В широком разнообразии полимерных материалов особое место занимает полистирол. Из этого материала производят огромное количество различных пластиковых изделий как для бытового, так и для промышленного использования. Сегодня мы с вами познакомимся с формулой полистирола, его свойствами, способами получения и направлениями использования.

Общая характеристика

Полистирол является синтетическим полимером, относящимся к классу термопластов. Как можно понять из названия, он представляет собой продукт полимеризации винилбензола (стирола). Это твердый стеклообразный материал. Формула полистирола в общем виде выглядит следующим образом: [СН 2 СН(С 6 Н 5)] n . В сокращенном варианте она выглядит так: (C 8 H 8) n . Сокращенная формула полистирола встречается чаще.

Химические и физические свойства

Наличие фенольных групп в формуле структурного звена полистирола препятствует упорядоченному размещению макромолекул и образованию кристаллических структур. В этой связи материал является жестким, но хрупким. Он представляет собой аморфный полимер с малой механической прочностью и высоким уровнем светопропускания. Он производится в виде прозрачных цилиндрических гранул, из которых путем экструзии получают необходимую продукцию.

Полистирол является хорошим диэлектриком. Он растворяется в ароматических углеводородах, ацетоне, сложных эфирах, и собственном мономере. В низших спиртах, фенолах, алифатических углеводородах, а также простых эфирах полистирол не растворим. При смешивании вещества с другими полимерами, происходит «сшивание», в результате которого образуются сополимеры стирола, обладающие более высокими конструктивными качествами.

Вещество обладает низким влагопоглощением и устойчивостью к радиоактивному облучению. Вместе с тем оно разрушается под действием ледяной уксусной, и концентрированной азотной кислот. При воздействии ультрафиолета полистирол портится - на поверхности образуется микротрещины и желтизна, увеличивается его хрупкость. При нагревании вещества до 200 °С оно начинает разлагаться с выделением мономера. При этом, начиная с температуры в 60 °С, полистирол теряет форму. При нормальной температуре вещество не токсично.

Основные свойства полистирола:

1. Плотность - 1050-1080 кг/м 3 .
2. Минимальная рабочая температура - 40 градусов мороза.
3. Максимальная рабочая температура - 75 градусов тепла.
4. Теплоемкость - 34*10 3 Дж/кг*К.
5. Теплопроводность - 0,093-0,140 Вт/м*К.
6. Коэффициент термического расширения - 6*10 -5 Ом·см.

В промышленности полистирол получают с помощью радикальной полимеризации стирола. Современные технологии позволяют проводить этот процесс с минимальным количеством непрореагировавшего вещества. Реакция получения полистирола из стирола осуществляется тремя способами. Рассмотрим отдельно каждый из них.

Эмульсионный (ПСЭ)

Это самый старый метод синтеза, который так и не получил широкого промышленного применения. Эмульсионный полистирол получают в процессе полимеризации стирола в водных растворах щелочей при температуре 85-95 °С. Для этой реакции необходимы такие вещества: вода, стирол, эмульгатор и инициатор процесса полимеризации. Стирол предварительно избавляют от ингибиторов (гидрохинона и трибутил-пирокатехина). Инициаторами реакции выступают водорастворимые соединения. Как правило, это персульфат калия или двуокись водорода. В качестве эмульгаторов применяют щелочи, соли сульфокислот и соли жирных кислот.

Процесс происходит следующим образом. В реактор наливают водный раствор касторового масла и при тщательном перемешивании вводят стирол вместе с инициаторами полимеризации. Полученную смесь греют до 85-95 градусов. Растворенный в мицеллах мыла мономер, поступая из капель эмульсии, начинает полимеризоваться. Так получаются полимер-мономерные частицы. На протяжении 20 % времени реакции мицеллярное мыло идет на образование слоев адсорбции. Далее процесс идет внутри частиц полимера. Реакция завершается, когда содержание стирола в смеси будет составлять примерно 0,5 %.

Далее эмульсия поступает на стадию осаждения, позволяющую снизить содержание остаточного мономера. С этой целью ее коагулируют раствором соли (поваренной) и высушивают. В результате получается порошкообразная масса с размером частиц до 0,1 мм. Остаток щелочи сказывается на качестве получаемого материала. Устранить примеси полностью невозможно, а их наличие обуславливает желтоватый оттенок полимера. Этот метод позволяет получить продукт полимеризации стирола с наибольшей молекулярной массой. Получаемое таким способом вещество имеет обозначение ПСЭ, которое периодически можно встретить в технических документах и старых учебниках по полимерам.

Суспензионный (ПСС)

Этот метод осуществляется по периодической схеме, в реакторе, оборудованном мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Для подготовки стирола его суспензируют в химически чистой воде с помощью стабилизаторов эмульсии (поливиниловый спирт, полиметакрилат натрия, гидроксид магния), а также инициаторов полимеризации. Процесс полимеризации проходит под давлением, при постоянном повышении температуры, вплоть до 130 °С. В итоге получается суспензия, из которой первичный полистирол отделяют с помощью центрифугирования. После этого вещество промывают и высушивают. Этот метод также считается устаревшим. Он пригоден в основном для синтезирования сополимеров стирола. Его применяют в основном в производстве пенополистирола.

Блочный (ПСМ)

Получение полистирола общего назначения в рамках этого метода можно проводить по двум схемам: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризация по непрерывной схеме осуществляется на системе, состоящей из 2-3 последовательно соединенных колонных аппаратов-реакторов, каждый из которых оборудован мешалкой. Реакцию проводят постадийно, увеличивая температуру с 80 до 220 °С. Когда степень превращения стирола доходит до 80-90 %, процесс прекращается. При методе неполной конверсии степень полимеризации достигает 50-60 %. Остатки непрореагировавшего стирола-мономера удаляют из расплава путем вакуумирования, доводя его содержание до 0,01-0,05 %. Полученный блочным методом полистирол отличается высокой стабильностью и чистотой. Эта технология является наиболее эффективной, в том числе и потому, что практически не имеет отходов.

Применение полистирола

Полимер выпускается в виде прозрачных цилиндрических гранул. В конечные изделия их перебарывают путем экструзии или литья, при температуре 190-230 °С. Из полистирола производят большое количество пластиков. Распространение он получил благодаря своей простоте, невысокой цене и широкому ассортименту марок. Из вещества получают массу предметов, которые стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни (детские игрушки, упаковка, одноразовая посуда и так далее).

Полистирол широко используют в строительстве. Из него делают теплоизоляционные материалы - сэндвич-панели, плиты, несъемные опалубки и прочее. Кроме того, из данного вещества производят отделочные декоративные материалы - потолочные багеты и декоративную плитку. В медицине полимер используют для производства одноразовых инструментов и некоторых деталей в системах переливания крови. Вспененный полистирол также применяют в системах для очистки воды. В пищевой промышленности используют тонны упаковочного материала, сделанного из данного полимера.

Существует и ударопрочный полистирол, формула которого изменяется путем добавления бутадиенового и бутадиенстирольного каучука. На этот вид полимера приходится более 60 % всего производства полистирольного пластика.

Благодаря предельно низкой вязкости вещества в бензоле можно получить подвижные растворы в придельных концентрациях. Этим обуславливается использование полистирола в составе одного из видов напалма. Он играет роль загустителя, у которого по мере увеличения молекулярной массы полистирола уменьшается зависимость «вязкость-температура».

Преимущества

Белый термопластичный полимер может стать отличной заменой пластику ПВХ, а прозрачный - оргстеклу. Популярность вещество получило главным образом благодаря гибкости и легкости в обработке. Оно отлично формуется и обрабатывается, предотвращает потери тепла и, что немаловажно, имеет низкую стоимость. Благодаря тому, что полистирол может хорошо пропускать свет, его даже используют в остеклении зданий. Однако размещать такое остекление на солнечной стороне нельзя, так как под действием ультрафиолета вещество портится.

Полистирол давно используется для изготовления пенопластов и сопутствующих материалов. Теплоизоляционные свойства полистирола во вспененном состоянии, позволяют использовать его для утепления стен, пола, кровли и потолков, в зданиях различного назначения. Именно благодаря обилию утеплительных материалов, во главе которых стоит пенополистирол, простые обыватели знают о рассматриваемом нами веществе. Эти материалы отличаются простой в использовании, устойчивостью к гниению и агрессивным средам, а также отличными теплоизоляционными свойствами.

Недостатки

Как и у любого другого материала, у полистирола есть недостатки. Прежде всего, это экологическая небезопасность (речь идет об отсутствии методов безопасной утилизации), недолговечность и пожароопасность.

Переработка

Сам по себе полистирол не представляет опасности для окружающей среды, однако некоторые продукты, полученные на его основе, требуют особого обращения.

Отходы материала и его сополимеров накапливаются в виде изделий, вышедших из употребления, и промышленных отходов. Вторичное использование полистирольных пластиков, производится несколькими путями:

1. Утилизация промышленных отходов, которые были сильно загрязнены.
2. Переработка технологических отходов методами литья, экструзии и прессования.
3. Утилизация изношенных изделий.
4. Утилизация смешанных отходов.

Вторичное применение полистирола позволяет получить новые качественные изделия со старого сырья, не загрязняя при это окружающую среду. Одним из перспективных направлений переработки полимера является производство полистиролбетона, который применяется в строительстве зданий малой этажности.

Продукты разложения полимера, образующиеся при термодеструкции или термоокислительной деструкции, токсичны. В процессе переработки полимера путем частичной деструкции могут выделяться пары бензола, стирола, этилбензола, оксида углерода и толуола.

Сжигание

При сжигании полимера выделяется диоксид углерода, монооксид углерода и сажа. В общем виде уравнение реакции горения полистирола выглядит так: (С 8 Н 8) n + О 2 = СО 2 + Н 2 О. Сжигание полимера, содержащего добавки (компоненты увеличивающие прочность, красители и т. д.), приводит к выбросу ряда других вредных веществ.

Полистирол – это с высокими диэлектрическими показателями. Он химически стоек , водостоек , бесцветен, прозрачен, растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, простых и сложных эфирах. Однако полистирол имеет низкую механическую и невысокую теплостойкость .

Длительная обработка полистирола при температуре выше 500 °С в присутствии кислорода воздуха приводит к его деструкции .

Полистирол получают полимеризацией мономерного . Для улучшения свойств полистирола его сополимеризуют с различными виниловыми . Особенно важное значение имеют привитые и блок-сополимеры стирола с каучуками, обладающие повышенной ударной вязкостью (ударопрочные полистиролы ).

Краткий исторический очерк

Впервые полистирол был получен в Германии еще в 1839 г., однако его промышленное производство термической полимеризацией стирола было освоено только в 1920 г. (по патенту Остромысленского).

Большим стимулом для увеличения объема производства стирола и полистирола послужила организация в США во время Второй мировой войны производства бутадиен-стирольного каучука.

В СССР исследования в области синтеза и полимеризации стирола проводились в 30-40-х годах Залкиндом, Зелинским, Ваншейдтом и др. Промышленное производство полистирола развернулось в послевоенные годы.

В 50-60-х годах были разработаны процессы производства сополимеров стирола с другими виниловыми мономерами, совмещения полистирола и сополимеров стирола с акрилонитрилом и каучуками, получен изотактический полистирол . Это позволило значительно улучшить механическую прочность полистирола, повысить его теплостойкость.

В 1980-х наибольшее распространение получил ударопрочный полистирол, производимый в промышленности привитой сополимеризацией стирола или стирола и акрилонитрила к бутадиеновому каучуку.

В 1980-х гг в СССР были освоены непрерывные процессы получения гомо- и сополимеров стирола в аппаратах большой единичной мощности, обеспечивающих высокую производительность и хорошее качество полистирольных продуктов.

Получение полистирола (полимеризация стирола)

Стирол может полимеризоваться как по радикальному, так и по ионному механизмам. Полимер, получаемый полимеризацией , имеет атактическую структуру и является аморфным; полимер, получаемый ионно-координационной полимеризацией, в зависимости от типа катализатора, может быть аморфным или кристаллическим (изотактическим).

Аморфный полистирол получают разными способами - в блоке (в массе) , эмульсии , суспензии или растворе в присутствии инициаторов, или без них (путем термической полимеризации).

Изотактический полистирол получают в присутствии стереоспецифических катализаторов Циглера - Натта. В процессе переработки при нагревании выше температуры плавления (около 250 °С) изотактический полистирол необратимо переходит в аморфное состояние, что ограничивает его применение.

В промышленности полимеризацию стирола осуществляют в блоке , эмульсии и суспензии . Полимеризация в растворе не нашла широкого применения, так как получаемый полимер имеет сравнительно небольшую и выделение его из раствора представляет значительные трудности. К тому же раствор полистирола (например, лак, клей) не может быть использован из-за низкой ударной прочности образующегося лакового покрытия, клеевого шва.

Наиболее перспективными промышленными методами получения полистирола являются:

1. с неполной конверсией мономера (непрерывный способ);
2. (периодический способ);
3. блочно-суспензионная полимеризация стирола (периодический способ).

Блочная полимеризация стирола с полной конверсией мономера практически утратила свое значение в связи с малой интенсивностью процесса и получением полимера со свойствами, не отвечающими современным требованиям.

В последнее время все большее значение приобретает суспензионная полимеризация стирола (периодический способ) в аппаратах большой единичной мощности (100 м 3 и более).

(периодический способ) находит в промышленности гораздо меньшее применение, чем блочная, суспензионная и блочно-суспензионная.

Эмульсионный полистирол используется только для изготовления плиточных пенопластов конструкционного назначения, где требуется полимер с высокой молекулярной массой . Производство эмульсионного полистирола включает трудоемкие стадии сушки тонкодисперсного полимера и очистки большого количества сточных вод, загрязненных токсичным стиролом и другими веществами. Необходимость предварительной грануляции тонкодисперсного эмульсионного полистирола перед его переработкой также создает определенные технологические трудности. Получаемый эмульсионный полистирол имеет худшие диэлектрические свойства, чем полистирол, синтезируемый блочным и суспензионным способами.

Свойства полистирола

Полистирол представляет собой твердый аморфный продукт плотностью 1050-1080 кг/м 3 . Молекулярная масса промышленных марок полистирола зависит от способа его получения и колеблется в пределах от 50 000 до 300 000 . Исключение составляет , молекулярная масса которого может быть значительно выше.

Большое влияние на свойства полистирола оказывает его полидисперсность , которая у блочного полистирола довольно значительна.

Для промышленных марок полистирола молекулярно-массовое распределение, характеризующееся соотношение М̅ w /M̅ n , соответствует 2-4 (в зависимости от условий получения).

Присутствие низкомолекулярных фракций в полимере:

• уменьшает разрушающее напряжение при растяжении, ударе, изгибе;
• снижает теплостойкость полистирола.

В связи с этим усовершенствования технологического процесса получения блочного полистирола направлены на снижение его полидисперсности .

В технике применяют полистирол с показателем текучести расплава 2-30 .

В присутствии катализаторов Циглера - Натта получается изотактический кристаллический полистирол , который отличается от аморфного повышенной температурой плавления (230- 240 °С) и более высокими механическими показателями . Однако изотактический полистирол трудно перерабатывается в изделия.

Показатели основных свойств полистирола общего назначения, полученного различными способами, приведены в таблице 1.

Таблица 1: Физико-механические свойства полистирола, полученного разными методами

Показатель	Полистирол
	Блочный	Эмульсионный	Суспензионный
Плотность, кг/м 3	1050-1060	1050-1070	1050-1060
Разрушающее напряжение при растяжении, МПа	39,2	39,2-44	41,1
Ударная вязкость, кДж/м 2	19,6-21,6	21,6	19,6-27,4
Относительное удлинение при разрыве, %	2,0	2,0	2,0
Твердость по Бринеллю, МПа	137-157	137-196	137-157
Теплостойкость по Вика, °С	95-100	100-105	105
Тангенс угла диэлектрических потерь при 10 6 Гц	4·10 -4	2·10 -4 -3·10 -4	4·10 -4
Диэлектрическая проницаемость при 10 6 Гц	2,4-2,7	2,6	2,5-2,6
Содержание остаточного мономера, %	0,5-0,8*	0,15-0,2	0,1-0,5
за 24 ч, %	0	0,07	0,01-0,02

* При применении вакуум-камеры или экструдеров с вакуум-отсосом содержание стирола в полистироле снижается до 0,2%.

Для повышения прочности при производстве полистирольных пленок и нитей полимер подвергают ориентации .

Полистирол характеризуется высокими диэлектрическими показателями , химической стойкостью , водостойкостью и хорошими оптическими свойствами .

Диэлектрические свойства полистирола

Он является очень хорошим диэлектриком. Его диэлектрические свойства не зависят от влажности окружающей среды и практически не изменяются при температурах от -80 до 90 °С и при изменении частоты от 1·10 2 до 1·10 9 Гц. Диэлектрические показатели эмульсионного полистирола ниже, чем блочного к суспензионного.

Стойкость полистирола к действию кислот и растворителей

Полистирол обладает высокой кислото- и щелочестойкостью, он стоек к неорганическим неокисляющим кислотам (соляной, серной, плавиковой), а также к спиртам и солям. Однако полистирол растворяется в тетрахлориде углерода, бензоле, нестоек к действию простых и сложных эфиров, ароматических, алифатических и хлорированных углеводородов. Он довольно легко окисляется, сульфируется, галогенируется, нитруется.

Оптические свойства полистирола

Блочный полистирол прозрачен, бесцветен, он пропускает 90% видимой части света. В ультрафиолетовой и инфракрасной областях прозрачность полистирола ниже. Высокий показатель преломления n D 25 =1,5-1,6 обусловливает применение блочного полистирола для изготовления оптических стекол.

Недостатки полистирола

Недостатками полистирола являются низкие теплостойкость и ударная прочность , склонность к старению.

Термоустойчивость полистирола

Теплостойкость полистирола по Мартенсу не превышает 70-75 °С . Эмульсионный полистирол более теплостоек (на 5-10°С), чем блочный, вследствие его большей молекулярной массы и меньшей полидисперсности. Однако этого слишком мало, чтобы обеспечить его более широкое применение.

80-82°С;

Температура эксплуатации изделий из полистирола не должна превышать 60 °С (на 10-15°С ниже теплостойкости по Мартенсу).

При нагревании до 300-400 °С полистирол деполимеризуется с образованием мономера.

Ударная вязкость полистирола составляет всего 19,6- 27,4 кДж/м 2 . В процессе эксплуатации его хрупкость увеличивается из-за старения полимера. В связи с этим применение полистирола общего назначения в качестве конструкционного материала ограничено.

По сравнению с другими термопластами полистирол обладает высокой поверхностной твердостью . Его модуль упругости при растяжении довольно высок (12,9-103 МПа) , а относительное удлинение при разрыве мало (1,5%) ; разрушающее напряжение при растяжении с повышением температуры уменьшается.

Переработка полистирола

Полистирол легко перерабатывается в изделия всеми способами, применяемыми для переработки термопластов. Основным методом его переработки в изделия является

Полистирола через кольцевую или плоскую щелевую головку (или решетку) получают пленку (или нити). На выходе из экструдера полистирольные пленки и нити подвергаются растяжению, при котором происходит ориентация макромолекул . Это приводит к значительному упрочнению пленок и нитей в направлении растяжения и увеличению их гибкости.

Полистирольные пленки толщиной 10-100 мкм, получаемые ориентацией в двух перпендикулярных направлениях, называются стирофлексом . Они отличаются большой прочностью и высокими диэлектрическими показателями.

Для окрашивания полистирола применяют красители: красный С, тиоиндиго, жировой желтый Ж и др. При синтезе полистирола блочным способом его окрашивание проводят в экструдере путем подачи с помощью шнека расплава, представляющего собой концентрированную смесь полистирола, красителя и стабилизатора.

Окрашивание суспензионного полистирол а осуществляют его предварительным смешением с красителем (опудривание) с последующим гранулированием в экструдере.

Области применения полистирола

Полистирол широко используется в качестве электроизоляционного материала для высокочастотной техники. Основными потребителями полистирола как диэлектрика являются приборостроительная промышленность (детали электро- и радиоэлектронных приборов, пленка для изготовления конденсаторов) и кабельная промышленность (изоляция кабелей стирофлексом и нитями).

Полистирол используется как конструкционный материал в промышленности строительных материалов для изготовления деталей, не работающих под большими механическими нагрузками (панели, облицовочные плитки, дверные ручки и др.)

Высокий показатель преломления блочного полистирола позволяет использовать его для изготовления оптических стекол.

Полистирол широко применяется для производства изделий бытового назначения: посуды, галантереи, игрушек, тары и т. п.

Для электроизоляционных и антикоррозионных целей используются полистирольные лаки.

Эмульсионный полистирол широко применяется в производстве некоторых марок пенополистирола прессовым методом.

Пенополистирол используется в качестве теплоизоляционного материала в строительной технике, железнодорожных вагонах и холодильниках.

Блочный полистирол имеет самое высокое содержание остаточного мономера, поэтому применение его в пищевой промышленности ограничено . Для производства изделий, контактирующих с пищевыми продуктами, используется главным образом суспензионный полистирол.

Для изготовления технических деталей и множества изделий бытового назначения используется блочный полистирол.

Для улучшения свойств полистирола, например повышения теплостойкости, в него вводят минеральные наполнители : мраморную пыль, слюдяную и кварцевую муку, тальк и др., однако при этом снижаются диэлектрические показатели. Введение в полистирол пластификаторов (трифенилфосфата, трикрезил-фосфата и др.) предотвращает растрескивание, однако при содержании пластификатора более 2% заметно снижаются теплостойкость полистирола и разрушающее напряжение при растяжении.

Теплостойкость и механическую прочность полистирола можно повысить путем армирования его стеклянным волокном (стеклянное волокно пропитывают водной дисперсией полистирола, затем высушивают и прессуют). Армированный полистирол характеризуется повышенным разрушающим напряжением при растяжении и изгибе, высокой ударной вязкостью, повышенной теплостойкостью.

Более высокую теплостойкость имеют полимеры замещенных стиролов.

Для улучшения свойств полистирола его сополимеризуют с другими мономерами.

В последние годы значительно увеличился объем производства ударопрочного полистирола марки УПС (привитой сополимер стирола к каучуку), имеющего высокую ударную вязкость и другие улучшенные показатели механических свойств.

Все большее развитие получает производство , представляющих собой сополимер стирола, акрилонитрила и бутадиена.

Прямой сополимеризацией этих трех мономеров не удается получить продукт с заданными свойствами, поэтому, как и при получении ударопрочного полистирола марки УПС, проводят привитую сополимеризацию стирола на полибутадиене и бутадиен-стирольном каучуке. Доля гомополимера стирола в общем выпуске полистирольных пластмасс непрерывно уменьшается.

Список литературы:
Зубакова Л. Б. Твелика А. С, Даванков А. Б. Синтетические ионообменные материалы. М., Химия, 1978. 183 с.
Салдадзе К М., Валова-Копылова В. Д. Комплексообразующие иониты (комплекситы). М., Химия, 1980. 256 с.
Казанцев Е. Я., Пахолков В. С, Кокошко 3. /О., Чупахин О. Я. Ионообменные материалы, их синтез и свойства. Свердловск. Изд. Уральского политехнического института, 1969. 149 с.
Самсонов Г. В., Тростянская Е. Б., Елькин Г. Э. Ионный обмен. Сорбция органических веществ. Л., Наука, 1969. 335 с.
Тулупов П. Е. Стойкость ионообменных материалов. М., Химия, 1984. 240 с. Полянский Я. Г. Катализ ионитами. М., Химия, 1973. 213 с.
Кассиди Г. Дж.у Кун К А. Окислительно-восстановительные полимеры. М., Химия, 1967. 214 с. Херниг Р. Хелатообразующие ионообменники. М., Мир, 1971. 279 с.
Тремийон Б. Разделение на ионообменных смолах. М., Мир, 1967. 431 с.
Ласкорин Б. Я., Смирнова Я. М., Гантман М. Я. Ионообменные мембраны и их применение. М., Госатомиздат, 1961. 162 с.
Егоров Е. В., Новиков П. Д. Действие ионизирующих излучений на ионообменные материалы. М., Атомиздат, 1965. 398 с.
Егоров Е. В., Макарова С. Б. Ионный обмен в радиохимии. М., Атомиздат,

Полистирол – синтетический термопластичный твердый, жесткий, аморфный полимер, представляющий собой продукт полимеризации стирола. Массово выпускается в форме полистирола общего назначения и ударопрочного полистирола. Мировое производство полистирола более 14 млн. тонн в год.

Полистирол (-C 6 H 5 -CH-CH-) n является продуктом полимеризации стирола, который представляет собой сочетание непредельного углеводорода этилена с ароматическим радикалом фенилом – C 6 H 5 (фенилэтилен):

СН 2 =СН-C 6 H 5

При полимеризации радикалы винила образуют полимерную цепь с боковыми фенильными группами (бензольными кольцами).

По характеру пространственного расположения фенильной группы относительно молекулярной цепи различают:

• атактический полистирол – характеризуется тем, что в нем бензольные кольца расположены по обе стороны цепи совершенно неупорядоченно;
• изотактический полистирол – в его макромолекуле все бензольные кольца расположены с одной стороны цепи;
• синдиотактический полистирол – в его полимерной цепи бензольные кольца расположены строго альтернативно – поочередно слева и справа от центральной цепи, упорядоченность расположения боковых групп придает синдиотактическому полистиролу высокую твердость и термостойкость.

Наиболее широко применяется атактический полистирол.

Полистирол общего назначения – прозрачный, хорошо окрашиваемый, легко перерабатываемый материал, представляющий собой продукт полимеризации стирола в массе или в суспензии, или в эмульсии, и предназначенный для изготовления изделий различными методами термоформования.

В зависимости от свойств и назначения в соответствии с ГОСТ 20282-86 установлены следующие марки полистирола общего назначения:

• получаемого полимеризацией в массе:
  • ПСМ-115 - для изготовления методом литья под давлением изделий технического назначения и товаров народного потребления;
  • ПСМ-111 - повышенной теплостойкости, для изготовления светотехнических изделий методом литья под давлением и товаров народного потребления;
  • ПСМ-118 - для изготовления методом литья под давлением изделий сложной конфигурации технического назначения и товаров народного потребления. Марка характеризуется высокой текучестью;
  • ПСМ-151 - повышенной теплостойкости и низкой текучести, для изготовления листов, профилей, пленок и нитей методом экструзии, товаров народного потребления; для производства нитей предназначен только высший сорт;
• суспензионного:
  • ПСС - для изделий технического назначения и товаров народного потребления;
• эмульсионного:
  • ПСЭ-1 - для получения пенопластов;
  • ПСЭ-2 - для продукции технического назначения; допускается применение для изготовления пеноплит.

Условное обозначение марок полистирола общего назначения состоит из сокращенного назначения материала (ПС), способа получения (Э – эмульсионный; М – полимеризация в массе (блочный); С – суспензионный), цифрового обозначения марки, указания рецептуры светостабилизации, наименования цвета, указания рецептуры окрашивания цвета, сорта и обозначения стандарта. В обозначение поверхностно обработанного полистирола вводят буквенный эквивалент «С» перед указанием сорта.

Пример условного обозначения полистирола общего назначения блочного марки 111, светостабилизированного, красного цвета, высшего сорта по ГОСТ 20282-86: ПСМ-111-20, красный, рец. 136П, высший сорт ГОСТ 20282-86.

Пример условного обозначения полистирола общего назначения блочного марки 151, неокрашенного, поверхностно обработанного, первого сорта по ГОСТ 20282-86: ПСМ-151 «С», первый сорт ГОСТ 20282-86.

Ударопрочный полистирол – непрозрачный бесцветный материал, продукт привитой сополимеризации стирола с бутадиеновым или бутадиен-стирольным каучуком, имеющий двухфазную структуру. Непрерывная фаза (матрица) образована полистиролом. Дискретная фаза (микрогель) – частицами каучука овальной формы с размерами 2-5 мкм. Каучуковые частицы окружены тонкой пленкой привитого сополимера стирола на каучуке, а внутри частиц содержится также окклюдированный полистирол, в результате чего увеличивается эффективный объем каучуковой фазы. От объема последней во многом зависят свойства ударопрочного полистирола. Ударопрочный полистирол выпускается стабилизированным, в виде белых гранул. Основные методы переработки – литье под давлением и экструзия листа с последующим пневмо- или вакуумформованием.

Условное обозначение ударопрочного полистирола в соответствии с ГОСТ 28250-89 состоит из букв УП – ударопрочный, сразу за которыми указывается метод синтеза полистирола: М – полимеризацией в массе, Э – полимеризацией в эмульсии, С – полимеризацией в суспензии. Далее через тире две цифры обозначают ударную вязкость. Следующие две цифры указывают удесятеренное содержание остаточного мономера. Кроме того, в марку может включаться буква, означающая предпочтительный способ переработки.

Пример условного обозначения ударопрочного полистирола, полученного полимеризацией в массе с ударной вязкостью 7 кДж/м2 и остаточным содержанием мономера 0,3 %, предназначенного для переработки экструзионным методом: УПМ-0703 Э.

Обычное обозначение полистирола на российском рынке ПС, но могут встречаться и другие обозначения: PS или GPPS или PS-GP или XPS или Crystal PS (полистирол общего назначения), УП или УПС или HIPS или PS-HI или PS-I (ударопрочный полистирол), MIPS или IPS или PS-I (ударопрочный полистирол средней ударной прочности), SHIPS (ударопрочный полистирол сверхвысокой ударной прочности).

Кроме полистирола общего назначения и ударопрочного полистирола промышленностью выпускается широкое разнообразие модификаций и сополимеров стирола. В частности, эластомеры, обладающие способностью к большим обратимым деформациям за счет частичного развертывания хаотически свернутых цепных молекул полимера, и синдиотактический полистирол, получаемый на металлоценовых катализаторах и обладающий очень высокой жесткостью и термостойкостью.

Полистирол – термопластичный материал, обладающий высокой твёрдостью и хорошими диэлектрическими свойствами, химически стойкий по отношению к щелочам и кислотам, кроме азотной и уксусной. Полистирол не растворяется в низших спиртах, алифатических углеводородах, фенолах, простых эфирах. Растворяется в собственном мономере, ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, ацетоне. Устойчив к радиоактивному облучению, но стойкость к ультрафиолетовым лучам невелика. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Без труда склеивается. Обладает низким влагопоглощением и высокой влагостойкостью и морозостойкостью. Физиологически безвреден. Изделия из полистирола обладают высоким глянцем.

Полистирол общего назначения весьма хрупок, имеет низкую ударную прочность и малую теплостойкость: температура размягчения полистирола составляет 90-95°С. Лучшими эксплуатационными свойствами обладают различные сополимеры стирола. Ударопрочный полистирол отличается повышенными показателями ударной вязкости в широком диапазоне температур (до -30...-40 °С).

Основной недостаток полистирола – низкая термо- и светостойкость. Поэтому изделия с применением полистирола не рекомендуются к эксплуатации на улице без покрытия и больше подходят для интерьерных применений.

Свойства полистирола общего назначения.

1. Плотность – 1050-1080 кг/м3.
2. Насыпная плотность гранул – 550-560 кг/м3.
3. Линейная усадка в форме – 0,4-0,8 %.
4. Нижний предел рабочих температур – минус 40 °С.
5. Верхний предел рабочих температур 65-75 °С.
6. Электрическая прочность при частоте 50 Гц – 20-23 кВ/мм.
7. Удельное поверхностное электрическое сопротивление – 1016 Ом.
8. Удельное объемное электрическое сопротивление
   • при выдержке под напряжением 1 мин. – 1017 Ом·см
   • при выдержке под напряжением 15 мин. – 1018 Ом·см.
9. Коэффициент термического линейного расширения – 6·10-5-7·10-5 град-1.
10. Коэффициент теплопроводности – 0,093-0,140 Вт/м·К.
11. Удельная теплоемкость – 34·103 Дж/кг·К.
12. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц – 3-4·10-4.
13. Диэлектрическая проницаемость – 2,49-2,60.

Министерство образования Российской Федерации и науки

Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

“Алтайский Государственный Технический Университет

им. И.И. Ползунова”

Реферат.

По дисциплине «органическая химия» на тему:

«Полистирол (поливинилбензол)»

Выполнила студентка гр. ПКМ-71:

Бархатова Л. Н.

Проверила старший преподаватель

кафедры ФиТКМ: Арсентьева С.Н.

Барнаул 2008г.

Введение, общая характеристика и классификация полимеров

1. Историческая справка

2. Описание полистирола

3. Основные свойства

3.1.Физические свойства

3.2.Химические свойства

4. Получение

5. Надмолекулярная структура, конформация, конфигурация

6. Способы отверждения

7. Применение в промышленности

Заключение

Список литературы

Введение

Общая характеристика и классификация полимеров

Полимером называется органическое вещество, длинные молеку­лы которого построены из одинаковых многократно повторяю­щихся звеньев – мономеров.

Размер молекулы полимера определяется степенью полимери­зации n, т.е. числом звеньев в цепи. Если n= от 10 до 20, вещества представляют собой легкие масла. С возрастанием n увеличива­ется вязкость, вещество становится воскообразным, наконец, при n=1000 образуется твердый полимер. Степень полимеризации неограниченна: она может быть 10 4 , и тогда длина молекул достига­ет микрометров. Молекулярная масса полимера равна произве­дению молекулярной массы мономера и степени полимеризации. Обычно она находится в пределах от 10 3 до 3×10 5 . Столь большая длина молекул препятствует их правильной упаковке, и структура полимеров варьирует от аморф­ной до частично кристаллической. Доля кристалличности в зна­чительной мере определяется геометрией цепей. Чем ближе укла­дываются цепи, тем более кристалличным полимер становится. Кристалличность даже в лучшем случае оказывается несовершенной .

Аморфные полимеры плавятся в диапазоне температур, зави­сящем не только от их природы, но и от длины цепей; кристалли­ческие имеют точку плавления.

По происхождению полимеры делятся на три группы: синтетические полимеры (искусственные), природные органические и природные неорганические полимеры.

Синтетические полимеры получаются путем ступенчатой или цепной полимеризации низкомолекулярных полимеров.

Природные неорганические полимеры – это например расплав магмы, оксид кремния.

Природные органические полимеры образуются в результате жизнедеятельности рас­тений и животных и содержатся в древесине, шерсти, коже. Это протеин, целлюлоза, крахмал, шеллак, лигнин, латекс.

Обычно природные полимеры подвергаются операциям выде­ления очистки, модификации, при которых структура основных цепей остается неизменной. Продуктом такой переработки явля­ются искусственные полимеры. Примерами являются натураль­ный каучук, изготовляемый из латекса, целлулоид, представляю­щий собой нитроцеллюлозу, пластифицированную камфарой для повышения эластичности.

Природные и искусственные полимеры сыграли большую роль в современной технике, а в некоторых областях остаются неза­менимыми и до сих пор, например в целлюлозно-бумажной про­мышленности. Однако резкий рост производства и потребления органических материалов произошел за счет синтетических поли­меров – материалов, полученных синтезом из низкомолекуляр­ных веществ и не имеющих аналогов в природе. Развитие хими­ческой технологии высокомолекулярных веществ – неотъемлемая и существенная часть современнойНТР. Без полимеров уже не может обойтись ни одна отрасль техники, тем более новой. По химической структуре полимеры делятся на линейные, разветв­ленные, сетчатые и пространственные. Молекулы линейных поли­меров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса. При нагревании вязкость таких полимеров уменьшается и они способны обратимо переходить сначала в высокоэластическое, а затем и в вязкотекучее состояния (рисунок 1). Поскольку единственным следствием нагрева является изменение пластичности, линейные полимеры называют термопластичными. Не следует думать, что термин «ли­нейные» обозначает прямолинейные, наоборот, для них более ха­рактерна зубчатая или спиральная конфигурация, что придает таким полимерам механическую прочность.

Термопластичные полимеры можно не только плавить, но и растворять, так как связи Ван-дер-Ваальса легко рвутся под дей­ствием реагентов.

Разветвленные (привитые) полимеры более прочны, чем ли­нейные. Контролируемое разветвление цепей служит одним из основных промышленных методов модификации свойств термопластичных полимеров.

Сетчатая структура характерна тем, что цепи связаны друг с другом, а это сильно ограничивает движение и приводит к изме­нению как механических, так и химических свойств. Обычная ре­зина мягка, но при вулканизации серой образуются ковалентные связи типа S-ноль, и прочность растет. Полимер может приобрести сетчатую структуру и спонтанно, например, под действием света и кислорода произойдет старение с потерей эластичности и рабо­тоспособности. Наконец, если молекулы полимера содержат реакционноспособные группы, то при нагревании они соединяются множеством поперечных прочных связей, полимер оказывается сшитым, т. е. приобретает пространственную структуру. Таким образом, нагрев вызывает реакции, резко и необратимо изменяю­щие свойства материала, который приобретает прочность и вы­сокую вязкость, становится нерастворимым и неплавким. Вслед­ствие большой реакционной способности молекул, проявляющей­ся при повышении температуры, такие полимеры называют тер­мореактивными. Нетрудно представить, что их молекулы активны не только по отношению друг к другу, но и к поверхностям ино­родных тел. Поэтому термореактивные полимеры, в отличие от термопластичных, обладают высокой адгезионной способностью даже при низких температурах, что позволяет использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующего в композици­онных материалах.

Термопластичные полимеры получают по реакции полимери­зации, протекающей по схеме (рисунок 2).

	Рисунок 2 – Реакции образования полимеров: а) – полимеризация, б) - поликонденсация

При цепной полимеризации молекулярная масса нарастает почти мгновенно, промежуточные продукты неустойчивы, реакция чувствительна к присутствию примесей и требует, как правило, высоких давлений. Неудивительно, что такой процесс в естествен­ных условиях невозможен, и все природные полимеры образова­лись иным путем. Современная химия создала новый инстру­мент - реакцию полимеризации, и благодаря ему большой класс термопластичных полимеров. Реакция полимеризации реализует­ся лишь в сложной аппаратуре специализированных производств, и термопластичные полимеры потребитель получает в готовом виде.

Реакционноспособные молекулы термореактивных полимеров могут образоваться более простым и естественным путем – посте­пенно от мономера к димеру, потом к тримеру, тетрамеру и т. д. Такое объединение мономеров, их «конденсацию», называют ре­акцией поликонденсации; она не требует ни высокой чистоты, ни давлений, но сопровождается изменением химического состава, а часто и выделением побочных продуктов (обычно водяного пара) (рисунок 2). Именно эта реакция реализуется в природе; она мо­жет быть легко осуществлена за счет лишь небольшого нагрева в самых простых условиях, вплоть до домашних. Такая высокая технологичность термореактивных полимеров предоставляет ши­рокие возможности изготовлять различные изделия на нехимиче­ских предприятиях, в том числе на радиозаводах .

Независимо от вида и состава исходных веществ и способов получения материалы на основе полимеров можно классифици­ровать следующим образом: пластмассы, волокниты, слоистые пластики, пленки, покрытия, клеи.

1. Историческая справка

Промышленность ластмасс зародилась на рубеже XX века. Легко полимеризующийся стирол и его стеклообразный твердый полимер сразу же привлекли внимание. Основы химии и техноло­гии производства полистирола заложили Остромысленский и Штау-дингер. Последний предложил цепной механизм образования макромолекул полистирола.

Первый патент на получение полистирола (способом термической спонтанной полимеризации в массе) был взят в Германии в 1911г. Там же в 1920 г. началось промышленное производство полимера. В 1936г. уже производилось 6000 т/год.

За пределами Германии рост производства полистирола долгое время сдерживался высокой ценой на мономер. Стимулом к бурному развитию послужило создание в США во время второй мировой войны крупнотоннажного производства бутадиен-стирольного каучукачто, естественно, привело к снижению цен на стирол. После Войныпроизводство полистирола и сополимеров стирола, содержащихболее 50 процентов стирола по составу (в отличие от бутадиен-стирольного каучука, где стирола около 30 процентов), развивалось самостоятельно. Разработка таких эффективных продуктов; как пенополистирол, ударопрочные полимеры стирола, АБС-пластики, позволила полистирольным пластикам в целом занять третье место в мировом производстве пластмасс после полиэтилена и поливинилхлорида.

Твердый, жесткий, аморфный полимер. ПС хорошо окрашивается и обрабатывается механическими способами.

Основные физико-химические свойства полистирола

Полистирольные пластики представляют собой многочисленную группу термопластичных материалов, химический состав полимерной части которых содержит мономер стирол или продукты его сополимеризации. Широко используются полистирол общего назначения (ПС), вспенивающийся полистирол, ударопрочный полистирол (УПС) и АБС-сополимеры.

Полистирол имеет большое значение среди современных видов конструкционных пластмасс. Хотя в настоящее время удельный вес полистирола в объеме производства синтетических смол и пластмасс составляет менее 6%, но области применения этого вида полимера, обусловленные широким спектром физико-механических свойств, охватывают все сферы промышленности, начиная от производства товаров народного потребления и заканчивая автомобильной промышленностью и строительством.

По физическим свойствам полистирол представляет собой термопластичный полимер линейного строения. Аморфный, бесцветный, прозрачный, хрупкий продукт. Не токсичен. Для полистирола характерны легкость переработки, склеиваемость, хорошая окрашиваемость в массе и очень хорошие диэлектрические свойства.

Таблица. Физические свойства полистирола.

Физические свойства	Обозначение	Единица измерения	Значение
Плотность		г/см3	1,05
Температура стеклования	Тст.	°С	93
Температура самовоспламенения	Тсв.	°С	440
Предел прочности при растяжении	σраст.		40-50
Модуль упругости при изгибе		ГПа	3,2
Относительное удлинение		%	1,2-2
Теплопроводность		Вт(м∙К)	0,08-0,12
Теплостойкость по Мартенсу		°С	70
Твердость по Бринелю		МПа	140-200
Усадка при литье		%	0,4-0,8
Удельное электрическое сопротивление	ρv		1015
Диэлектрическая проницаемость	ε		2,5-2,6
Нижний концентрационный предел воспламенения	КПВ	г/м3	25-27,5

Полистирол легко растворим в собственном мономере, ароматических углеводородах, сложных эфирах, ацетоне. Не растворяется в низших спиртах, алифатических углеводородах, фенолах, простых эфирах. Полимер обладает низким влагопоглощением, устойчив к радиоактивному излучению, к кислотам и щелочам, однако разрушается под действием концентрированной азотной кислоты и ледяной уксусной. На воздухе при УФ облучении полистирол подвергается старению: появляются желтизна и микротрещины, происходит помутнение, увеличивается хрупкость. Термодеструкция начинается при 200 °С и сопровождается выделением мономера. Недостатки полистирола – его хрупкость и низкая теплостойкость. Невелико сопротивление ударным нагрузкам. При температурах выше 60°С снижается формоустойчивость.

Для получения материалов, обладающих более высокой теплостойкостью и ударной прочностью, чем полистирол, используют его смеси с другими полимерами и сополимеры стирола. Наибольшее промышленное значение имеют блок- и привитые сополимеры, а также статистические сополимеры стирола с акрилонитрилом, акрилатами и метакрилатами, α-метилстиролом и малеиновым ангидридом.

ПС обладает средней газопроницаемостью (выше, чем у ПП, но ниже, чем у ПЭНП), но высокой паропроницаемостью. Паропропускание быстро понижается при отрицательных температурах, что позволяет использовать ПС для упаковки продуктов при низких температурах.

ПС имеет отличные электрофизические свойства – низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность, высокое объемное сопротивление. Химически он стоек к сильным кислотам и щелочам, нерастворим в углеводородах алифатического ряда и слабых спиртах; растворим в ароматических углеводородах, высших спиртах, сложных эфирах и хлорированных углеводородах. Из ориентированной ПС пленки можно получать термоформованием очень сложные изделия.

Основные группы полистирольных пластиков / Styrene polymers

По химическому строению полистирольные пластики делятся на четыре основные группы:

1. гомополистирол (или полистирол общего назначения – ПСМ, ПСС), вспенивающийся полистирол (ПСВ, ПСВ-С);
2. статистические сополимеры стирола, например, двойные сополимеры стирола с метилметакрилатом (МС), акрилонитрилом (САН) и др., тройной сополимер – стирол-метилметакрилат-акрилонитрил (МСН);
3. привитые сополимеры стирола, к которым относятся ударопрочный полистирол, АБС-сополимеры, сополимер МСП;
4. полимерные композиты (полимер - полимерные смеси), например, АБС-ПВХ, АБС–ПК, ударопрочный полистирол – полифениленоксид, стеклонаполненные АБС и САН, трудногорючие марки ударопрочного полистирола и АБС.

Применение полистирола в упаковке

Двухосноориентированная пленка обладает прекрасной прозрачностью. Температура размягчения составляет 90-95°С. Ориентированный полистирол имеет среднюю газопроницаемость (выше чем у ПП, но ниже, чем у ПЭНП), но высокую паропроницаемость. Паропроницаемость быстро понижается при температурах ниже 0°С, что позволяет использовать ПС для упаковки продуктов при низких температурах. Из ориентированной ПС пленки методом термоформования получать изделия сложной конфигурации.

Ориентированный ПС толщиной менее 75 мкм используют для "окошек" в картонных упаковочных коробках. Более толстые пленки используются для получения стаканчиков для торговых автоматов, подносов для фасованного свежего мяса, с тем, чтобы видеть при покупке обе стороны упаковываемого продукта.

Ударопрочный полистирол (УПС) представляет собой блоксополимер стирола с каучуком. В немодифицированном состоянии ПС - хрупкий материал, и его удельная ударная вязкость недостаточна для многих применений.

Ударопрочный ПС более гибок, имеет большую ударную прочность, но меньшую прочность при растяжении и термическую стойкость, чем немодифицированный ПС. Химические свойства немодифицированного ПС одинаковы со свойствами. Ударопрочный ПС - превосходный материал для получения различных изделий методом термоформования. Введение в ПС синтетических каучуков, уменьшая хрупкость, снижает прозрачность ПС.

Вспененный полистирол обладает высокой жиростойкостью, является прекрасным теплоиэолятором. Применяется для изготовления различных упаковочных изделий методом термоформования (прокладки в ящики для яблок, коробочки для фасовки яиц, подносы и лотки для расфасовки свежего мяса, рыбы, чипсов и т.д.).

Сополимеры стирола с акрилонитрилом (САН) имеют более высокую химическую стойкость по сравнению с базовым полимером ПС.

АБС-пластик - сополимер стирола, бутадиена, акрилонитрила. Его свойства варьируются в широких пределах в зависимости от состава композиции и метода производства. АБС пластик имеет более высокую ударную вязкость, химическую стойкость и пластичность, чем УПС. Применяется в виде банок и подносов.