Полистирен (П.С.)

Полистиренът (П.С.) е термопластичен полимерен материал, синтезиран чрез адитивна полимеризация на стиренов мономер. Като една от петте пластмаси с общо предназначение, той се е превърнал в незаменим основен материал в съвременната индустрия и ежедневието от началото на индустриалното си производство през 30-те години на миналия век, благодарение на отличната си прозрачност, лесна обработка и предимство по отношение на разходите. От прозрачни кутии за опаковки на храни до удароустойчиви пянопласти, от корпуси за домакински уреди до строителни изолационни материали, П.С. играе важна роля в множество области със своите уникални свойства, като същевременно непрекъснато проучва пътища за устойчиво развитие в иновациите в технологиите за опазване на околната среда.

1. Молекулярна структура и основни характеристики

Молекулярната структура на полистирола е ядрото, което определя неговите свойства. Неговата повтаряща се единица е -C₆H₅-CH-CH₂-, а молекулната верига съдържа твърди странични групи на бензеновия пръстен. Тази структура придава на полистирола серия от отличителни характеристики.

По отношение на механичните свойства, полистиренът с общо предназначение (GPPS) показва висока твърдост и якост на опън, достигаща 30-50 МПа, и модул на огъване от приблизително 2800-3500 МПа. Липсва му обаче жилавост, с удължение при скъсване само 1%-3%. Като типичен крехък материал, той е склонен към счупване при удар. За да се преодолее този недостатък, удароустойчивият полистирен (БЕДРА), получен чрез съполимеризация или модификация чрез смесване, въвежда каучукова фаза в молекулната верига, като по този начин повишава удароустойчивостта 3-5 пъти и разширява обхвата на приложение на П.С..

По отношение на термичните свойства, П.С. има температура на стъклен преход (Тг) от приблизително 80-100℃, без ясно изразена точка на топене (поради аморфната си природа). Температурата му на непрекъсната употреба обикновено варира от 60-80℃. След Тг, той постепенно омеква и се деформира. Термичната му стабилност е умерена и е склонен към разграждане при високи температури (над 250℃), освобождавайки стиренов мономер. Следователно е необходим строг температурен контрол по време на обработката. П.С. показва висок коефициент на линейно разширение (приблизително 7×10⁻⁵/℃), а размерната му стабилност е значително повлияна от температурата. Тази характеристика трябва да се вземе предвид при проектирането на прецизни продукти.

Оптичните характеристики са видно предимство на полистирена. Полистиролът за общо предназначение (GPPS) се отличава със светлопропускливост от 88%-92%, ниво на мътност под 1% и висок гланц, втори по големина след полиметилметакрилата (ПММА). Той позволява ясно показване на съдържанието, което го прави идеален материал за прозрачни опаковки и оптични компоненти. Тази висока прозрачност произтича от неговата аморфна или нискокристална молекулярна структура, която избягва разсейването на светлината, причинено от кристализация.

По отношение на производителността на обработка, П.С. показва отлична течливост на стопилката, с широк диапазон на индекс на стопилка (1-40g/10min). Лесно се формова чрез процеси като шприцване, екструдиране и разпенване, с кратки цикли на формоване и висока производствена ефективност. Малката му степен на свиване при формоване (0,4%-0,7%) и високата точност на размерите го правят подходящ за производство на прецизни компоненти. Освен това, П.С. повърхностите са лесни за печат, покритие и заваряване, което позволява вторична обработка чрез различни методи за повишаване на добавената стойност на продукта.

По отношение на химичните свойства, П.С. е устойчив на ерозия от киселинни, алкални и солни разтвори, но лесно се разтваря или набъбва от органични разтворители като ароматни въглеводороди и хлорирани въглеводороди, което го прави неподходящ за съхранение на тези видове химикали. Устойчивостта му на атмосферни влияния е ниска, а дългосрочното излагане на слънчева светлина може да причини разграждане поради ултравиолетова радиация, което води до пожълтяване и крехкост. За подобряване на характеристиките му е необходимо да се добавят Ултравиолетово абсорбатори.

II. Производствен процес и източници на суровини

Промишленото производство на полистирен използва стирен като единствен мономер, а производственият процес е зрял и стабилен. Основата на процеса е инициирането на радикална полимеризация на стирен чрез инициатор, като различни методи на полимеризация се избират въз основа на вида и изискванията за производителност на продукта.

Производството на стиренов мономер служи като основа на веригата за производство на полистирен (П.С.), като се доставя предимно от веригата на нефтохимическата промишленост. В промишлеността етилбензенът обикновено се използва като суровина за производство на стирен чрез дехидрогениране. Етилбензенът, от своя страна, се произвежда чрез алкилиране на бензен и етилен под въздействието на катализатор. Както бензенът, така и етиленът произхождат от рафиниране на петрол или преработка на природен газ, следователно П.С. е по същество пластмаса на изкопаема основа. През последните години е постигнат напредък в изследванията и разработването на биобазиран стирен, което включва производството на прекурсори на стирен (като фенилаланин) чрез ферментация на биомаса, последвано от химическо преобразуване за получаване на биобазиран стирен. Това осигурява нов път за зелено производство на П.С., но все още не е постигнато мащабно промишлено приложение.

Процесът на полимеризация на полистирол включва основно четири вида: полимеризация в насипно състояние, суспензионна полимеризация, емулсионна полимеризация и полимеризация в разтвор. Сред тях, полимеризацията в насипно състояние и суспензионната полимеризация са основните методи в промишленото производство.

Процесът на полимеризация в насипно състояние е подходящ за производство на полистирен с общо предназначение (GPPS) и удароустойчив полистирен (ХИПС). При този процес стиреновият мономер се смесва с инициатор (като бензоил пероксид) и постепенно се нагрява до 80-160°C в реакционен съд, където полимеризацията протича чрез радикалова полимеризация. Реакцията е разделена на два етапа: предполимеризация и постполимеризация. Етапът на предполимеризация се провежда при по-ниска температура, със степен на превръщане от 30%-50%, което води до стопилка с висок вискозитет. Етапът на постполимеризация завършва останалата полимеризационна реакция при по-висока температура, със степен на превръщане над 95%. Продуктът от полимеризацията в насипно състояние има висока чистота и добра прозрачност, без да е необходимо отстраняване на разтворителя, а процесът е прост. Реакцията обаче е екзотермична и концентрирана, което изисква строг температурен контрол, за да се предотврати експлозивна полимеризация.

Процесът на суспензионна полимеризация се използва предимно за производството на полистирен с общо предназначение (П.С.) и експандируем полистирен (ЕПС). При този процес стиреновият мономер се диспергира във вода, за да се образува суспензия, към която се добавят инициатори и диспергатори (като поливинилов алкохол). Полимеризацията протича при 80-100°C с разбъркване. Диспергаторът предотвратява сливането на мономерните капчици, което води до получаване на равномерни частици, подобни на перли. Суспензионната полимеризация е мека и лесно контролируема реакция, при която се получават гранулирани продукти, удобни за разделяне, промиване и сушене, което я прави подходяща за мащабно производство на П.С. с общо предназначение. Чрез въвеждане на пенообразуващ агент (като пентан) по време на процеса на полимеризация могат да се получат експандируеми полистиренови (ЕПС) перли.

Процесът на емулсионна полимеризация се използва за производство на удароустойчив полистирен (ХИПС) или П.С. от латексов тип. Той включва емулгиране на стиренов мономер във водна фаза и иницииране на полимеризация с водоразтворим инициатор (като калиев персулфат), за да се образуват латексови частици. Този процес има бърза скорост на реакция и произвежда продукти с високо молекулно тегло. Той обаче изисква отстраняване на емулгатори и вода, което прави процеса по-сложен. Чистотата на продукта е относително ниска и се използва главно в специални области.

След завършване на реакцията на полимеризация, стопилката или частиците П.С. се екструдират и гранулират в гранулирани суровини. За GPPS, антиоксиданти, лубриканти и други добавки могат да се добавят по време на гранулирането; за БЕДРА, каучукови фази (като полибутадиенов каучук) трябва да се въведат по време на етапа на полимеризация или гранулиране, за да се образува структурирана структура тип „остров в морето“ чрез смесване, като каучуковите частици служат като модификатори на удара, за да абсорбират енергията на удара; за ЕПС е необходима обработка със стареене след гранулиране, за да се гарантира равномерното разпределение на пенообразуващия агент в частиците.

По време на производствения процес е необходим прецизен контрол на температурата на полимеризация, налягането, скоростта на разбъркване и дозата на инициатора, за да се регулира молекулното тегло и разпределението на молекулното тегло на полистирена, осигурявайки стабилни характеристики на продукта. Например, прекомерно високото молекулно тегло може да доведе до намалена течливост на стопилката и трудности при обработката; докато прекомерно ниското молекулно тегло може да компрометира механичните свойства на продукта.

III. Технология за класификация и модификация

Полистиренът може да бъде разделен на множество категории въз основа на структурни и експлоатационни разлики. Границите на неговите експлоатационни характеристики могат да бъдат допълнително разширени чрез техники за физическа или химическа модификация, за да се отговори на разнообразните нужди на приложението.

Полистиролът за общо предназначение (GPPS) е най-основната разновидност на полистирола (П.С.), който е хомополимер с правилни молекулярни вериги и аморфна структура. Той показва отлична прозрачност и обработваемост, но е също така силно крехък и има лоша удароустойчивост. Вътрешният вискозитет на GPPS обикновено е 0,6-0,8 дл/g, а индексът му на топене варира от 5 до 20 g/10 мин.. Използва се главно за производство на прозрачни продукти като контейнери за опаковки на храни, канцеларски материали и корпуси за лампи.

Удароустойчивият полистирен (ХИПС) е смес или присаден съполимер на GPPS и каучукова фаза (обикновено полибутадиенов каучук), който значително подобрява удароустойчивостта чрез диспергиране на каучукови частици в П.С. матрицата. Удароустойчивостта на ХИПС може да достигне 10-20 кДж/m², което е 3-5 пъти повече от тази на GPPS, но прозрачността му намалява (мътност от 10%-30%), а твърдостта леко намалява. В зависимост от съдържанието на каучук (обикновено 5%-15%) и контрола на размера на частиците, БЕДРА може да се раздели на подразделени разновидности като удароустойчив тип и тип с висок гланц, които се използват главно в сценарии, изискващи удароустойчивост, като например корпуси на домакински уреди, играчки и автомобилни интериори.

Експандиращият се полистирен (ЕПС) е полистиренови перли, съдържащи пенообразувател. Чрез нагряване пенообразувателят (като пентан) се изпарява, което кара перлите да се разширят и да образуват пенообразен материал със затворена клетъчна структура. ЕПС има изключително ниска плътност (10-50 кг/м³), отлични топлоизолационни свойства (топлопроводимост 0,03-0,04 W/(m·K)) и свойства на омекотяване и абсорбиране на удари. Той е важен топлоизолационен и опаковъчен материал, широко използван в строителната изолация, опаковането в студената верига и омекотяващите опаковки.

Други модифицирани разновидности на полистирен включват: подсилен полистирен (с добавяне на армиращи материали като стъклени влакна и въглеродни влакна за подобряване на здравината и устойчивостта на топлина), огнеупорен полистирен (с добавяне на забавители на горенето на основата на бром или без халогени за отговаряне на изискванията за пожарна защита), антистатичен полистирен (с добавяне на проводими пълнители за елиминиране на натрупването на статично електричество), прозрачен удароустойчив полистирен (модифициран със специална гума за балансиране на прозрачността и устойчивостта на удар) и т.н.

Технологията на модификация е ключът към подобряване на производителността на полистирена (П.С.), обхващаща предимно химическа и физическа модификация. Химическата модификация променя молекулярната структура чрез реакции на съполимеризация или присаждане, като например съполимеризация на стирен и акрилонитрил за получаване на САН смола, като по този начин подобрява химическата устойчивост и твърдостта. Физическата модификация оптимизира производителността чрез смесване, пълнене, армиране и други методи, като например смесване на П.С. с компютър за подобряване на топлоустойчивостта и смесване с наноглина за подобряване на бариерните свойства. Тези техники за модификация са трансформирали П.С. от един крехък материал в серия от високоефективни материални системи.

IV. Разнообразни области на приложение

Полистиренът, с основните си свойства и разнообразни характеристики след модификация, е постигнал широко приложение в много области като опаковане, домакински уреди, строителство, стоки от първа необходимост, електроника и др., което го прави незаменим материал в съвременното общество.

Опаковъчният материал е една от най-широко прилаганите области на полистирена (П.С.). Поради добрата си прозрачност и ниската си цена, GPPS се използва широко за направата на кутии, тави, чаши и др. за опаковане на храни, които ясно показват съдържанието и лесно се оформят в различни форми. Използва се широко в супермаркети, ресторанти и домакинства. ЕПС, след разпенване, има леки и амортизиращи свойства, което го прави идеален опаковъчен материал за електронни продукти, прецизни инструменти и пресни храни. Той може ефективно да абсорбира удари и вибрации по време на транспортиране, предпазвайки продуктите от повреди. П.С. фолиото може да се използва като термосвиваемо фолио и композитно фолио за опаковане и етикетиране на стоки. Добрата му печатаемост може да подобри естетиката на опаковката.

В областта на домакинските уреди и електрониката, ХИПС често се използва за направата на външните обвивки и вътрешните части на големи домакински уреди като телевизори, перални машини и хладилници, благодарение на отличната си устойчивост на удар и обработваемост, като чрез повърхностно покритие може да се постигне разнообразен външен вид; GPPS се използва за направата на прозрачни части на домакински уреди, като абажури и дисплеи. В областта на електронните аксесоари, П.С. има добра размерна стабилност и може да се използва за направата на прецизни части като конектори, корпуси на превключватели и бобини за бобини. Модифицираният огнеупорен П.С. може също да отговори на изискванията за пожароустойчивост на електронни устройства.

В строителния сектор ЕПС служи като ключов топлоизолационен материал. Той се нарязва и залепва, за да се образуват изолационни плоскости, които се използват за топлоизолация на външни стени, покриви и подове на сгради. Ниската му топлопроводимост значително намалява потреблението на енергия на сградите, а лекото му тегло намалява натоварването на сградата. П.С. плоскостите, след като бъдат разпенени или компаундирани, могат да бъдат изработени в декоративни корнизи, тавани и прегради, предлагайки както естетическа привлекателност, така и издръжливост. Освен това, П.С. се използва и в производството на строителни шаблони, дренажни плоскости и други подобни, предлагайки изключително съотношение цена-качество.

В областта на ежедневните стоки и играчките, прозрачните канцеларски материали (като линийки и папки) и прибори за хранене (като чаши за еднократна употреба и кутии за храна), изработени от GPPS, са леки и издръжливи; БЕДРА, поради добрата си здравина и лесното оцветяване, е един от основните материали за играчки, като пластмасови строителни блокчета и черупки за кукли, а неговите безопасни и нетоксични свойства (БЕДРА за хранителни цели) го правят подходящ за употреба от деца. П.С. се използва и за направата на ежедневни стоки като гребени, дръжки за четки за зъби и закачалки за дрехи, които са евтини и лесни за масово производство.

В други области, П.С. се използва в медицината за направата на корпуси за спринцовки за еднократна употреба, петриеви панички, медицински опаковки и др., изискващи П.С. с медицински клас (нетоксичен, с ниска степен на отделяне); в оптичната област, оптичните компоненти като лещи и призми, изработени от GPPS, имат достатъчна светлопропускливост, за да отговорят на средните до ниските изисквания; в автомобилната област, БЕДРА се използва за направата на интериорни части (като арматурни панели и панели на вратите), а модифициран П.С. може да се използва и за направата на малки външни части; в областта на 3D печата, П.С. телта може да се използва за отпечатване на сложни модели чрез СЛС технология, постигайки висока прецизност и ниска цена.

V. Тенденции в опазването на околната среда и развитието

Екологичността на полистирола отдавна е предмет на безпокойство. Въпреки че е изправен пред предизвикателството на замърсяването с бяло въздух, причинено от трудността му при разграждане, той постепенно се насочва към устойчиво развитие чрез рециклиране, технологични иновации и зелена трансформация.

Екологичните проблеми на полистирола (П.С.) произтичат главно от неговата небиоразградимост. Ако бъдат изхвърлени небрежно, отпадъчните продукти от П.С. могат да се задържат в околната среда за продължителни периоди. Това важи особено за експандирания полистирол (ЕПС), който е обемист и лек, лесно се разпръсква от вятъра, причинявайки визуално замърсяване и екологични щети. Освен това, когато П.С. се изгаря, се отделят вредни вещества (като бензолови производни), което налага оползотворяване на енергия в специализирани инсталации за изгаряне.

Рециклирането е основният подход за справяне с екологичните проблеми, свързани с полистирена. В момента съществуват основно три метода: физическо рециклиране, химическо рециклиране и оползотворяване на енергия. Физическото рециклиране включва сортиране, почистване, раздробяване и топене, гранулиране на отпадъчен полистирен, за да се получи рециклиран полистирен. Рециклираният GPPS може да се използва за производство на аксесоари за опаковки, обвивки на продукти за ежедневна употреба и др.; рециклираният БЕДРА може да се използва за производство на нискокачествени пластмасови продукти, като кофи за боклук и пластмасови табуретки. Химическото рециклиране разлага полистирена на стиренови мономери чрез пиролиза или каталитична деполимеризация, които след това се използват повторно в полимеризационното производство, за да се постигне затворен цикъл. Тази технология може да обработва силно замърсени или сложни отпадъчни материали от полистирен, а чистотата на рециклираните мономери е висока, но цената е сравнително висока. Оползотворяването на енергия включва изгаряне на нерециклируеми отпадъчни материали от полистирен за генериране на електроенергия или топлина, постигайки повторно използване на енергия. Това изисква подкрепа на съоръжения за опазване на околната среда, за да се контролира замърсяването.

За да се намали въздействието върху околната среда при източника му, научноизследователската и развойна дейност в областта на биологично базирания полистирен (П.С.) се ускори. Чрез производството на стиренов мономер от биомасови суровини се намалява зависимостта от изкопаеми ресурси, а въглеродните емисии от биологично базирания П.С. по време на жизнения му цикъл се намаляват с повече от 30% в сравнение с традиционния П.С.. Междувременно е постигнат напредък в изследването на биоразградим П.С.. Чрез добавяне на биоразградими компоненти като нишесте и целулоза към П.С. или въвеждане на хидролизуеми групи, П.С. може постепенно да се разгражда в специфични среди (като условия на компостиране).

Насърчаването на политиките е от решаващо значение за екологичното развитие на полистирола (П.С.). Държави по света са въвели заповеди за ограничаване на пластмасата и забрана на пластмасата, за да ограничат употребата на продукти за еднократна употреба от полистирол, като например забрана на неразградими кутии за обяд от полистирол. В същото време те са подобрили системата за рециклиране и са увеличили процента на рециклиране чрез субсидии, законодателство и други средства. Европейският съюз изисква процентът на рециклиране на полистирола да достигне над 70% до 2030 г.

Бъдещата тенденция в развитието на полистирена се фокусира в три направления: висока производителност, подобряване на устойчивостта на топлина, атмосферни влияния и механичните свойства на полистирена чрез прецизна модификация, като например разработване на дълготрайни строителни материали от полистирен и устойчиви на атмосферни влияния опаковки; екологизиране, насърчаване на индустриализацията на биосуровини и химическото рециклиране за намаляване на екологичния отпечатък и разработване на биоразградими сортове полистирен; и функционализация, разширяване на приложението на полистирена във висок клас области, като например антибактериален полистирен за медицински опаковки, високобариерен полистирен за консервиране на храни и интелигентен, реагиращ на температурата полистирен (като например температурно-чувствителна промяна на цвета) за опаковки против фалшифициране.

Полистиренът, като класическа и универсална пластмаса, въплъщава тясната интеграция на материалознанието и социалните нужди в своето развитие. От основни опаковки до висококачествени продукти, полистиренът подкрепя развитието на множество индустрии със своите рентабилни предимства. Изправен пред екологични предизвикателства, чрез технологични иновации и изграждане на системи, полистиренът преминава от традиционна пластмаса на базата на изкопаеми горива към зелена и рециклируема материална система, продължавайки да играе важна роля в устойчивото развитие.