, г/см 3	0,90600	0,88 (25 °C)
Дипольный момент, Кл×м	0,37×10 -30	–
	1,735	2,04
Вязкость при 20 °C, Па×с	0,078	0,080
Поверхностное натяжение, Н/м	0,0322 (20 °C)	0,0317 (25 °C)
Теплота испарения при 20 °C, кДж/моль	44,6	40,4
	9,719×10 -4	11×10 -4
Критическая температура, °C	373	386
Критическое давление, МПа	3,93	4,84
Коэффициент преломления	1,54682	1,5386

Таблица 2 – Зависимость температуры кипения стирола от давления

Зависимость ряда физических свойств стирола от температуры дается эмпирическими уравнениями:

для давления паров (P-в мм рт. ст., Т-в °C):

для плотности:

для поверхностного натяжения (30-90°C):

Распространенные в технике три основных процесса полимериза­ции стирола приводят к получению продукта, разного внешнего вида. При блочной полимеризации процесс ведут путем постепенного нагревания жидкого мономера. Температурный режим подбирают таким образом, чтобы полимеризующаяся масса все время находилась в вязкотекучем состоянии. Это означает, что в конце процесса, когда конверсия мономера достигает значения, близкого к предель­ному, температура расплавленного полистирола должна быть по­рядка 200–230 °С. Массу продавливают через фильеры путем экст­рузии и в горячем или холодном состоянии разрезают на гранулы. Путем повторной экструзии блочный полистирол окрашивают и ис­пользуют для дальнейшей переработки в изделия.

Таблица 3 –Зависимость некоторых свойств стирола от температуры

Продукты, получающиеся в результате суспензионной и эмуль­сионной полимеризации, представляют собой шарообразные частицы, различающиеся размером. Суспензионный полистирол крупнее – средний размер частиц – 4×5 мм. Эмульсионный продукт – «би­сер» – имеет средний размер частиц
1–10 мкм .

Таблица 4 – Основные физические свойства полистирола

Плотность при 20 °C, г/см 3	1,04–1, 965 (аморфного) 1,12 (кристаллического)
Удельная теплоемкость при 20 °C, кДж/(кг×К)	1,258 (20 °C) 1,84 (100 °C)
Термический коэффициент объемного расширения при 25 °C, 1/°C	(1,7–2,1) ×10 -4 при Т<Т ст (5,1–6,0) ×10 -4 при Т>Т ст
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К)	0,1165 (50 °C) 0,1276 (100 °C)
H сгорания, кДж/моль	– 434×10 -3
H растворения, кДж/моль	– 3,59
H плавления кристаллов, кДж/моль	8,373
Вязкость расплава, Па×с при 217 °C	– 2,65 ×10 -4 при Т<Т ст – 6,05×10 -4 при Т>Т ст
Коэффициент преломления n D (в блоке)	1,59–1,60
Коэффициент Пуассона	0,325
Диэлектрическая проницаемость	2,49–2,55

3 .2. Химические свойства

Химические свойства стирола обусловлены высокой реакционной способностью боковой винильной группы. Фенильное ядро затрагивается в процессе термической полимеризации на стадии инициирования. При окислении стирола на воздухе происходит образование полимера, формальдегида и бензальдегида.

Полистирол относится к группе весьма инертных пластмасс. Он стоек к действию щелочей и галогеноводородных кислот. Нестоек к действию концентрированной азотной кислоты и ледяной уксусной кислоты.

Термическая деструкция полистирола с заметной скоростью протекает при температурах выше 200 °С. Основным продуктом разложения является мономерный стирол. Полистирол горюч. Для того чтобы понизить опасность возгорания, в него добавляют фосфорсодержащие соединения. Широкое использование полистирола в быту,строительстве, пищевой индустрии диктует необходимость максимального снижения содержания в нем остаточного мономера. По действующим нормам пищевой полистирол должен содержать менее 0,3% мономера .

4. Получение полистирола

Основным методом производства стирола в технике до сих пор является каталитическое дегидрирование этилбензола при высоких температурах. Этилбензол, в свою очередь, получают каталитическимжидкофазным алкилированием бензола этиленом на безводном AlCl 3 в мягких условиях. Выход полупродукта и мономера в обоих процессах близок к 90 % от теории. Наибольшую сложность вызывает очистка конечного, продукта от этилбензола и побочных веществ (бензола, толуола и др.), которая производится многосту­пенчатой ректификацией смеси .

Исследования, проводящиеся крупнейшими фирмами-произво­дителями стирола, позволяют постепенно совершенствовать техно­логию его производства. Применяются три типа реакторов дегидрирования – адиабатические с неподвижным слоем катализатора, трубчатые изотермические и секционные.

Поиски новых путей синтеза стирола, по-видимому, не являются совершенно безнадежными. Так, опубликовано сообщение о пуске в Испании установки производства стирола мощностью 79,4 тыс. т/год, работающей по следующей схеме: этилбензол в мягких условиях окисляется в гидроперекись этилбензола, которая затем взаимодействует с пропиленом в присутствии нафтената молибдена, образуя метилфенилкарбинол и окись пропилена. Метилфенилкарбинол выделяют и дегидратируют в стирол. Таким образом, установка производит стирол, и окись пропилена (50 % от выпуска стирола). Хотя запатентовано много других способов получения стирола, включая прямой пиролиз нефти, проблема выделения продукта из смеси компонентов с близкой температурой кипения до сих пор остается неодолимым препятствием для промышленного внедрения. Правда, и в этом; направлении возможны принципиально новые решения, например, японская фирма «Тогау» сообщила о разработке высокоэффективного процесса экстрактивной ректификации стирола из фракций, образующихся при пиролизе бензина в этилен и содер­жащих обычно до 30–35 % стирола, около 52 % ксилола и его изо­меров, а также этилбензол и другие компоненты. Конкретные детали процесса неизвестны, но авторы утверждают, что при производстве мощностью 20 тыс. т/год себестоимость стирола, получаемого в этом процессе, будет на 30–40 % ниже обычной .

Товарный стирол обычно содержит 99,6–99,7 % основного продукта и в большинстве случаев используется для проведения полимеризации без какой-либо предварительной очистки. В лабораторных условиях, когда к воспроизводимости результатов предъявляют высокие требования, стирол очищают вакуум-перегонкой.Стирол весьма плохо растворяет воду (таблица 5), так что специальной очистки от нее при радикальной полимеризации обычно не требуется. Для проведения ионной полимеризации стирол осушают, используя слабо­щелочные осушающие реагенты – окись кальция, силикагель, сер­нокислый или хлористый кальций .

Ярко выраженная склонность стирола к спонтанной (термической) полимеризации, протекающей по радикальному механизму, часто заставляет

Таблица 5 – растворимость воды в стироле и стирола в воде

применять при его хранении ингибиторы типа гидрохинона (илиn - mpem - бутилпирокатехина). Ингибиторы препятствуют также окислению стирола на воздухе и накоплению в нем перекисей, однако они эффективны при температурах ниже 100 °С .

Полимеризация стирола. Процесс состоит из трех стадий. Вначале в некоторых из многих молекул, содержащихся в реакционном сосуде, благодаря повышенной температуре и присутствию катализатора расщепляются двойные связи. Иными словами, эти молекулы активируются (первая стадия полимеризации). Затем активные частицы активируют следующие молекулы стирола, соединяются с ними, образуя цепь (следующая стадия).

Рост цепи прекращается, если соединяются две растущие цепи или если к растущей цепи присоединяется другой остаток, например фрагмент катализатора. Эта стадия называется обрывом цепи.

5. Структура полистирола

Первичные ламели имеют значительную поверхностную энергию, поэтому происходит их агрегация, приводящая к образованию монокресталов - более сложных надмолекулярных образований. При кристаллизации из расплава или концентрированного раствора полимера наиболее общего типа вторичного кристаллического образования является сферолит (рисунок 3), имеющий кольцевую или сферическую форму и достигающую гигантских размеров до 1см. В радикальных или сферических сферолитах каркас формируется из ленточных, кристаллических образований направленных от центра к периферии .

Рисунок 3 – Надмолекулярная структура полимеров: г) сферолитная лента (изотактический полистирол)

Полученные обычным способом поливинилхлорид, поливинилфторид и поли­стирол обладают гораздо меньшей степенью кристалличности и име­ют более низкие температуры плавления; у этих полимеров физиче­ские свойства сильно зависят от стереохимической конфигурации. Полистирол, полученный методом свободнорадикальной полимери­зации в растворе, является атактическим. Этот термин означает, что если ориентировать углеродные атомы полимерной цепи, придав ей, правильную зигзагообразную форму, то фенильные боковые группы окажутся распределенными случайным образом по одну и по другую сторону вдоль цепи (как это показано на рисунке 4). При полимери­зации стирола в присутствии катализатора Циглера образуется изотактический полистирол, отличающийся от атактиче-ского полимера тем, что в его цепях все фенильные группы расположены по одну или по другую сторону цепи. Свойства атактическо­го и изотактического полимеров различаются весьма существенно. Атактический полимер можно формовать при значительно более низких температурах, и он растворим в большинстве растворителей намного лучше изотактического. Существует много других типов стереорегулярных полимеров, один из которых назван синдиотакти ческим; в цепях этого полимера боковые группы расположены по­переменно то по одну, то по другую сторону цепи, как это показано на рисунке 4 .

Рисунок 4 – Конфигурации атактического, изотактического и синдиотактического полистирола

6. Способы отверждения, температура стеклования

Температура стеклования (Т ст) соответствует температуре, при которой возникает подвижность сегментов полимерных цепей.

В таблице 6 приведены значения температур стеклования полистирола. Эти данные показывают влияние скорости нагревания от Т ст.

Таблица 6 – Температура стеклования полистирола

Форму изделия из термопласта получают в результате развития в полимере пластической или высокоэластичной деформации под действием давления при нагреве полимера. При переработке реактопластов формирование изделия обеспечивают путем сочетания физических процессов формирования с химическими реакциями отверждения полимеров. При этом свойства изделий определяют скорость и полнота отверждения. Неполное использование при отверждении реакционных способностей полимера обусловливает нестабильность свойств изделия из реактопластов во времени и протекание деструкционных процессов в готовых изделиях. Низкая вязкость реактопластов при формировании приводит к снижению неравномерности свойств, увеличению скорости релаксации напряжений и меньшему влиянию деструкции при переработке на качество готовых изделий из реактопластов.

В зависимости от способа переработки отверждение совмещается с формованием изделия (при прессовании), происходит после оформления изделия в полости формы (литьевое прессование и литье под давлением реактопластов) или при термической обработке сформованной заготовки (при формовании крупногабаритных изделий, например, листов гетинакса, стеклотекстолита и др.). Полное отверждение реактопластов требует в некоторых случаях нескольких часов. Для увеличения съема продукции с оборудования окончательное отверждение может производиться вне формующей оснастки, так как устойчивость формы приобретается задолго до завершения этого процесса. По этой же причине изделие извлекают из формы без охлаждения.

При переработке полимеров (особенно термопластов) происходит ориентация макромолекул в направлении течения материала. Наряду с различием в ориентации на разных участках неоднородных по сечению и длине изделий возникает структурная неоднородность и развиваются внутренние напряжения.

Наличие температурных перепадов по сечению и длине детали ведет к еще большей структурной неоднородности и появлению дополнительных напряжений, связанных с различием скоростей охлаждения, кристаллизации, релаксации, и различной степенью отверждения.

Неоднородность свойств материала (по указанным причинам) не всегда допустима и часто приводит к браку (по нестабильности физических свойств, размеров, короблению, растрескиванию). Снижение неоднородности молекулярной структуры и внутренних напряжений удается достигнуть термической обработкой готового изделия. Однако более эффективно использование методов направленного регулирования структур в процессах переработки. Для этих целей в полимер вводят добавки, оказывающие влияние на процессы образования надмолекулярных структур и способствующие получению материалов с желаемой структурой .

7. Применение в промышленности

Существуют 2 основных вида полистирола полистирол общего назначения (GPPS), ударопрочный полистирол (HIPS)

Прозрачный полистирол (GPPS - General Purpose PolyStyrene) -неударопрочный материал. Используется в основном для внутреннего остекления, служит экономичной альтернативой оргстеклу.

HIPS (High Impact Polystyrene) обладает повышенной ударопрочностью, благодаря добавкам из бутадиенового или других специальных каучуков, которые обладают ударной вязкостью до 60-70 кДж/м 2 . Его область применения довольна широка – наружная реклама, торговое оборудование, детали холодильников и так далие.

Полистирол общего назначения (GPPS)

Материал используется в основном для внутреннего остекления, служит экономичной альтернативой оргстеклу.

Основные преимущества: влагоустойчивы, долговечны легкость в обработке, обладают великолепной оптической прозрачностью – 94 %, имеют хорошую гладкую поверхность, имеют низкую плотность, устойчивы к химическим воздействиям, обладают высокой жесткостью.

Экструдированный полистирол изготовляется в виде прозрачных, молочных, дымчатых, цветных листов. Изготавливаются антибликовые и декоративные листы с разнообразной фактурой. По специальному заказу листы полистирола могут производиться без УФ – стабилизации. Такие листы можно использовать в контакте с пищевыми продуктами, поскольку они отвечают всем действующим правилам использования материала в контакте с продуктами питания.

Прозрачный полистирол – хрупкий, ломкий и неударопрочный. В связи с этим возникают осложнения при хранении и транспортировке изделий из него. Помимо этого, для достижения необходимого светорассеивания приходится использовать листы с рифленой поверхностью, что зачастую не соответствует современному дизайну. Существенным недостатком ПС является и его низкая устойчивость к воздействию УФ-излучения. Однако полистирол является очень экономичным материалом.

Типичное применение: декоративные перегородки и ширмы защитное покрытие изображений остекление душевых кабин ценники подставки производство светильников все виды остекления внутри помещения и др.

Полистирол ударопрочный ( HIPS )

Ударопрочный полистирол высококачественный листовой материал, производится для процессов термо – или вакуумного формования. HIPS используется в производстве наружной рекламы, деталей холодильников, сантехники, игрушек, пищевой упаковки и тому подобное. Поверхность материала может быть глянцевой, матовой, гладкой или тисненой, с зеркальной поверхностью, различных цветов. Возможно изготовление листов методом соэкструзии. Это позволяет соединить два слоя различных цветов или добавить верхний слой с глянцевой поверхностью.

Ударопрочный полистирол обладает определенной эластичностью и тем самым расширяет возможность его использования при изготовлении светотехнических изделий сложной конфигурации с глубокой вытяжкой. Коэффициент светопропускания (35–38 %) и белизна полностью соответствуют существующим в России стандартам на светотехнические изделия.

Основные преимущества: повышенная ударопрочность слабая чувствительность к надрезам легкость морозостойкость до –40°С влагостойкость отличная формуемость легкость в обработке химическая стойкость к кислотам и щелочам

В своем «родном» состоянии полистирол представляет собой довольно хрупкий материал, непригодный для многих задач. Поэтому в производстве в исходное сырье добавляют специальные добавки, повышающие ударную прочность и гибкость, и таким образом получают ударопрочный полистирол. Одной из разновидностей ударопрочного полистирола является фреоностойкий полистирол, применяемый в производстве холодильного оборудования. Структура поверхности: матовая с обеих сторон или с одной стороны глянцевая (верхний глянцевый слой получают путем соэкструзии с полистиролом обшего назначения), тисненная. При необходимости лист с одной стороны обрабатывается коронным разрядом, на лист наносится защитная термоформуемая пленка. При наружном применении добавляется УФ-стабилизатор, обеспечивающий защиту от пожелтения под воздействием УФ-излучения.

Полистирол светотехнический является одной из разновидностей ударопрочного полистирола, полностью заменяет акриловое стекло при изготовлении конструкций с внутренней подсветкой. В отличие от оргстекла имеет только одну глянцевую поверхность. Высокая популярность светотехнического полистирола обуславливается большей ударной прочностью (по сравнению с акрилом), легкостью обработки, стойкостью к окружающей среде и меньшей стоимостью.

Ударопрочный полистирол является более экономичным вариантом по сравнению с оргстеклом из-за низкой плотности, а так же возможностью применения более тонких (2-3 мм) листов благодаря повышенной ударопрочности по сравнению с оргстеклом (3-5 мм), что обеспечивает экономию в 2 раза, из расчета на 1 кв. м. светорассеивателя .

Катушки, кассеты и бобины для магнитофонной ленты, цоколи радиоламп, облицовочные плиты, шкалы приборов, скобы и хомуты для крепления кабелей, аккумуляторные банки, ручки инструментов и приборов, пленки, абажуры, детали клемм, футляры, принадлежности для бритья, игрушки, посуда, плитки для отделки мебели, пудреницы, крышки для банок и бутылок, коробки, детали электрических выключателей, авторучки – этот перечень изделий из полистирола можно было бы продолжать еще долго. Применение полистирола очень разнообразно - от пленки в конденсаторах толщиной 0,02 мм до толстых плит из пенополистирола, используемых в качестве изоляционного материала в холодильной технике .

Заключение

Изучение полимеров, их физических, химических свойств, а так же взаимодействие различных полимеров друг с другом, приводит к появлению новых соединений, которые соответствовали бы нужным свойствам. Например, можно создавать ударопрочные соединения, или соединения сочетающие несколько нужных свойств, например ударопрочность, морозостойкость, стойкость к воздействию солнечных лучей.

Так изучение полистирола одного из известных полимеров привело к его повсеместному использованию. Мы порой даже не задумываемся из чего сделан тот, или иной предмет окружающий нас. Все чаще натуральные материалы, например дерево, заменяется пластмассам, который гораздо дешевле, и износа стойкий.

Можно сделать один большой вывод: нужно изучать новые материалы, во-первых, натуральных материалов осталось не так уж и много, во-вторых, изучая полимеры можно создавать соединения которые в разы превосходят натуральные, а в третьих, полимеры стали использоваться в промышленности относительно недавно и есть возможность открывать что-то новое.

Список литературы

1. Арзамасом Б.Н. Материаловедение – Москва: Машиностроение, 1986. – 456 с.

2. Беккер Х. Органикум: Пер. с нем. – 2-й том. – М.: Мир, 1992 – 474 с.

3. Малкин А.Я.Полистирол. Физ. хим. основы получения и переработки. – М.: Химия, 1975 – 263 с.

4. Пол Д., Ньюмен С., Полимерные смеси: Пер с англ./под редакцией Д.Пола, С.Ньюмена. 1-й том, – М.: Мир, 1981 – 541 с.

5. Дж.Робертс, М.Касерио. Основы органической химии. том 2-й. – М.: Мир, 1978 – 345 с.

6. Лекционный материал по органической химии.

7. Turkavkaz [Электронный ресурс] / Полимер – Спектр; В. Симонов; ред. А. Маркин; Майкоп.: Адыгейский государственный университет, 2005. Режим доступа: http://www.poli.turkavkaz.ru, свободный. Туркавказ, Turkavkaz.

8. Alhimik [Электронный ресурс] / Кунсткамера, Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты; Гроссе Э., Вайсмантель X.; ред. L.Alikberova; М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2006 ­.­Режим доступа: http://www.alhimik.ru, свободный. Алхимик, Alhimik.

9. Mixport [Электронный ресурс] / Рефераты, Химия, Полимеры; А. Лебедев; ред. И. Водонов; М.: Российский химико-технологический университет (РХТУ) им. Д.И.Менделеева, 2008. Режим доступа: http://www.mixport.ru, свободный. Микспорт, Mixport.

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).

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 тщательного 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. Данным методом можно получать полистирол с наибольшей молекулярной массой. Полистирол получаемый по данному методу имеет аббревиатуру - ПСЭ, которая периодически 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 °С) 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 полимеризацией в массе по непрерывной схеме представляет собой систему последовательно соединенных 2-3 колонных аппарата-реактора с мешалками. Полимеризацию проводят постадийно в среде бензола - сначала при температуре 80-100 °С, а затем стадией 100-220 °С. 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.

Применение

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 на его основе 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, сандвич панели), облицовочные и декоративные материалы (потолочный багет, потолочная декоративная 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 все ещё подвижные растворы, обусловила использование полистирола в составе напалма в качестве загустителя, зависимость «вязкость-температура» которого, в свою очередь, уменьшается с увеличением молекулярной массы полистирола. .

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 загрязненных 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.

Сжигание

При сжигании полистирола образуется двуокись углерода (CO 2), окись 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 - expandable polystyrene (вспенивающийся полистирол, ПСВ)
• Аббревиатура MIPS используется сравнительно редко.

• 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