Polistiren (PS)

Polistiren (PS) je termoplastični polimerni material, sintetiziran z adicijsko polimerizacijo stirenskega monomera. Kot ena od petih plastičnih mas za splošno uporabo je od začetka industrijske proizvodnje v tridesetih letih prejšnjega stoletja postal nepogrešljiv osnovni material v sodobni industriji in vsakdanjem življenju, zahvaljujoč svoji odlični prosojnosti, enostavni obdelavi in stroškovni prednosti. Od prozornih škatel za embalažo živil do odporne penaste plastike, od ohišij gospodinjskih aparatov do gradbenih izolacijskih materialov, PS igra pomembno vlogo na številnih področjih s svojimi edinstvenimi lastnostmi, hkrati pa nenehno raziskuje poti trajnostnega razvoja na področju inovacij na področju tehnologije varstva okolja.

1. Molekularna struktura in značilnosti jedra

Molekularna struktura polistirena je jedro, ki določa njegove lastnosti. Njegova ponavljajoča se enota je -C₆H₅-CH-CH₂-, molekularna veriga pa vsebuje toge stranske skupine benzenskega obroča. Ta struktura daje PS vrsto različnih lastnosti.

Kar zadeva mehanske lastnosti, ima polistiren za splošno uporabo (GPPS) visoko togost in trdoto, z natezno trdnostjo, ki doseže 30–50 MPa, in upogibnim modulom približno 2800–3500 MPa. Vendar pa mu primanjkuje žilavosti, saj ima raztezek pri pretrgu le 1–3 %. Ker je tipičen krhek material, je nagnjen k lomu ob udarcu. Da bi odpravili to pomanjkljivost, polistiren z visoko odpornostjo na udarce (HIPS), pridobljen s kopolimerizacijo ali modifikacijo z mešanjem, v molekularno verigo vnese gumijasto fazo, kar poveča udarno trdnost za 3–5-krat in razširi področje uporabe PS.

Kar zadeva toplotne lastnosti, ima PS temperaturo steklastega prehoda (Tg) približno 80–100 ℃, brez izrazitega tališča (zaradi svoje amorfne narave). Njegova temperatura neprekinjene uporabe se običajno giblje med 60 in 80 ℃. Nad Tg se postopoma zmehča in deformira. Njegova toplotna stabilnost je zmerna in je nagnjen k razgradnji pri visokih temperaturah (nad 250 ℃), pri čemer se sprošča stirenski monomer. Zato je med predelavo potreben strog nadzor temperature. PS ima visok koeficient linearnega raztezanja (približno 7 × 10⁻⁵/℃), na njegovo dimenzijsko stabilnost pa pomembno vpliva temperatura. To lastnost je treba upoštevati pri načrtovanju preciznih izdelkov.

Optična zmogljivost je pomembna prednost PS. Polistiren za splošno uporabo (GPPS) se ponaša s prepustnostjo svetlobe 88–92 %, stopnjo motnosti pod 1 % in visokim sijajem, ki ga zaostaja le za polimetilmetakrilatom (PMMA). Omogoča jasen prikaz vsebine, zaradi česar je idealen material za prozorno embalažo in optične komponente. Ta visoka prozornost izhaja iz njegove amorfne ali nizkokristalne molekularne strukture, ki preprečuje sipanje svetlobe zaradi kristalizacije.

Kar zadeva zmogljivost obdelave, PS kaže odlično pretočnost taline s širokim razponom indeksa taline (1–40 g/10 min). Z lahkoto ga je mogoče oblikovati s postopki, kot so brizganje, ekstruzija in penjenje, s kratkimi cikli oblikovanja in visoko proizvodno učinkovitostjo. Zaradi majhne stopnje krčenja pri oblikovanju (0,4–0,7 %) in visoke dimenzijske natančnosti je primeren za izdelavo preciznih komponent. Poleg tega je površine PS enostavno tiskati, premazovati in variti, kar omogoča sekundarno obdelavo z različnimi metodami za povečanje dodane vrednosti izdelka.

Kar zadeva kemijske lastnosti, je PS odporen na erozijo zaradi kislinskih, alkalijskih in solnih raztopin, vendar se zlahka raztopi ali nabrekne zaradi organskih topil, kot so aromatski ogljikovodiki in klorirani ogljikovodiki, zaradi česar ni primeren za shranjevanje teh vrst kemikalij. Njegova vremenska odpornost je slaba, dolgotrajna izpostavljenost sončni svetlobi pa lahko povzroči razgradnjo zaradi ultravijoličnega sevanja, kar vodi v rumenenje in krhkost. Za izboljšanje njegove učinkovitosti je treba dodati UV-absorberje.

II. Proizvodni proces in viri surovin

Industrijska proizvodnja polistirena uporablja stiren kot edini monomer, njen proizvodni proces pa je zrel in stabilen. Jedro procesa vključuje začetek radikalne polimerizacije stirena z iniciatorjem, pri čemer se različne metode polimerizacije izberejo glede na vrsto in zahteve glede učinkovitosti izdelka.

Proizvodnja stirenskega monomera služi kot temelj industrijske verige polistirena (PS), ki izvira predvsem iz petrokemične industrije. V industriji se etilbenzen pogosto uporablja kot surovina za proizvodnjo stirena z dehidrogenacijo. Etilbenzen pa se proizvaja z alkilacijo benzena in etilena pod vplivom katalizatorja. Tako benzen kot etilen izvirata iz rafiniranja nafte ali predelave zemeljskega plina, zato je PS v bistvu plastika na osnovi fosilnih goriv. V zadnjih letih je bil dosežen napredek pri raziskavah in razvoju biološko zasnovanega stirena, ki vključuje proizvodnjo predhodnikov stirena (kot je fenilalanin) s fermentacijo biomase, ki ji sledi kemična pretvorba za pridobitev biološko zasnovanega stirena. To ponuja novo pot za zeleno proizvodnjo PS, vendar obsežna industrijska uporaba še ni bila dosežena.

Postopek polimerizacije polistirena vključuje predvsem štiri vrste: polimerizacijo v razsutem stanju, suspenzijsko polimerizacijo, emulzijsko polimerizacijo in polimerizacijo v raztopini. Med njimi sta polimerizacija v razsutem stanju in suspenzijska polimerizacija glavni metodi v industrijski proizvodnji.

Postopek polimerizacije v razsutem stanju je primeren za proizvodnjo polistirena za splošno uporabo (GPPS) in polistirena z visoko udarno trdnostjo (HIPS). Pri tem postopku se stirenski monomer zmeša z iniciatorjem (kot je benzoil peroksid) in postopoma segreje na 80–160 °C v reakcijski posodi, kjer poteka polimerizacija z radikalno polimerizacijo. Reakcija je razdeljena na dve stopnji: predpolimerizacijo in postpolimerizacijo. Faza predpolimerizacije se izvaja pri nižji temperaturi, s stopnjo pretvorbe 30–50 %, kar ima za posledico talino z visoko viskoznostjo. Faza postpolimerizacije zaključi preostalo polimerizacijsko reakcijo pri višji temperaturi, s stopnjo pretvorbe nad 95 %. Produkt polimerizacije v razsutem stanju ima visoko čistost in dobro prosojnost, brez potrebe po odstranjevanju topila, postopek pa je preprost. Vendar je reakcija eksotermna in koncentrirana, kar zahteva strog nadzor temperature, da se prepreči eksplozivna polimerizacija.

Postopek suspenzijske polimerizacije se uporablja predvsem za proizvodnjo polistirena za splošno uporabo (PS) in ekspandirabilnega polistirena (EPS). Pri tem postopku se stirenski monomer dispergira v vodi, da se tvori suspenzija, ki ji dodamo iniciatorje in dispergatorje (kot je polivinil alkohol). Polimerizacija poteka pri 80–100 °C ob mešanju. Dispergator preprečuje združevanje kapljic monomera, kar ima za posledico enakomerne delce, podobne kroglicam. Suspenzijska polimerizacija je blaga in lahko nadzorovana reakcija, ki daje granulirane produkte, ki jih je priročno ločevati, prati in sušiti, zaradi česar je primerna za obsežno proizvodnjo PS za splošno uporabo. Z uvedbo penilnega sredstva (kot je pentan) med postopkom polimerizacije je mogoče proizvesti ekspandirajoče polistirenske (EPS) kroglice.

Postopek emulzijske polimerizacije se uporablja za proizvodnjo polistirena z visoko odpornostjo na udarce (HIPS) ali PS lateksa. Vključuje emulgiranje stirenskega monomera v vodni fazi in začetek polimerizacije z vodotopnim iniciatorjem (kot je kalijev persulfat), da se tvorijo delci lateksa. Ta postopek ima hitro reakcijsko hitrost in proizvaja produkte z visoko molekulsko maso. Vendar pa zahteva odstranitev emulgatorjev in vode, zaradi česar je postopek bolj zapleten. Čistost produkta je relativno nizka in se uporablja predvsem na posebnih področjih.

Po končani polimerizacijski reakciji se talina ali delci PS ekstrudirajo in granulirajo v granulirane surovine. Pri GPPS se lahko med granulacijo dodajo antioksidanti, maziva in drugi dodatki; pri HIPS je treba med fazo polimerizacije ali granulacije vnesti gumijaste faze (kot je polibutadienski kavčuk), da se z mešanjem tvori struktura "otok v morju", pri čemer gumijasti delci služijo kot modifikatorji udarca za absorpcijo energije udarca; pri EPS je potrebna obdelava s staranjem po granulaciji, da se zagotovi enakomerna porazdelitev penilnega sredstva v delcih.

Med proizvodnim procesom je potreben natančen nadzor temperature polimerizacije, tlaka, hitrosti mešanja in odmerka iniciatorja za uravnavanje molekulske mase in porazdelitve molekulske mase PS, kar zagotavlja stabilno delovanje izdelka. Na primer, pretirano visoka molekulska masa lahko povzroči zmanjšano pretočnost taline in težave pri obdelavi, medtem ko lahko pretirano nizka molekulska masa ogrozi mehanske lastnosti izdelka.

III. Tehnologija klasifikacije in modifikacije

Polistiren lahko razdelimo v več kategorij glede na strukturne in zmogljivostne razlike. Njegove zmogljivostne meje je mogoče dodatno razširiti s tehnikami fizikalne ali kemične modifikacije, da se zadosti različnim potrebam uporabe.

Polistiren za splošno uporabo (GPPS) je najosnovnejša različica polistirena (PS), ki je homopolimer z rednimi molekularnimi verigami in amorfno strukturo. Odlikuje ga odlična prosojnost in obdelovalnost, vendar je tudi zelo krhek in ima slabo odpornost proti udarcem. Intrinzična viskoznost GPPS je običajno 0,6–0,8 dL/g, njegov talilni indeks pa se giblje od 5 do 20 g/10 min. Uporablja se predvsem za izdelavo prozornih izdelkov, kot so posode za embalažo živil, pisarniški material in ohišja svetilk.

Visoko odporen polistiren (HIPS) je mešanica ali cepljen kopolimer GPPS in gumene faze (običajno polibutadienskega kavčuka), ki znatno izboljša odpornost proti udarcem z disperzijo gumenih delcev v PS matrici. Udarna trdnost HIPS lahko doseže 10–20 kJ/m², kar je 3–5-krat več kot pri GPPS, vendar se njegova prosojnost zmanjša (motnost 10–30 %), togost pa se nekoliko zmanjša. Glede na vsebnost gume (običajno 5–15 %) in nadzor velikosti delcev lahko HIPS razdelimo na podrazličice, kot sta visoko odporen in visokosijajen tip, ki se uporabljajo predvsem v primerih, ki zahtevajo odpornost proti udarcem, kot so ohišja gospodinjskih aparatov, igrače in notranjost avtomobilov.

Ekspandirani polistiren (EPS) je PS kroglica, ki vsebuje penilno sredstvo. Z segrevanjem penilno sredstvo (kot je pentan) izhlapi, zaradi česar se kroglice razširijo in tvorijo penast material z zaprtocelično strukturo. EPS ima izjemno nizko gostoto (10–50 kg/m³), odlične toplotnoizolacijske lastnosti (toplotna prevodnost 0,03–0,04 W/(m·K)) ter blažilne in udarne lastnosti. Je pomemben toplotnoizolacijski in embalažni material, ki se pogosto uporablja pri izolaciji stavb, pakiranju v hladni verigi in blažilni embalaži.

Druge modificirane različice PS vključujejo: ojačan PS (z dodajanjem ojačitvenih materialov, kot so steklena vlakna in ogljikova vlakna, za povečanje trdnosti in toplotne odpornosti), negorljiv PS (z dodajanjem zaviralcev gorenja na osnovi broma ali brez halogenov za izpolnjevanje zahtev požarne zaščite), antistatični PS (z dodajanjem prevodnih polnil za odpravo kopičenja statične elektrike), prozoren visoko odporen PS (modificiran s posebno gumo za uravnoteženje prosojnosti in odpornosti na udarce) in tako naprej.

Tehnologija modifikacije je ključna za izboljšanje učinkovitosti PS, ki zajema predvsem kemično in fizikalno modifikacijo. Kemična modifikacija spreminja molekularno strukturo s kopolimerizacijo ali cepljenjem, kot je kopolimerizacija stirena in akrilonitrila za proizvodnjo SAN smole, s čimer se izboljša kemična odpornost in togost. Fizična modifikacija optimizira učinkovitost z mešanjem, polnjenjem, ojačitvijo in drugimi metodami, kot je mešanje PS s PC za izboljšanje toplotne odpornosti in združevanje z nano-glino za izboljšanje pregradnih lastnosti. Te tehnike modifikacije so PS iz enega samega krhkega materiala spremenile v vrsto visokozmogljivih materialnih sistemov.

IV. Raznolika področja uporabe

Polistiren s svojimi osnovnimi lastnostmi in raznolikimi značilnostmi po modifikaciji je dosegel široko uporabo na številnih področjih, kot so embalaža, gospodinjski aparati, gradbeništvo, vsakodnevne potrebščine, elektronika itd., zaradi česar je nepogrešljiv material v sodobni družbi.

Področje embalaže je eno najbolj razširjenih področij uporabe PS. GPPS se zaradi dobre prosojnosti in nizkih stroškov pogosto uporablja za izdelavo škatel za pakiranje živil, pladnjev, skodelic itd., ki jasno prikazujejo vsebino in jih je mogoče enostavno oblikovati v različne oblike. Široko se uporablja v supermarketih, restavracijah in gospodinjstvih. EPS ima po penjenju lahkotnost in blažilne lastnosti, zaradi česar je idealen embalažni material za elektronske izdelke, precizne instrumente in sveža živila. Med transportom lahko učinkovito absorbira udarce in vibracije ter ščiti izdelke pred poškodbami. PS folijo je mogoče izdelati v skrčljivo folijo in kompozitno folijo za pakiranje in označevanje blaga. Zaradi dobre natisljivosti lahko izboljša estetiko embalaže.

Na področju gospodinjskih aparatov in elektronike se HIPS pogosto uporablja za izdelavo zunanjih lupin in notranjih delov velikih gospodinjskih aparatov, kot so televizorji, pralni stroji in hladilniki, zaradi odlične odpornosti na udarce in obdelovalnosti, s površinskim premazom pa lahko doseže raznolik videz; GPPS se uporablja za izdelavo prozornih delov gospodinjskih aparatov, kot so senčniki in zasloni. Na področju elektronskih dodatkov ima PS dobro dimenzijsko stabilnost in se lahko uporablja za izdelavo preciznih delov, kot so konektorji, ohišja stikal in tuljave. Modificirani negorljivi PS lahko izpolnjuje tudi zahteve glede požarne zaščite elektronskih naprav.

V gradbenem sektorju EPS služi kot ključni toplotnoizolacijski material. Reže se in lepi v izolacijske plošče, ki se uporabljajo za toplotno izolacijo zunanjih sten, streh in tal stavb. Njegova nizka toplotna prevodnost znatno zmanjša porabo energije v stavbi, njegova lahka teža pa zmanjšuje obremenitev stavbe. PS plošče se po penjenju ali lepljenju lahko izdelajo v dekorativne letve, strope in predelne stene, kar jim zagotavlja estetsko privlačnost in trajnost. Poleg tega se PS uporablja tudi pri izdelavi gradbenih šablon, drenažnih plošč in podobnega, saj ponuja izjemno razmerje med ceno in kakovostjo.

Na področju vsakodnevnih potrebščin in igrač so prozorni pisarniški materiali (kot so ravnila in mape) in namizni pribor (kot so skodelice za enkratno uporabo in škatle za obroke) iz GPPS lahki in trpežni; HIPS je zaradi dobre trdnosti in enostavnega barvanja eden glavnih materialov za igrače, kot so plastični gradniki in lupine za punčke, zaradi svojih varnih in nestrupenih lastnosti (HIPS živilske kakovosti) pa je primeren za uporabo pri otrocih. PS se uporablja tudi za izdelavo vsakodnevnih potrebščin, kot so glavniki, ročaji zobnih ščetk in obešalniki za oblačila, ki so poceni in enostavni za množično proizvodnjo.

Na drugih področjih se PS uporablja v medicini za izdelavo ohišij za brizge za enkratno uporabo, petrijevk, medicinske embalaže itd., kar zahteva PS medicinske kakovosti (nestrupen, z nizko stopnjo izluževanja); na optičnem področju imajo optične komponente, kot so leče in prizme, izdelane iz GPPS, zadostno prepustnost svetlobe, da izpolnjujejo srednje do nizke zahteve; na avtomobilskem področju se HIPS uporablja za izdelavo notranjih delov (kot so instrumentne plošče in vratne obloge), modificiran PS pa se lahko uporablja tudi za izdelavo majhnih zunanjih delov; na področju 3D-tiskanja se lahko žica PS uporablja za tiskanje kompleksnih modelov s tehnologijo SLS, s čimer se doseže visoka natančnost in nizki stroški.

V. Trendi varstva okolja in razvoja

Okoljska prijaznost polistirena je že dolgo predmet zaskrbljenosti. Kljub izzivu onesnaževanja z belim ozadjem zaradi njegove težavne razgradnje se polistiren postopoma premika k trajnostnemu razvoju z recikliranjem, tehnološkimi inovacijami in zeleno preobrazbo.

Okoljski problemi polistirena (PS) izvirajo predvsem iz njegove nerazgradljivosti. Če se odpadni izdelki iz PS zavržejo neprevidno, lahko v okolju ostanejo dlje časa. To še posebej velja za ekspandirano polistirensko peno (EPS), ki je zajetna in lahka, se zlahka razprši z vetrom, kar povzroča vizualno onesnaženje in ekološko škodo. Poleg tega se pri sežiganju PS sproščajo škodljive snovi (kot so derivati benzena), zaradi česar je potrebna energijska predelava v specializiranih sežigalnicah.

Recikliranje je osrednji pristop k reševanju okoljskih vprašanj, povezanih s PS. Trenutno obstajajo predvsem tri metode: fizično recikliranje, kemično recikliranje in energetska predelava. Fizično recikliranje vključuje sortiranje, čiščenje, drobljenje in taljenje odpadnega PS za proizvodnjo recikliranega PS. Reciklirani GPPS se lahko uporablja za izdelavo embalažnih dodatkov, ohišij izdelkov za vsakodnevno uporabo itd.; reciklirani HIPS se lahko uporablja za proizvodnjo nizkokakovostnih plastičnih izdelkov, kot so koši za smeti in plastični stolčki. Kemično recikliranje razgradi PS v stirenske monomere s pirolizo ali katalitično depolimerizacijo, ki se nato ponovno uporabijo v polimerizacijski proizvodnji za doseganje zaprtega cikla. Ta tehnologija lahko obdeluje močno onesnažene ali kompleksne odpadne materiale PS, čistost recikliranih monomerov pa je visoka, vendar so stroški relativno visoki. Energetska predelava vključuje sežiganje nereciklirnih odpadnih materialov PS za proizvodnjo električne energije ali toplote, s čimer se doseže ponovna uporaba energije. Za nadzor onesnaževanja je potrebna podpora okoljevarstvenim objektom.

Da bi zmanjšali vpliv na okolje pri viru, so pospešili raziskave in razvoj biološko zasnovanega PS. S proizvodnjo stirenskega monomera iz biomasnih surovin se zmanjša odvisnost od fosilnih virov, emisije ogljika iz biološko zasnovanega PS v njegovem življenjskem ciklu pa se zmanjšajo za več kot 30 % v primerjavi s tradicionalnim PS. Medtem je bil dosežen napredek pri raziskovanju razgradljivega PS. Z dodajanjem razgradljivih komponent, kot sta škrob in celuloza, v PS ali z uvedbo hidrolizabilnih skupin se lahko PS postopoma razgradi v specifičnih okoljih (kot so pogoji kompostiranja).

Spodbujanje politik je ključnega pomena za okolju prijazen razvoj polistirena (PS). Države po vsem svetu so uvedle odredbe o omejitvi in prepovedi uporabe plastike, da bi omejile uporabo izdelkov iz PS za enkratno uporabo, na primer s prepovedjo nerazgradljivih škatel za malico iz PS. Hkrati so izboljšale sistem recikliranja in povečale stopnjo recikliranja s subvencijami, zakonodajo in drugimi sredstvi. Evropska unija zahteva, da stopnja recikliranja PS do leta 2030 doseže več kot 70 %.

Prihodnji razvojni trend PS se osredotoča na tri smeri: visoko zmogljivost, izboljšanje toplotne odpornosti, vremenske odpornosti in mehanskih lastnosti PS z natančno modifikacijo, kot je razvoj dolgoživih gradbenih materialov iz PS in vremensko odporne embalaže iz PS; ozelenitev, spodbujanje industrializacije bioloških surovin in kemičnega recikliranja za zmanjšanje okoljskega odtisa in razvoj razgradljivih sort PS; in funkcionalizacija, širitev uporabe PS na vrhunskih področjih, kot je antibakterijski PS za medicinsko embalažo, visoko pregradni PS za konzerviranje hrane in inteligentni odzivni PS (kot je temperaturno občutljiva sprememba barve) za embalažo proti ponarejanju.

Polistiren kot klasična in vsestranska plastika v svojem razvoju uteleša tesno povezovanje znanosti o materialih in družbenih potreb. Od osnovne embalaže do vrhunskih izdelkov, PS s svojimi stroškovno učinkovitimi prednostmi podpira razvoj številnih industrij. Zaradi okoljskih izzivov se PS s tehnološkimi inovacijami in gradnjo sistemov preusmerja od tradicionalne plastike na osnovi fosilnih goriv k zelenemu in recikliranemu materialnemu sistemu ter še naprej igra pomembno vlogo pri trajnostnem razvoju.