Полистирол: формула, применение, производство

Полистирол - один из самых распространенных и универсальных полимерных материалов в современном мире. Мы сталкиваемся с изделиями из него повсеместно: это и одноразовая посуда, и упаковка, и строительные материалы. Но что представляет собой полистирол, как он производится и для чего используется? Давайте разберемся.

Что такое полистирол: определение, формула

Полистирол - это продукт полимеризации стирола, относящийся к группе термопластичных полимеров. Его химическая формула выглядит так:

[СН₂СН(С₆Н₅)]_n или упрощенно (C₈H₈)_n

В основе полистирола лежит мономер стирол - жидкость с резким запахом. Путем соединения молекул стирола образуется длинная цепочка полимера.

Полистирол обладает следующими свойствами:

• Прозрачность, светопроницаемость
• Хрупкость
• Низкая механическая прочность
• Химическая стойкость к кислотам, щелочам и спиртам
• Термопластичность, способность к переработке

В сравнении, например, с полиэтиленом или полипропиленом, полистирол обладает меньшей гибкостью и вязкостью, но лучшей светопроницаемостью. В то же время этот полимер значительно дешевле и проще в производстве.

Методы производства полистирола

Существует три основных способа получения полистирола:

1. Эмульсионный
2. Суспензионный
3. Блочный (массовая полимеризация)

Эмульсионный метод заключается в полимеризации стирола в водной среде при температуре 85-95°С с использованием эмульгатора, инициатора и щелочных веществ. Этот способ позволяет получать полистирол с высокой молекулярной массой, однако конечный продукт получается не очень чистым.

При суспензионном методе стирол смешивают с водой в присутствии стабилизаторов, а затем нагревают до 120°С для инициации полимеризации. Таким образом производят в основном пенополистирол и сополимеры стирола.

Наиболее эффективным является блочный метод, при котором термическую полимеризацию стирола проводят в 2-3 реакторах при постепенном повышении температуры до 200°С. Полученный таким образом полистирол отличается высокой чистотой и однородностью свойств.

В настоящее время подавляющее большинство полистирола производят именно блочным методом в силу его эффективности и экологичности.

Виды полистирола и их особенности

По назначению различают несколько видов полистирола:

1. Полистирол общего назначения - прозрачный, хрупкий материал для изготовления различных изделий методом литья или экструзии.
2. Ударопрочный полистирол - сополимер стирола с добавками каучука, обладает повышенной гибкостью и применяется для производства бытовой техники, игрушек.
3. Экструдированный полистирол - в основном используется для изготовления листов и плит, обладает стойкостью к УФ-излучению.
4. Вспененный полистирол - газонаполненный материал, широко используется в качестве упаковки и теплоизоляции.
5. Светорассеивающий полистирол - специальный материал для изготовления световой рекламы.

Среди модификаций полистирола выделяют также различные сополимеры на его основе, которые значительно расширяют область применения этого полимера.

Области применения полистирола

Благодаря доступности и универсальности полистирол используется:

• В бытовой сфере при производстве одноразовой посуды, игрушек, тары
• В строительной индустрии для изготовления изоляционных материалов и несъемной опалубки
• В медицине для производства одноразовых изделий
• В светотехнике благодаря хорошим диэлектрическим свойствам
• В военной промышленности как компонент напалма
• В сельском хозяйстве для изготовления упаковки и теплиц

Несмотря на широкую сферу применения, у полистирола есть ряд недостатков - это хрупкость, воспламеняемость при нагреве, чувствительность к органическим растворителям. Однако пока не существует альтернативных материалов, которые смогли бы полностью заменить его по соотношению стоимости и свойств.

Формула полистирола и его структура

Структура и свойства полистирола

Как уже было сказано выше, основой полистирола является стирол с формулой C8H8. Молекулы стирола соединяются в длинные цепочки, образуя полимер со структурной формулой [СН2СН(С6Н5)]n.

Характерное строение молекул обуславливает аморфную природу полистирола, который представляет собой стеклообразное вещество, не имеющее кристаллической решетки. Фенильные группы препятствуют упорядоченному расположению структурных звеньев.

Переработка полистирола

Благодаря термопластичности, полистирол легко поддается переработке экструзией или литьем под давлением. Температурный режим при этом составляет 190-230°С.

При нагреве свыше 300°С полистирол начинает интенсивно разлагаться с выделением стирола и других продуктов термического разложения. В частности, при горении на воздухе образуются угарный газ, сажа и CO2.

Модификация полистирола

Для расширения областей применения и улучшения эксплуатационных свойств полистирол подвергают химической модификации путем сополимеризации с другими винильными мономерами.

Наиболее широко используются сополимеры стирола с бутадиеном, акрилонитрилом, акриламидом и метакриловой кислотой. Такие материалы отличаются повышенной гибкостью, износостойкостью и термостабильностью.

Утилизация полистирола

Отходы полистирола могут быть вторично переработаны и использованы для изготовления новых изделий. Эффективными способами утилизации также являются разложение отходов до мономера или сжигание с получением тепловой энергии.

Перспективы замены полистирола

Несмотря на широкое применение, активно ведутся работы по поиску альтернатив полистиролу, в частности, биоразлагаемых полимеров. Однако пока не существует материалов, сопоставимых по стоимости и технологичности.

Экологические аспекты производства полистирола

Производство полистирола связано с использованием токсичных химических веществ, таких как стирол и инициаторы полимеризации. При ненадлежащих мерах безопасности эти вещества могут попадать в окружающую среду.

Кроме того, на многих предприятиях до сих пор применяются устаревшие технологии, приводящие к значительным выбросам и сбросам загрязняющих веществ.

Токсичные свойства полистирола

Сам полистирол считается инертным и нетоксичным материалом. Однако продукты его термического разложения и горения могут оказывать вредное воздействие.

Кроме того, в составе некоторых марок полистирола в качестве стабилизаторов и антипиренов содержатся токсичные вещества, такие как свинец и бромсодержащие соединения.

Полистирол и микропластик

Отходы полистирола, попадая в окружающую среду, разлагаются на мельчайшие частицы - микропластик, который загрязняет почву и воду.

Период полного биоразложения полистирола может достигать 500 лет. А пластиковые отходы уже сейчас накопились в огромных количествах по всему миру.

Решение экологических проблем

Для снижения негативного воздействия на экологию необходим поиск альтернативных технологий производства полистирола, разработка биоразлагаемых материалов-заменителей, а также расширение практики вторичной переработки отходов.

Перспективы развития рынка полистирола

Несмотря на экологические вызовы, ожидается дальнейший значительный рост производства и потребления полистирола в мире в ближайшие годы. Этому будут способствовать развитие новых областей применения и совершенствование технологий.

Снижение вредного воздействия производства полистирола

Для уменьшения негативного влияния на окружающую среду предприятиям по производству полистирола необходимо:

• Внедрять новейшие технологии и оборудование;
• Устанавливать эффективные очистные сооружения;
• Использовать альтернативные источники энергии;
• Проводить регулярный экологический мониторинг;
• Осуществлять рациональную утилизацию отходов.

Поиск альтернативных материалов

Активно ведутся исследования по созданию полимеров, которые могли бы заменить традиционный полистирол. Основные направления работ:

1. Разработка биоразлагаемых пластиков на основе крахмала, целлюлозы и другого растительного сырья;
2. Создание материалов из вторичного полистирола и других отходов;
3. Получение композитов с улучшенными характеристиками.
   

Рост спроса на полистирол

Несмотря на активный поиск альтернатив, традиционный полистирол еще долго будет востребован благодаря таким факторам как:

• Низкая стоимость;
• Технологичность;
• Хорошая совместимость с другими материалами и компонентами;
• Универсальность и многообразие сфер применения.

Развитие новых областей использования

Помимо традиционных сфер, активно разрабатываются и внедряются новые направления использования полистирола и материалов на его основе:

1. 3D-печать изделий сложной геометрии;
2. Создание высокотехнологичных композитов и наноматериалов;
3. Применение в медицине и биотехнологиях.

Совершенствование технологий переработки

Разрабатываются более эффективные и экологичные методы переработки полистирола после окончания срока службы изделий, позволяющие:

• Увеличить процент утилизируемых отходов;
• Снизить энерго- и ресурсозатраты процесса;
• Получать вторичное сырье высокого качества для рециклинга.