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.

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.