Что такое полистирол?

Полистирол — это синтетический термопластичный полимер, который получают путем полимеризации мономера стирола (C_8H_8), представляющего собой углеводородное соединение. Он является одним из самых популярных пластиков в мире благодаря своим физико-химическим свойствам, доступности и разнообразию форм, которые можно из него создать. Полистирол широко используется в упаковке, строительстве, медицине, электронике и даже в производстве бытовых товаров и одноразовой посуды.

Подробнее об истории полистирола можно прочесть в статье "Развитие полистирола: от открытия до производства".

Виды полистирола

Полистирол существует в нескольких формах, каждая из которых обладает уникальными характеристиками и применяется в зависимости от конкретных требований.

• Жесткий (или литой) полистирол: Это твердый и прозрачный материал, который часто используют для производства контейнеров, упаковок, прозрачных крышек и лабораторных принадлежностей. Жесткий полистирол обладает высокой жесткостью и хорошими оптическими свойствами, что делает его подходящим для изделий, где требуется визуальный контроль содержимого.
• Ударопрочный полистирол (HIPS): В отличие от обычного полистирола, ударопрочный полистирол имеет добавки, такие как каучук, которые делают его более устойчивым к ударам и предотвращают появление трещин. HIPS используется в производстве корпусных деталей для электроники, бытовых приборов, а также одноразовых стаканчиков и тарелок, которые должны выдерживать механические нагрузки.
• Экструдированный полистирол (XPS): Это разновидность полистирола, производимая методом экструзии, что придает материалу однородную структуру и повышенную жесткость. XPS, или пенополистирол, обладает отличными теплоизоляционными свойствами и водостойкостью, поэтому используется в строительстве для теплоизоляции стен, полов и крыш.
• Вспененный полистирол (EPS): Вспененный полистирол — это легкий и пористый материал, который получают путем введения вспенивающих агентов в процессе производства. Этот тип полистирола используется для упаковки хрупких товаров, производства одноразовой посуды и теплоизоляции. EPS известен под коммерческим названием Styrofoam™ и используется для защиты продуктов от механических повреждений и перепадов температур.

Виды пластмасс

Пластик окружает нас везде. Из него сделаны игрушки, посуда, инструменты, детали интерьера, предметы быта. Как понять, какой именно вид пластмассы перед вами? Взгляните на маркировку,

История создания полистирола

История полистирола началась в 1839 году, когда немецкий фармацевт Эдуард Симон случайно выделил стирол из природной смолы, но тогда его свойства еще не были изучены. Лишь в 1929 году немецкая компания IG Farben сумела стабильно синтезировать полистирол и в 1931 году начала его промышленное производство, благодаря чему материал получил популярность за прочность и прозрачность.

В 1937 году американская компания Dow Chemical запустила массовое производство полистирола, сделав его доступным для посуды, упаковки и медицинских принадлежностей. В 1950-х Dow разработала пенополистирол (бренд Styrofoam™), который стал важным материалом для теплоизоляции и упаковки. С тех пор полистирол широко используется благодаря своей легкости, низкой стоимости и универсальности.

Химические свойства полистирола

Полистирол — это линейный полимер стирола, представляющий собой неполярный углеводород с уникальной структурой, состоящей из повторяющихся звеньев (C_8H_8)_n. Вот основные химические свойства полистирола:

• Химическая инертность: Полистирол обладает высокой устойчивостью к слабым кислотам и щелочам, что делает его пригодным для использования в различных промышленных приложениях. Он не вступает в реакцию с большинством неорганических химикатов, что обеспечивает его стабильность при контакте с такими веществами, как минеральные масла, спирты и щелочные растворы. Такую устойчивость ему придает ароматическая структура фенильного кольца.
• Чувствительность к органическим растворителям: Полистирол чувствителен к сильным кислотам, таким как азотная или серная кислота, и органическим растворителям, включая бензол, ацетон и некоторые эфиры. Эти вещества могут разрушать полимерные связи полистирола, что приводит к его размягчению и деформации. Это происходит по той причине, что молекулы растворителя проникают между полимерными цепями и ослабляют межмолекулярные связи. Поэтому полистирол не рекомендуется использовать в контакте с растворителями и агрессивными химикатами.
• Термохимическая стабильность: Полистирол устойчив при умеренных температурах, но при температуре около 350°C начинает разлагаться, выделяя пары стирола и другие побочные продукты. Это свойство важно учитывать в процессах переработки, так как высокая температура может вызвать разрушение полимерных цепей.
• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению: Полистирол склонен к фотохимическому разложению под воздействием ультрафиолетового излучения, что приводит к потере прозрачности и прочности. Для предотвращения этого процесса в материал добавляют специальные стабилизаторы, которые поглощают или блокируют УФ-лучи, замедляя разрушение.
• Неполярность и гидрофобность: Полистирол — неполярный материал, который слабо взаимодействует с водой и имеет низкий уровень водопоглощения (менее 0.1%). Это делает его устойчивым к влаге, что особенно важно для упаковки и строительных материалов, где требуется минимальное поглощение воды.
• Электрическая изоляция: Полистирол обладает отличными диэлектрическими свойствами и высоким сопротивлением электрическому току (до 10 в 15 степени Ом·см), что делает его эффективным изолятором. Его электрические свойства позволяют использовать полистирол в электронике и электротехнике для защиты проводов и компонентов.

Физические свойства полистирола

Физические свойства полистирола делают его удобным и универсальным материалом для промышленного использования. Вот его ключевые физические характеристики:

• Плотность: Плотность полистирола составляет около 1.04-1.06 г/см³, что делает его легким материалом по сравнению с многими другими пластиками и тем более — с традиционными материалами, такими как стекло или металл. Легкость полистирола способствует его широкому применению в упаковке и строительстве.
• Оптические свойства: Полистирол в своем естественном состоянии прозрачен и обладает высоким коэффициентом светопропускания (около 90%). Это делает его подходящим для изготовления изделий, где требуется визуальный контроль содержимого, например, контейнеров и упаковки. Кроме того, полистирол обладает сравнительно низким показателем преломления (около 1.59), что минимизирует искажения.
• Жесткость: Полистирол отличается высокой жесткостью, но является хрупким материалом, что делает его склонным к появлению трещин и сколов при воздействии ударов. По шкале Роквелла его твердость находится на уровне R70-R80, что подходит для многих бытовых и промышленных изделий.
• Теплопроводность: Полистирол является плохим проводником тепла (коэффициент теплопроводности составляет около 0.033-0.040 Вт/(м·К)), что делает его полезным для теплоизоляции. Именно из-за низкой теплопроводности пенополистирол стал популярным в строительстве как теплоизоляционный материал.
• Температура стеклования и плавления: Полистирол размягчается при температуре стеклования около 95°C и начинает плавиться при температуре 210-250°C. В этом температурном диапазоне его можно формовать и перерабатывать, что делает полистирол удобным для массового производства изделий путем литья или экструзии.
• Возможность вспенивания: Полистирол легко превращается в пенополистирол при добавлении вспенивающих агентов, таких как углекислый газ. Это придает ему легкость и высокие теплоизоляционные свойства, что расширяет его применение в строительстве, упаковке и при создании одноразовой посуды. Вспененный полистирол имеет пористую структуру, в которой воздух обеспечивает легкость и дополнительную теплоизоляцию.

Среди других свойств материала можно назвать следующие:

Полимер может быть белым или прозрачным. Первый вариант — хорошая альтернатива поливинилхлориду, второй — оргстеклу. Легко поддается обработке, формовке. Прекрасно удерживает тепло, имеет низкую степень водопоглощения. А главное — стоит недорого по сравнению с аналогичными материалами.

Прозрачные марки полистирола отлично пропускают солнечный свет, но под прямыми лучами быстро разрушаются, желтеют, становятся менее прочными.

Вещество растворяется в альдегидах, эфирах, различных ароматических углеводородах, веществах из кетоновой группы. Не растворим в таких средах, как спирт, щелочи, кислоты, обычная вода. Легко поддается окраске, склейке, механической обработке. Устойчив к влаге, низким температурам.

Сферы применения

Самая популярная форма выпуска — небольшие цилиндрические гранулы, обычно прозрачные, не окрашенные. Из этого сырья при температуре от +190 до +230 °C под высоким давлением (метод экструзии) отливают пленку, листы, различные изделия.

Из полистирола производится множество видов пластиковых изделий, которые широко используются в различных сферах, в быту. Это безопасный, недорогой, практичный материал, безопасный для здоровья. Еще одно преимущество — разнообразие марок полимера. Он используется для выпуска упаковочных материалов, детских игрушек, посуды, бытовой техники и т. д.