Полистирол (ПС)

Полистирол (ПС) — термопластичный полимерный материал, синтезируемый путём аддитивной полимеризации мономера стирола. Будучи одним из пяти пластиков общего назначения, он стал незаменимым базовым материалом в современной промышленности и повседневной жизни с момента его промышленного производства в 1930-х годах благодаря своей превосходной прозрачности, простоте обработки и низкой стоимости. От прозрачных упаковочных коробок для пищевых продуктов до ударопрочных пенопластов, от корпусов бытовой техники до строительных изоляционных материалов — ПС играет важную роль во многих областях благодаря своим уникальным свойствам, одновременно постоянно исследуя пути устойчивого развития в области инновационных технологий защиты окружающей среды.

1. Молекулярная структура и основные характеристики

Молекулярная структура полистирола является основой, определяющей его свойства. Её повторяющееся звено – C₆H₅-Ч-Ч₂-, а молекулярная цепь содержит жёсткие боковые группы бензольного кольца. Эта структура наделяет полистирол рядом отличительных характеристик.

Полистирол общего назначения (ПСОН) обладает высокой жёсткостью и твёрдостью: прочность на разрыв достигает 30–50 МПа, а модуль изгиба – около 2800–3500 МПа. Однако он недостаточно прочный: относительное удлинение при разрыве составляет всего 1–3%. Будучи типичным хрупким материалом, он склонен к разрушению при ударе. Для устранения этого недостатка в ударопрочном полистироле (УППС), полученном методом сополимеризации или смешивания, в молекулярную цепь вводят каучуковую фазу, что повышает ударную вязкость в 3–5 раз и расширяет область применения ПС.

Что касается термических свойств, полистирол имеет температуру стеклования (Тг) приблизительно 80–100 °C, без выраженной температуры плавления (из-за его аморфной природы). Температура его непрерывного использования обычно находится в диапазоне 60–80 °C. Выше Тг он постепенно размягчается и деформируется. Его термическая стабильность умеренная, и он склонен к деградации при высоких температурах (выше 250 °C) с выделением мономера стирола. Поэтому в процессе переработки необходим строгий контроль температуры. Полистирол обладает высоким коэффициентом линейного расширения (приблизительно 7 × 10⁻⁵/℃), и его размерная стабильность существенно зависит от температуры. Эту характеристику следует учитывать при проектировании прецизионных изделий.

Оптические характеристики — важное преимущество полистирола (ПС). Полистирол общего назначения (ПСОН) обладает светопропусканием 88–92%, уровнем мутности менее 1% и высокой степенью блеска, уступающей только полиметилметакрилату (ПММА). Он обеспечивает чёткую демонстрацию содержимого, что делает его идеальным материалом для производства прозрачной упаковки и оптических компонентов. Высокая прозрачность обусловлена его аморфной или низкокристаллической молекулярной структурой, которая предотвращает рассеивание света, вызванное кристаллизацией.

С точки зрения технологических характеристик полистирол обладает превосходной текучестью расплава с широким диапазоном индексов расплава (1–40 г/10 мин). Он легко формуется такими методами, как литье под давлением, экструзия и вспенивание, обеспечивая короткие циклы формования и высокую производительность. Низкая усадка при формовании (0,4–0,7%) и высокая размерная точность делают его пригодным для производства прецизионных деталей. Кроме того, поверхности полистирола легко поддаются печати, нанесению покрытий и сварке, что позволяет проводить вторичную обработку различными методами, повышая добавленную стоимость продукции.

По своим химическим свойствам полистирол устойчив к воздействию кислот, щелочей и солевых растворов, но легко растворяется или разбухает под воздействием органических растворителей, таких как ароматические и хлорированные углеводороды, что делает его непригодным для хранения этих типов химикатов. Он обладает низкой атмосферостойкостью, а длительное воздействие солнечного света может привести к деградации под воздействием ультрафиолетового излучения, что приводит к пожелтению и хрупкости. Для улучшения его характеристик необходимо добавлять УФ-поглотители.

II. Производственный процесс и источники сырья

Промышленное производство полистирола использует стирол в качестве единственного мономера, а его производственный процесс отработан и стабилен. Суть процесса заключается в инициировании радикальной полимеризации стирола с помощью инициатора, при этом различные методы полимеризации выбираются в зависимости от типа и эксплуатационных требований к продукту.

Производство мономера стирола служит основой цепочки производства полистирола (ПС), источником которого в основном является нефтехимическая промышленность. В промышленности этилбензол обычно используется в качестве сырья для получения стирола путем дегидрирования. Этилбензол, в свою очередь, производится путем алкилирования бензола и этилена под воздействием катализатора. Как бензол, так и этилен образуются в процессе нефтепереработки или переработки природного газа, поэтому ПС по сути является пластиком на основе ископаемого сырья. В последние годы был достигнут прогресс в исследованиях и разработках стирола на биологической основе, что включает производство прекурсоров стирола (таких как фенилаланин) путем ферментации биомассы с последующей химической конверсией для получения стирола на биологической основе. Это открывает новый путь для экологически чистого производства ПС, но его крупномасштабное промышленное применение пока не достигнуто.

Процесс полимеризации полистирола подразделяется на четыре основных типа: полимеризация в массе, суспензионная полимеризация, эмульсионная полимеризация и полимеризация в растворе. Среди них полимеризация в массе и суспензионная полимеризация являются основными методами промышленного производства.

Процесс полимеризации в массе подходит для производства полистирола общего назначения (ПСОН) и ударопрочного полистирола (УППС). В этом процессе мономер стирола смешивают с инициатором (например, пероксидом бензоила) и постепенно нагревают до 80-160 °C в реакционном котле, где происходит полимеризация посредством радикальной полимеризации. Реакция делится на две стадии: предполимеризацию и постполимеризацию. Стадия предполимеризации проводится при более низкой температуре со степенью конверсии 30%-50%, что приводит к получению расплава с высокой вязкостью. Стадия постполимеризации завершает оставшуюся реакцию полимеризации при более высокой температуре со степенью конверсии более 95%. Продукт полимеризации в массе отличается высокой чистотой и хорошей прозрачностью, не требует удаления растворителя, а процесс прост. Однако реакция экзотермична и концентрирована, что требует строгого контроля температуры для предотвращения взрывной полимеризации.

Процесс суспензионной полимеризации в основном используется для производства полистирола общего назначения (ПС) и вспенивающегося полистирола (ВПС). В этом процессе мономер стирола диспергируется в воде для образования суспензии, к которой добавляются инициаторы и диспергаторы (например, поливиниловый спирт). Полимеризация происходит при температуре 80-100 °C при перемешивании. Диспергатор предотвращает коалесценцию капель мономера, что приводит к образованию однородных частиц в форме шариков. Суспензионная полимеризация — это мягкая и легко контролируемая реакция, дающая гранулированные продукты, которые удобны для разделения, промывки и сушки, что делает ее подходящей для крупномасштабного производства ПС общего назначения. Введение вспенивающего агента (например, пентана) в процессе полимеризации позволяет получать гранулы вспенивающегося полистирола (ВПС).

Процесс эмульсионной полимеризации используется для получения ударопрочного полистирола (УППС) или латексного ПС. Он включает эмульгирование стирольного мономера в водной фазе и инициирование полимеризации водорастворимым инициатором (например, персульфатом калия) с образованием латексных частиц. Этот процесс характеризуется высокой скоростью реакции и приводит к получению продуктов с высокой молекулярной массой. Однако он требует удаления эмульгаторов и воды, что усложняет процесс. Чистота продукта относительно низкая, и он используется в основном в специальных областях.

После завершения реакции полимеризации расплав или частицы полистирола экструдируются и гранулируются в гранулированное сырье. Для полистирола общего назначения (GPPS) антиоксиданты, смазочные вещества и другие добавки могут быть добавлены во время грануляции; для ударопрочного полистирола (БЕДРА) каучуковые фазы (например, полибутадиеновый каучук) необходимо вводить на стадии полимеризации или грануляции для формирования структуры типа «остров в море» путем смешивания, при этом частицы каучука служат модификаторами ударопрочности, поглощая энергию удара; для EPS требуется постгрануляционная обработка старением для обеспечения равномерного распределения вспенивающего агента в частицах.

В процессе производства необходим точный контроль температуры полимеризации, давления, скорости перемешивания и дозировки инициатора для регулирования молекулярной массы и молекулярно-массового распределения полистирола, обеспечивая стабильные эксплуатационные характеристики продукта. Например, чрезмерно высокая молекулярная масса может привести к снижению текучести расплава и трудностям переработки, тогда как чрезмерно низкая молекулярная масса может ухудшить механические свойства продукта.

III. Технология классификации и модификации

Полистирол можно разделить на несколько категорий в зависимости от структурных и эксплуатационных характеристик. Диапазон его эксплуатационных характеристик может быть расширен с помощью методов физической или химической модификации для удовлетворения различных потребностей в области применения.

Полистирол общего назначения (ПСОН) – это базовая разновидность полистирола (ПС), гомополимера с регулярными молекулярными цепями и аморфной структурой. Он обладает превосходной прозрачностью и технологичностью, но при этом очень хрупкий и обладает низкой ударопрочностью. Характеристическая вязкость ПСОН обычно составляет 0,6–0,8 дл/г, а индекс расплава – от 5 до 20 г/10 мин. Он в основном используется для производства прозрачных изделий, таких как контейнеры для упаковки пищевых продуктов, канцелярские принадлежности и корпуса ламп.

Ударопрочный полистирол (УППС) представляет собой смесь или привитой сополимер УППС и каучуковой фазы (обычно полибутадиенового каучука), который значительно повышает ударопрочность за счёт диспергирования частиц каучука в матрице ПС. Ударная вязкость УППС может достигать 10–20 кДж/м², что в 3–5 раз выше, чем у УППС, но при этом снижается его прозрачность (мутность 10–30%) и незначительно снижается жёсткость. В зависимости от содержания каучука (обычно 5–15%) и размера частиц УППС можно разделить на два вида, такие как ударопрочный и высокоглянцевый, которые в основном используются в случаях, требующих ударопрочности, например, для корпусов бытовой техники, игрушек и салонов автомобилей.

Вспенивающийся полистирол (ВПС) – это гранулы полистирола, содержащие вспенивающий агент. При нагревании вспенивающий агент (например, пентан) испаряется, что приводит к расширению гранул и образованию вспененного материала с закрытоячеистой структурой. ВПС обладает чрезвычайно низкой плотностью (10–50 кг/м³), отличными теплоизоляционными свойствами (теплопроводность 0,03–0,04 Вт/(м·К)) и амортизирующими и ударопоглощающими свойствами. Он является важным теплоизоляционным и упаковочным материалом, широко используемым в строительстве, для упаковки в холодильных цепях и в качестве амортизирующего материала.

К другим модифицированным разновидностям ПС относятся: армированный ПС (добавление армирующих материалов, таких как стекловолокно и углеродное волокно, для повышения прочности и термостойкости), огнестойкий ПС (добавление антипиренов на основе брома или без галогенов для соответствия требованиям пожарной безопасности), антистатический ПС (добавление токопроводящих наполнителей для исключения накопления статического электричества), прозрачный ударопрочный ПС (модифицированный специальной резиной для баланса прозрачности и ударопрочности) и т. д.

Технология модификации – ключ к улучшению характеристик полистирола (ПС), охватывающая, прежде всего, химическую и физическую модификации. Химическая модификация изменяет молекулярную структуру посредством реакций сополимеризации или прививки, например, сополимеризации стирола и акрилонитрила для получения смолы САН, тем самым повышая химическую стойкость и жёсткость. Физическая модификация оптимизирует характеристики посредством смешивания, наполнения, армирования и других методов, таких как смешивание ПС с ПК для повышения термостойкости и компаундирование с наноглиной для улучшения барьерных свойств. Эти методы модификации превратили ПС из единого хрупкого материала в серию высокоэффективных систем материалов.

IV. Разнообразные области применения

Полистирол, благодаря своим основным свойствам и разнообразным характеристикам после модификации, нашел широкое применение во многих областях, таких как упаковка, бытовая техника, строительство, предметы повседневного спроса, электроника и т. д., что делает его незаменимым материалом в современном обществе.

Упаковка – одна из наиболее распространенных сфер применения полистирола (PS). Полистирол общего назначения (GPPS) благодаря своей прозрачности и низкой стоимости широко используется для изготовления коробок, лотков, стаканчиков и т. д. для упаковки пищевых продуктов, которые позволяют наглядно отображать содержимое и легко формуются в различные формы. Он широко используется в супермаркетах, ресторанах и домашних хозяйствах. После вспенивания EPS обладает лёгкостью и амортизирующими свойствами, что делает его идеальным упаковочным материалом для электронных устройств, точных приборов и свежих продуктов питания. Он эффективно поглощает удары и вибрацию при транспортировке, защищая продукцию от повреждений. PS-плёнка может использоваться в термоусадочной и композитной плёнке для упаковки и маркировки товаров. Его хорошие печатные свойства улучшают эстетику упаковки.

В сфере бытовой техники и электроники БЕДРА часто используется для изготовления внешних корпусов и внутренних деталей крупной бытовой техники, такой как телевизоры, стиральные машины и холодильники, благодаря своей превосходной ударопрочности и технологичности, а также благодаря покрытию поверхности позволяет добиться разнообразного внешнего вида; GPPS используется для изготовления прозрачных деталей бытовой техники, таких как абажуры и дисплейные панели. В сфере электронных аксессуаров полистирол обладает хорошей размерной стабильностью и может использоваться для изготовления прецизионных деталей, таких как разъёмы, корпуса переключателей и катушки катушек. Модифицированный огнестойкий полистирол также может отвечать требованиям пожарной безопасности электронных устройств.

В строительстве пенополистирол (ПС) служит важнейшим теплоизоляционным материалом. Его разрезают и склеивают, формируя теплоизоляционные плиты, которые используются для утепления наружных стен, крыш и полов зданий. Его низкая теплопроводность значительно снижает энергопотребление, а лёгкий вес уменьшает нагрузку на здание. После вспенивания или компаундирования пенополистироловые плиты могут использоваться для изготовления декоративных молдингов, потолков и перегородок, обеспечивая как эстетическую привлекательность, так и долговечность. Кроме того, ПС также используется для производства строительных шаблонов, дренажных панелей и т.п., демонстрируя исключительное соотношение цены и качества.

В сфере товаров повседневного спроса и игрушек из полистирола общего назначения (GPPS) изготавливаются лёгкие и прочные прозрачные канцелярские принадлежности (например, линейки и папки) и столовые приборы (например, одноразовые стаканчики и контейнеры для еды). БЕДРА, благодаря высокой прочности и лёгкости окрашивания, является одним из основных материалов для игрушек, таких как пластиковые строительные блоки и оболочки кукол. Его безопасность и нетоксичность (БЕДРА пищевой) делают его пригодным для использования детьми. PS также используется для изготовления предметов повседневного спроса, таких как расчёски, ручки для зубных щёток и вешалки для одежды, которые отличаются низкой стоимостью и простотой массового производства.

В других областях ПС используется в медицине для изготовления одноразовых корпусов шприцев, чашек Петри, медицинской упаковки и т. д., для которых требуется ПС медицинского класса (нетоксичный, с низкой вымываемостью); в оптической области оптические компоненты, такие как линзы и призмы, изготовленные из ПСГ, имеют достаточную светопропускаемость для удовлетворения требований среднего и нижнего уровня; в автомобильной промышленности УПС используется для изготовления деталей интерьера (например, приборных панелей и дверных панелей), а модифицированный ПС также может использоваться для изготовления небольших внешних деталей; в области 3D-печати проволока ПС может использоваться для печати сложных моделей с помощью технологии SLS, что обеспечивает высокую точность и низкую стоимость.

V. Охрана окружающей среды и тенденции развития

Экологическая безопасность полистирола уже давно вызывает опасения. Несмотря на то, что он сталкивается с проблемой «белого загрязнения», вызванного его высокой степенью разложения, он постепенно движется к устойчивому развитию благодаря переработке, технологическим инновациям и «зелёной» трансформации.

Экологические проблемы полистирола (ПС) обусловлены, прежде всего, его неспособностью к биологическому разложению. При небрежной утилизации отходы ПС могут сохраняться в окружающей среде в течение длительного времени. Это особенно актуально для вспененного полистирола (ВПС), который отличается объёмом и лёгкостью, легко разносится ветром, загрязняя окружающую среду и нанося вред окружающей среде. Кроме того, при сжигании ПС выделяются вредные вещества (например, производные бензола), что требует утилизации энергии на специализированных мусоросжигательных заводах.

Переработка является основным подходом к решению экологических проблем, связанных с полистиролом. В настоящее время существует три основных метода: физическая переработка, химическая переработка и рекуперация энергии. Физическая переработка включает сортировку, очистку, дробление и плавление гранул отходов полистирола для получения переработанного полистирола. Переработанный полистирол общего назначения может использоваться для производства упаковочных аксессуаров, оболочек для товаров повседневного использования и т. д.; переработанный ударопрочный полистирол может использоваться для производства низкосортных пластиковых изделий, таких как мусорные баки и пластиковые табуреты. Химическая переработка разлагает полистирол на мономеры стирола посредством пиролиза или каталитической деполимеризации, которые затем повторно используются в полимерном производстве для достижения замкнутого цикла. Эта технология может перерабатывать сильно загрязненные или сложные отходы полистирола, и чистота переработанных мономеров высока, но стоимость относительно высока. Рекуперация энергии включает сжигание неперерабатываемых отходов полистирола для выработки электроэнергии или тепла, что обеспечивает повторное использование энергии. Для этого требуется поддержка природоохранных организаций для контроля загрязнения.

Чтобы снизить воздействие на окружающую среду в месте его происхождения, были ускорены исследования и разработки полистирола на основе биомассы. Производство стирольного мономера из биомассы снижает зависимость от ископаемых ресурсов, а выбросы углерода в течение его жизненного цикла сокращаются более чем на 30% по сравнению с традиционным полистиролом. В то же время, был достигнут прогресс в исследовании разлагаемого полистирола. Добавление в полистирол разлагаемых компонентов, таких как крахмал и целлюлоза, или введение гидролизуемых групп позволяет полистиролу постепенно разлагаться в определенных условиях (например, при компостировании).

Продвижение политики имеет решающее значение для экологически безопасного развития полистирола (ПС). Страны по всему миру ввели "hпостановления об ограничении и запрете пластика", чтобы ограничить использование одноразовых изделий из ПС, например, запретили неразлагаемые ланч-боксы из ПС. Одновременно с этим была улучшена система переработки и увеличен уровень переработки за счёт субсидий, принятия законодательных актов и других мер. Европейский союз требует, чтобы уровень переработки ПС к 2030 году превысил 70%.

Будущие тенденции развития полистирола сосредоточены на трех направлениях: высокая производительность, улучшение термостойкости, атмосферостойкости и механических свойств полистирола за счет точной модификации, например, разработка долговечных строительных материалов из полистирола и атмосферостойкой упаковки; экологичность, содействие индустриализации биологического сырья и химической переработки для снижения воздействия на окружающую среду и разработки разлагаемых сортов полистирола; и функционализация, расширение применения полистирола в высокотехнологичных областях, таких как антибактериальный полистирол для медицинской упаковки, высокобарьерный полистирол для сохранения пищевых продуктов и интеллектуальный полистирол (например, чувствительный к температуре и изменяющий цвет) для упаковки, защищенной от подделки.

Полистирол, будучи классическим и универсальным пластиком, воплощает в себе тесную интеграцию материаловедения и социальных потребностей в процессе своего развития. От простой упаковки до высокотехнологичных продуктов, полистирол способствует развитию множества отраслей благодаря своим экономически эффективным преимуществам. Столкнувшись с экологическими проблемами, благодаря технологическим инновациям и системному проектированию, полистирол переходит от традиционного пластика на основе ископаемого сырья к экологичной и перерабатываемой системе материалов, продолжая играть важную роль в устойчивом развитии.