Все о полистироле

Различные виды пластмассы радикально изменили наше представление о повседневной жизни – сегодня наш быт уже невозможно представить без тех или иных пластиковых вещей. Однако пластик существует разных видов, и каждая его разновидность отличается собственными специфическими характеристиками, определяющими применение конкретного вещества в тех или иных сферах. Поскольку полистирол является одним из наиболее ходовых на сегодняшний день вариантов пластика, стоит рассмотреть его особенности более пристально.

Полистирол представляет собой полимеризованный стирол, то есть является продуктом химической промышленности. Добиться его изготовления можно при помощи различных методов, каждый из которых имеет собственные достоинства и недостатки, а самые популярные мы более подробно рассмотрим в этой статье ниже. При этом в состав полистирола входят только молекулы таких распространенных веществ, как углерод и водород, но делается он из жидкого стирена, а тот, в свою очередь, получают из нефти и каменного угля.

Впервые полистирол был получен еще на ранних этапах промышленной революции – известно, что в 1839 году его удалось синтезировать в Германии. Другое дело, что его производство в промышленных масштабах началось значительно позже – лишь с 1920 года, да и то в первые десятилетия он применялся не так уж активно. Лишь в годы Второй мировой войны в Штатах им заинтересовались по-настоящему, производя на основе полистирола искусственный каучук, а в СССР промышленное производство этого материала и вовсе было отложено до послевоенных лет.

Нельзя сказать, что современный полистирол полностью соответствует образцам столетней давности – в течение всего этого времени ученые искали способы улучшить свойства материала. Благодаря этому пластик после Второй мировой войны стал куда более прочным, в том числе стал значительно лучше выдерживать удары – это стало возможным благодаря созданию сополимеров стирола, получаемых благодаря еще более сложным химическим процессам.

Точные физические характеристики современного полистирола сильно зависят от того, каким способом он был произведен, но в целом, когда говорят о простом полистироле без каких-либо уточнений, имеется в виду материал с вполне конкретными параметрами. Плотность у него не самая высокая (1060 кг/м3), а вот конкретной температуры плавления у материала нет – уже при 60 градусах выше нуля он начинает терять форму, при 105 может самовоспламениться, при нагревании до 200 градусов начинается разрушение его химической структуры.

Молекулярная масса вещества также отнюдь не является конкретной и сильно зависит от методики получения полистирола – она обычно составляет от 50 тысяч до 300 тысяч, хотя эмульсионные варианты иногда демонстрируют и значительно более высокие показатели. Растворимость полистирола значительна в ряде веществ, среди которых его же собственный мономер, а также ацетон, ароматические углеводороды и сложные эфиры.

Полистирол обладает ярко выраженными диэлектрическими свойствами, которые не меняются вне зависимости от окружающей среды. Этот материал также практически равнодушен к разрушающему воздействию кислот и щелочей, солей, спиртов. Выше мы уже перечислили вещества, которые все-таки могут его растворить, а еще он окисляется, галогенируется, нитруется и сульфируется.

В оригинальном виде, без дополнительного подкрашивания, полистирол (по крайней мере, блочная его разновидность) является не только бесцветным, но и прозрачным. Структура практически не задерживает видимый свет, пропуская 90% его количества, и это позволяет использовать такой материал в изготовлении оптических стекол. При этом ультрафиолет и инфракрасное излучение проходят через полистирольные поверхности не так уверенно.

Если рассматривать свойства полистирола как преимущества, которые делают его таким популярным в различных сферах, в первую очередь стоит выделить следующие немаловажные моменты.

• Сочетание невысокой стоимости и простоты обработки. При своей цене полистирол можно считать одним из главных двигателей современной цивилизации, учитывая, какие у него свойства. Недаром сегодня так много продукции производится при непосредственном участии этого материала – у него просто толком нет альтернативы.
• Неплохая химическая стойкость. Большинство веществ, которые могут в быту попасть на полистирольную поверхность, для нее не представляют какой-либо опасности – это отличная новость для производителей, желающих выпускать продукцию, отличающуюся долговечностью. При этом в условиях химической лаборатории, имея под рукой внушительный набор реактивов, растворить полистирол не представляет труда.
• Токсичность в пределах относительно безопасной. Полистирол выделяет сравнительно мало каких-либо вредных испарений и с экологической точки зрения, с определенными оговорками, считается безвредным. По крайней мере, специалисты не выдвигают никаких ограничений относительно использования полистирольных материалов внутри жилых помещений, и даже посуду из полистирола делать можно.
• Широкий спектр применения. Благодаря своим качествам, простоте обработки и окрашивания полистирол может быть использован в качестве сырья для производства чего-либо.

При всех преимуществах полистирола есть у него и недостатки, и хотя их не так много, иногда они играют весьма существенную роль.

Одним из главных конкурентов полистирола является еще один популярный полимер – полипропилен. В некоторых сферах, вроде производства упаковочных материалов, они являются прямыми конкурентами, но разница между двумя материалами довольно существенна. Начать стоит хотя бы с того, что полистирол сложно перерабатывать, и хотя часто можно услышать, что он безопасен, экологи все-таки любят к нему придираться.

Полипропилен также не безгрешен, но к нему вопросов все-таки немного меньше, и переработать его проще. Если же говорить сугубо о физических качествах двух материалов, то полипропилен еще и отличается повышенной гибкостью – там, где полистирол уже ломается или трескается, податливый полипропилен просто гнется. Что касается цены, то полистирол, возможно, давно проиграл бы конкуренцию своему сопернику, но вот более низкая стоимость – тот фактор, который пока держит его на плаву.

Визуально отличить одно от другого не так уж сложно, однако надо знать, на что смотреть. Полистирол кажется более красивым, он глянцевый и блестящий, без дополнительного окрашивания выглядит прозрачным, хотя может иметь характерный холодный оттенок синего. Полипропилен кажется чуть более грязным ввиду своей мутности, светорассеивающий эффект у него намного выше. Различить два материала можно и методом постукивания: полистирол звонкий и при ударах издает характерные щелчки, тогда как полипропилен звучит глухо.

Полистирол является одним из наиболее контроверсионных материалов в плане оценки вреда и опасности для здоровья. С одной стороны, он интенсивно используется в человеческих жилищах и даже для производства посуды, что уже наводит на мысль, что это не запрещено. С другой стороны, многочисленные заявления, ставящие экологичность пластика под сомнение, относятся в первую очередь именно к полистиролу. Справедливо будет сказать, что он, не являясь наиболее опасным из существующих материалов, все-таки далеко не может считаться и безопасным – использовать его можно было бы не так активно.

Полистирол может выделять не так уж много отравляющих веществ, которые не так уж сильно скажутся на здоровье человека, но это лишь до тех пор, пока вы не контактируете с ним постоянно, и пока он не нагревается. Чем выше температура, тем опаснее соседство с полистирольными изделиями, особенно если начался пожар, и материал горит. Сильнее всего химические испарения нарушают работу печени, но проблемы могут быть даже с сердцем и легкими, а некоторые специалисты считают, что банальное вдыхание паров стирола чревато развитием гепатита.

Надо также понимать, что полистирол полистиролу рознь: для улучшения свойств пластмассы производитель может добавлять в состав материала различные пластификаторы, красители, другие добавки, влияющие на прочность и эластичность.

Когда выше мы назвали полистирол сравнительно безопасным, то имелось в виду, что есть и другие, еще более вредные продукты человеческой деятельности, от которых мы все никак не откажемся – например, автомобильные выхлопы. Кроме того, теоретически полистирол можно использовать и почти полностью безопасно – при условии, что знаешь и четко соблюдаешь инструкции, в частности, не способствуя нагреванию материала, а защищая его от этого. Но даже в этом случае не стоит воспринимать полистирол как полностью безопасное вещество, поскольку даже в мире пластика, который в последние годы получает все больше критики, полистирол не является самым безопасным.

На данный момент для производства полистирола используют несколько способов получения желанного материала, причем по своим свойствам готовый результат не всегда будет одинаковым. Чтобы разобраться, как это работает, рассмотрим каждый из трех популярных способов.

На сегодняшний день этот метод уже во многом устарел и на производстве практически не используется. Принцип действия следующий: сначала стирол очищается от ингибиторов, после чего его соединяют в воде с эмульгаторами (соли жирных и сульфокислот, мыло), а также инициаторами полимеризации – персульфатом калия и двуокисью водорода. При нагреве до 85-95 градусов происходит химическая реакция – постепенный процесс полимеризации, который считается законченным, если количество стирола падает ниже 0,5%.

Получившаяся эмульсия далее коагулируется при помощи раствора обыкновенной поваренной соли и подлежит сушке, в результате которой образуется мелкий гранулированный порошок, каждая гранула которого имеет размер не более 0,1 мм. Хотя полистирол обычно описывается как белый и прозрачный, получить такие характеристики этим методом не удастся – у шариков остается желтоватый оттенок, свидетельствующий о наличии примесей щелочи, устранить которые полностью невозможно.

Еще один способ, который уже принято считать устаревшим, хотя он все еще считается пригодным для вторичной переработки полистирола в сополимеры вроде пенополистирола. Для производства нужен подготовленный стирол, а точнее, его суспензия в воде, гидроокиси магния, поливиниловом спирте, полиметакрилате натрия и инициаторах полимеризации. Все это отправляется в реактор, где вещество активно перемешивается с постепенным нагревом вплоть до 130 градусов и повышенным давлением. После этого получившуюся суспензию еще надо подвергнуть обработке на центрифуге, и только после промывки и сушки собранного материала получают полистирол.

Данный метод на сегодняшний день считается наиболее востребованным и актуальным, и большую часть полистирола сегодня производят именно этим способом. Обоснование весьма простое: на выходе получается чистый, идеальный по светотехническим параметрам материал, отличающийся стабильностью параметров. При этом использование рассматриваемой технологии и эффективно, и гарантирует практически полное отсутствие отходов производства.

Блочное получение полистирола основано на перемешивании стирола в бензоловой среде в два этапа – сначала при температуре около 90 градусов, а потом с постепенным нагревом от 100 до 220. Производство блоков прекращают на этапе, когда примерно 85% массы стирола превратилось в полистирол. Удаление стирола, не успевшего полимеризоваться, производят при помощи вакуума.

Полистирол применяется в огромном количестве областей человеческой деятельности и даже используется для изготовления поделок своими руками. В домашних условиях из него делают мелкие сувениры, используя лазерную резку, фрезеровку, окрашивание в любые цвета – от красного до золотого и черного, а в некоторых случаях – и печать по полистирольной поверхности. Широчайшее применение полистирол нашел в строительстве, где из него делают стеновые панели и потолочные плитки, различные перегородки и багеты. В листовом виде этот материал может быть использован также и для отделки фасадов. В конце концов, на основе этого материала производят популярный в последнее время полистиролбетон.

Мебельная отрасль также все активнее использует этот материал, хотя в данный момент он не является конкурентом для древесины и ее производных. Однако там, где влажность высокая, он используется постоянно – например, целиком из него уже сегодня может быть изготовлен душевой поддон. Кроме того, полистирольные гранулы используются как наполнитель в подушках, и для этих целей уже в готовом виде продаются в мешках.

Рядовому обывателю пищевая разновидность полистирола хорошо известна как едва ли не основной материал для изготовления одноразовой посуды. Большинство пластиковых стаканов, столь популярных для разлива прохладительных напитков, на сегодняшний день делаются именно из него. Кроме того, пищевой полистирол интенсивно используется в качестве упаковочного материала благодаря своей дешевизне и сравнительной прочности. Учитывая диэлектрические свойства материала, стоит отметить, что он также нашел широкое применения в электротехнике.

В быту чаще всего приходится работать с листовым полистиролом, обрабатывать который можно как механически, так и термически. Формовать методом гибки, клеить, резать и сверлить можно как обыкновенную разновидность материала, так и ударопрочную. Для фрагментации листа толщиной менее 2 мм используется обыкновенный лобзик, тогда как более толстые листы получится взять болгаркой либо ручным инструментом. В условиях промышленной мастерской возможна резка лазером. Линия реза получается немного рваной, потому требует последующей обработки – ее проходят сначала напильником, а потом наждаком.

При необходимости проделать в листе отверстие используют дрель, для которой нужно сверло, созданное специально для сверления листового пластика. Если толщина листа невелика, при сверлении он может деформироваться вопреки желанию мастера – избежать такого развития событий можно, подложив под лист деревянный брусок. Формовка листа происходит либо по вакуумной методике, либо нагнетанием воздуха под большим давлением. Обработка любым из обозначенных способов предполагает значительный (до 160-200 градусов) нагрев материала.

Если говорить о матовом полистироле, то он может подвергаться еще такому виду обработки, как шлифование и полировка. Для этого используется шлифмашина, но ни в коем случае не с абразивным кругом – вместо него берут мягкий круг, на который наносится специальная паста для полировки. Если деталь небольшая, отполировать или зашлифовать ее можно и вручную.

Помимо прочего, на полистирольную поверхность можно наносить любые специальные покрытия – от металлического слоя до зеркальной пленки. По ней можно и печатать черным или цветным, любым из известных способов. При этом для защиты получившегося текста или изображения необходимо вскрыть поверхность лаком, ведь полимер не впитывает влагу.

В чистом виде полистирол вроде бы и не приносит окружающей среде особого вреда, но в то же время его отходы, как и положено пластику, сохраняются на протяжении огромного периода времени, загрязняя планету. Кроме того, пребывая в природной среде, полимер и его сополимеры могут подвергаться чрезмерному нагреванию, в том числе и горению в пожаре, и вот тогда последствия могут быть куда более страшными. Точно так же нежелателен неконтролируемый контакт полистирольных предметов с веществами, способными растворить материал, иначе не избежать выделения токсичных паров стирола, бензола, толуола, оксида углерода и этилбензола.

Относительным преимуществом материала является то, что его в большинстве случаев можно перерабатывать, утилизируя как непосредственно отходы, так и просто изношенные изделия из него. В качестве методик переработки прибегают к экструзии, прессованию и литью. На выходе получаются изделия, не уступающие по качеству новым, при этом мусор не образуется. Кроме того, в последние годы на основе полистирола делают еще и новый строительный материал – полистиролбетон, который уместен для малоэтажного строительства. К сожалению, огромные объемы отходов полистирола, особенно в бедных странах, просто сжигаются. Такое поведение с пластиковыми отходами крайне отрицательно сказывается на окружающей среде.

В следующем видео рассказано о листовом полистироле и особенностях его применения.