Polistyren

Od co najmniej 60 lat tworzywa sztuczne znajdują coraz większe zastosowanie w różnych dziedzinach techniki i życia codziennego. Stosowane początkowo jako namiastki tradycyjnych i zarazem deficytowych tworzyw wytwarzanych z surowców naturalnych, stały się następnie pełnowartościowymi materiałami o nowych, nie spotykanych dotychczas właściwościach. Umożliwiło to zajęcie im równorzędnej, a w niektórych dziedzinach przodującej pozycji wobec innych materiałów. Obecnie tworzywa sztuczne nie tylko dorównują szeregiem właściwości takim tradycyjnym materiałom jak: metale, drewno, skóra, włókna naturalne, szkło i wyroby ceramiczne, kauczuk naturalny ale i przewyższają je pod wieloma względami.
Do szczególnych cech i zalet tworzyw sztucznych, którym zawdzięczają one tak szerokie rozpowszechnienie, należy zaliczyć przede wszystkim:

- łatwość formowania wyrobów o skomplikowanych kształtach w ostatecznej postaci,
- stosunkowo dużą, a w wielu przypadkach bardzo dużą odporność chemiczną,
- dobre właściwości mechaniczne i często doskonałe właściwości elektryczne (elektroizolacyjne),
- małą gęstość i związany z tym najczęściej bardzo korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości,
- możliwość łatwego otrzymywania wyrobów o estetycznym wyglądzie (barwa i połysk),
- możliwość barwienia i uzyskiwania wyrobów przezroczystych.

Kolejną zaletą tworzyw sztucznych jest możliwość stosowania ich w różnorodnej postaci. Mogą one być stosowane jako tworzywa konstrukcyjne, materiały powłokowe, spoiwa, kleje i kity, włókna syntetyczne. Najważniejszym jednak kierunkiem stosowania tworzyw sztucznych jest używanie ich w charakterze materiałów konstrukcyjnych, do wytwarzania części maszyn i urządzeń oraz przedmiotów powszechnego użytku.
Tworzywa sztuczne mają oczywiści także i wady, które ograniczają ich stosowanie.
W porównaniu z metalami odznaczają się niższą wytrzymałością mechaniczną i mniejszą twardością, płyną pod znacznie mniejszym obciążeniem (zjawisko pełzania) i mają w większości niezbyt zadowalającą odporność cieplną.

Tworzywa styrenowe należą obok poliolefin i polichlorku winylu do masowo produkowanych termoplastów. I chociaż ich ilościowy udział w tej grupie materiałów jest najmniejszy, to dzięki dużej sztywności i bardzo ładnej powierzchni wytwarzanych z nich wyrobów można je często spotkać w codziennym życiu.

Do najważniejszych cech, które zadecydowały o tak dużej produkcji i zastosowaniu tworzyw styrenowych należą:

- dobrze opanowane metody otrzymywania polimeru;
- dobre właściwości fizyczne;
- łatwość przetwarzania, szczególnie formowania wtryskowego;
- możliwość modyfikacji przez mieszanie z innymi substancjami, zwłaszcza z elastomerami otrzymywanymi z butadienu;
- łatwość kopolimeryzacji styrenu z innymi monomerami.

Istnieje kilka odmian podstawowych tworzyw styrenowych, które produkuje się obecnie:

a) polistyren – homopolimer, bez żadnych modyfikacji, nazywany również polistyrenem niskoudarowym, zwykłym lub standardowym (polistyren S);

b) polistyren modyfikowany butadienem (CH2=CH-CH=CH2), zwany polistyrenem wysokoudarowym (polistyren SB);

c) kopolimer styrenu (H5C6-CH=CH2) z akrylonitrylem (CH2=CH-CN) – tzw. kopolimer SAN;

d) kopolimer akrylonitrylu, butadienu i styrenu – kopolimer ABS.

Polistyren otrzymuje się w reakcji polimeryzacji styrenu:



Jest kilka metod otrzymywania polistyrenu:

- polimeryzacja styrenu w masie – pozwala osiągnąć produkt o najlepszych właściwościach elektrycznych i optycznych przy nieco gorszych właściwościach cieplnych i mechanicznych (z powodu obecności nie przereagowanego monomeru w polimerze);

- polimeryzacja emulsyjna – brak obecności nie przereagowanego monomeru w tworzywie, jednak resztki emulgatora powodują pogorszenie właściwości elektrycznych i optycznych.

- polimeryzacja suspensyjna – najczęściej stosowana, dobre odprowadzenie ciepła w trakcie procesu polimeryzacji gwarantuje najmniejszy rozrzut masy cząsteczkowej, a łatwość oddzielania produktu reakcji pomaga otrzymać tworzywo z znakomitych właściwościach elektrycznych.

Polistyren niemodyfikowany (S) jest tworzywem fizjologicznie obojętnym, bez smaku i bez zapachu, o gęstości nieco tylko większej od wody. Jego właściwości mechaniczne są ogólnie dobre, jednak ulegają z czasem pogorszeniu na skutek starzenia naturalnego, wywołanego działaniem czynników zewnętrznych. Wartość udarności jest stała w zakresie temperatury od –40 do +60oC. Temperatura użytkowania polistyrenu niskoudarowego rozciąga się od –40 do +85oC (przy odmianach specjalnie stabilizowanych). Powyżej tej temperatury następuje przejście polistyrenu w postać elastyczna, a od 310oC rozpoczyna się proces jego depolimeryzacji.

Pod względem właściwości elektrycznych polistyren S plasuje się w gronie znakomitych dielektryków, takich jak: kwarc, parafina czy politetrafluoroetylen. Uciążliwe zjawisko elektryzowania się powierzchni, wynikające z odporności powierzchniowej tworzywa, można zmniejszyć pokrywając je substancjami tworzącymi błonę przewodzącą.

Nie zabarwiony polistyren S przepuszcza światło w 88-90%, a wartość ta znacznie się obniża w przypadku promieniowania ultrafioletowego.

Jest odporny na działanie kwasów, zasad i soli nieorganicznych, natomiast rozpuszcza się dość łatwo w wielu rozpuszczalnikach organicznych, jak aceton, benzen, toluen, octan etylowy, chloroform. Przepuszczalność wody przez folię polistyrenową jest mniejsza niż w przypadku folii z innych tworzyw. Dużo łatwiej przenikają przez nią gazy, a szczególnie dwutlenek węgla.

Polistyren standardowy (S) znajduje zastosowanie w produkcji artykułów gospodarstwa domowego, zabawek, galanterii kuchennej i łazienkowej, opakowań cienkościennych jednorazowego użytku, zestawów naczyń turystycznych itp. Wytwarza się także z niego tworzywo spienione.

Spieniony polistyren zwany polistyrenem porowatym czy też styropianem można otrzymać kilkoma sposobami, z których najważniejsza jest polimeryzacja monomeru w obecności poroforów chemicznych lub fizycznych. Tymi ostatnimi mogą być niskowrzące węglowodory, jak pentan, heptan itp. W wyniku polimeryzacji otrzymuje się nieporowaty polistyren w postaci granulek, zawierający porofor.

Przetwarzanie granulek na produkty gotowe prowadzi się metodą ekspandowania. Polega ona na ogrzaniu materiału do 95-100oC za pomocą gorącej wody lub pary. Podczas ogrzewania granulki miękną, a zawarta w nich substancja porująca rozprężając się nadaje im strukturę porowatą. Następuje przy tym znaczny wzrost objętości tworzywa z jednoczesnym wytworzeniem równomiernych komórek. W wyniku spienienia otrzymuje się białe, regularne kulki o średnicy nawet do kilkunastu milimetrów. Ostateczne formowanie materiału prowadzi się w metalowych formach, ogrzewanych parą, gdzie w podwyższonej temperaturze powierzchnie kulek ulegają zlepieniu i powstaje tworzywo piankowe o zamkniętych porach.

Właściwości mechaniczne styropianu są stosunkowo dobre, mimo że ponad 95% objętości geometrycznej tworzywa stanowi przestrzeń wypełniona gazem. Jest on odporny na działanie wilgoci oraz odznacza się dobrymi właściwościami elektrycznymi, małym przewodnictwem cieplnym i małą gęstością pozorną. Wadą jest palność i nie najlepsza odporność cieplna. Przez dodatek antypirenu można otrzymać styropian samogasnący.

Polistyren porowaty znajduje zastosowanie jako materiał izolacyjny w budownictwie i urządzeniach chłodniczych. Odporność na działanie wody umożliwia stosowanie go do wyrobu lekkich elementów pływających, jak boje, pływaki itp. Tworzywo to jest również używane jako materiał opakowaniowy sprzętu optycznego, pomiarowego, radiowo-telewizyjnego itp.

Poszukiwania sposobu zwiększenia odporności polistyrenu standardowego na uderzenie zaowocowały próbami modyfikacji jego składu. W charakterze modyfikatora zastosowano butadien, którego polimery i kopolimery odznaczają się dużą elastycznością, jednakże nowopowstały produkt miał zbyt niską temperaturę płynięcia.

Próbowano też mieszać homopolimer z kauczukiem. O ile jednak właściwości mechaniczne materiału uległy poprawie, to sam proces był zbyt trudny do przeprowadzenia i często po prostu się nie udawał, dlatego ostatecznie go zaniechano.

Zadowalające rezultaty przyniosła dopiero technika szczepienia butadienem. Bardzo dokładne wymieszanie składników, wynikające z chemicznego charakteru tej operacji, pozwoliło zwiększyć udarność z karbem do 7 kJ/m2, a niekiedy nawet do 10 kJ/m2, w porównaniu z ok. 2 kJ/m2 dla polistyrenu modyfikowanego mechanicznie. Z tego samego powodu uzyskano możliwość dużej powtarzalności procesu. Nowe tworzywo nazwano polistyrenem wysokoudarowym SB.

Polistyren SB charakteryzuje się większym wydłużeniem przy zerwaniu oraz wyższą odpornością na uderzenia od polistyrenu S, a jednocześnie zachowuje dobre właściwości elektryczne, nieznacznie tylko ustępujące pierwowzorowi. Równocześnie obniża się wytrzymałość na rozciąganie oraz wartości modułów sprężystości przy zginaniu i rozciąganiu. Odporność chemiczna polistyrenu SB jest zbliżona do odporności polistyrenu S. Natomiast dłuższe działanie czynników atmosferycznych wywołuje żółknięcie wyrobów z polistyrenu modyfikowanego i to w stopniu znacznie większym niż to miało miejsce w przypadku polistyrenu S.

Odporność cieplna polistyrenu SB jest nieco niższa od polistyrenu S. Nie są to jednak różnice zbyt duże i wahają się w przedziale od 3 do 10 stopni. Wprowadzenie butadienu do składu polimeru powoduje utratę przezroczystości i dlatego ten typ tworzywa jest wytwarzany tylko w barwach krytych.

Przetwórstwo polistyrenu modyfikowanego butadienem jest bardzo podobne jak polistyrenu niskoudarowego (S). Mniejsze naprężenia wewnętrzne powstające przy formowaniu kształtek wtryskowych z polistyrenu SB pozwalają na wytwarzanie wyrobów z zapraskami metalowymi, a także stosowanie tego tworzywa w większej ilości do produkcji płyt metodą wytłaczania.