ポリスチレン (PS)はスチレンモノマーからラジカル付加重合により合成されたポリマーであり、その化学式は(C8H8)nである。無色透明である。 ガラス転移温度が100℃以上であるため、沸騰水の温度に耐える必要があるさまざまな使い捨て容器や、使い捨ての発泡スチロール製弁当箱の製造によく使用されます。
27年2017月3日、世界保健機関の国際がん研究機関は参考として発がん性物質の暫定リストを公表し、ポリスチレンはクラスXNUMXの発がん性物質のリストに含まれていました。
沿革
ポリスチレンは他のプラスチックとは異なります。15世紀後半には、針葉樹の樹脂である「バルサム」という天然物質が使われていました。しかし、1836年にドイツのシモンが蒸留によってバルサム樹脂からスチレンモノマーを分離し、「スチレン」と名付けるまで、化学的な観点から研究されることはありませんでした。
サイモンは1839年にスチレンの重合によってポリスチレンを得ましたが、彼はそれが酸化生成物であると考えました。1845年にブライスとホフマンはこの酸化理論を否定し、それが固体スチレンであると考え、「メタスチレン」と名付けました。
1869年、フランスのベルテロはベンゼンとエチレンからスチレンを合成できることを発見しました。その後、1920年にドイツのシュタウディンガーがスチレンの重合と分解の実験を行い、ポリスチレンはスチレンモノマーが結合して形成される線状ポリマーであると提唱し、ポリマーの概念を確認する証拠として、ポリマー理論を確立しました。
ポリスチレンの工業化はガラス質で透明な絶縁材料として興味を持たれたが、合成原料であるスチレンの工業化は比較的困難であった。一方、1933年にドイツで行われた合成ゴムの研究では、ブタジエンとスチレンの共重合によるスチレンブタジエンゴムの製造に成功し、戦略物資として評価され、スチレンの工業化が急速に促進された。1934年にはエチルベンゼンの脱水素によるスチレンの合成に成功し、1935年後のXNUMX年にはポリスチレンの工業化も成功した。
合成プロセス
ポリスチレンは、開始剤または触媒の存在下で、フリーラジカル機構またはイオン機構によって重合することができます。工業的に生産されるポリスチレンは、開始剤を使用してフリーラジカル機構によって重合されます。重合は、バルク、懸濁液、溶液、またはエマルジョンで行うことができます。
生産
人々の生活の質が向上するにつれて、ポリスチレン製品の消費レベルは上昇し続け、ポリスチレンの市場需要は増加しています。2016年の中国のポリスチレン生産量は2.2078万2.4313トン、2017年は2.5624万2018トン、2018年は3.39万XNUMXトンでした。中国のポリスチレン生産能力は安定しており、XNUMX年のポリスチレン業界の年間生産能力はXNUMX万トンでした。
物理的及び化学的性質
密度：1.05g /cm³
導電率: 10-16 S/m
熱伝導率：0.08 W/(m·K)
ヤング率：3000～3600MPa
引張強度：46～60MPa
伸び：3-4％
シャルピー衝撃試験：2～5 kJ/m²
ガラス転移温度：80〜100℃
（ガラス転移温度：アタクチックポリスチレンの場合100℃（または105℃）、アイソタクチックポリスチレンの場合100℃）
熱膨張係数：8×10^-5/K
熱容量：1.3kJ/(kg·K)
吸水率：0.03～0.1
分解温度: 280℃
ポリスチレンのガラス転移温度は80〜105℃、非晶質密度は1.04〜1.06g / cm3、結晶密度は1.11〜1.12g / cm3、融点は240℃、抵抗率は10^20〜10^22Ω·cmです。熱伝導率は0.116℃で30W /（m·K）です。通常のポリスチレンは、断熱性、絶縁性、透明性に優れた非晶質ランダムポリマーです。長期使用温度は0〜70℃ですが、低温では脆く割れやすいです。また、アイソタクチック、シンジオタクチック、アタクチックポリスチレンがあります。アイソタクチックポリマーは結晶性が高く、シンジオタクチックポリマーは部分的に結晶性があります。
毒物学
ラットへの注射における最小致死量（TD L0）：200 mg/kg。
急性中毒症状：毒性はポリマー中の未重合モノマー、すなわちスチレンの量に関係し、主に呼吸器系に対する強い刺激物です。
緊急対策
応急措置
皮膚に付着した場合: 汚染された衣服を脱ぎ、流水で洗い流してください。
目に入った場合: まぶたを上げて流水または生理食塩水で洗い流してください。医師の診察を受けてください。
吸入：シーンを新鮮な空気に任せてください。 呼吸が困難な場合は、酸素を与えてください。 医師の診察を受けてください。
飲み込んだ場合: 多量の温水を飲んで吐き出してください。医師の診察を受けてください。
漏水処理
漏れた汚染エリアを隔離し、立ち入りを制限してください。火源を遮断してください。緊急対応要員は防塵マスク（フルフェイスマスク）と防護服を着用することをお勧めします。清潔なシャベルで乾燥した清潔な蓋付き容器に集め、安全な場所に移してください。
大量の流出: 収集してリサイクルするか、廃棄物処理場に運んで処分してください。
消火方法
消防士は防毒マスクと全身防火服を着用し、風上から消火活動を行わなければなりません。
消火剤: 水噴霧、泡、粉末、二酸化炭素、砂。
欠陥種類の識別
ポリスチレン（PS）には、通常のポリスチレン、発泡ポリスチレン（EPS）、高衝撃性ポリスチレン（HIPS）、シンジオタクチックポリスチレン（SPS）が含まれます。通常のポリスチレン樹脂は、無毒、無臭、無色透明の粒子、ガラスのような脆い材料であり、その製品は透明度が非常に高く、光透過率は90％以上に達し、電気絶縁性能が良好で、着色しやすく、加工流動性が良好で、剛性が良好で、耐化学腐食性が良好です。通常のポリスチレンの欠点は、脆く、衝撃強度が低く、応力亀裂が生じやすく、耐熱性が悪く、沸騰水に耐えられないことです。
プロパティ
通常のポリスチレン樹脂は非晶質ポリマーです。ポリスチレン高分子鎖の側鎖はベンゼン環です。ベンゼン環の大容量側鎖のランダムな配置により、ポリスチレンの物理的および化学的特性（高透明性、高剛性、高ガラス転移温度、脆さなど）が決まります。発泡性ポリスチレンは、通常のポリスチレンに低沸点の物理発泡剤を含浸させて作られます。加工中に加熱すると発泡し、特に 発泡プラスチック 製品。高衝撃性ポリスチレンはスチレンとブタジエンの共重合体で、ブタジエンが分散相として含まれているため、材料の衝撃強度が向上しますが、製品は透明ではありません。シンジオタクチックポリスチレンは、メタロセン触媒を使用して製造されたシンジオタクチック構造です。これは、優れた性能を備えた新しいタイプのポリスチレンであり、 エンジニアリングプラスチック.
材料特性
PSは一般に頭尾構造を持ち、飽和炭素鎖を主鎖とし、共役ベンゼン環を側鎖とすることで分子構造を不規則にし、分子の剛性を高め、PSを非結晶性の線状ポリマーにしています。ベンゼン環の存在により、PSはTg（80〜105℃）が高く、常温では透明で硬い性質を持っています。分子鎖の剛性により、応力亀裂が生じやすいです。
ポリスチレンは無色透明で、自由に着色でき、比重はPPとPEに次ぐ。電気特性に優れ、特に高周波特性はF-4に次ぐ。 PPOまた、光安定性はメタクリル樹脂に次ぐものですが、耐放射線性はプラスチックの中で最も強力です。ポリスチレンの最大の特徴は、優れた熱安定性と溶融時の流動性を有するため、成形加工、特に射出成形が容易で、大量生産に適していることです。成形収縮が小さく、成形品の寸法安定性も良好です。
機械的性質
ポリスチレン分子とその凝集構造により、ポリスチレンは硬くて脆い材料であることが決まり、応力を受けると脆性破壊を起こします。
熱特性
ポリスチレンの特性温度は、脆化温度が約-30℃、ガラス転移温度が80〜105℃、融点が140〜180℃、分解温度が300℃以上です。ポリスチレンの機械的性質は温度の上昇とともに著しく低下し、耐熱性も悪いため、連続使用温度は約60℃で、最高使用温度は80℃を超えてはなりません。熱伝導率は0.04〜0.15W/(m·K)と低く、温度の影響をほとんど受けないため、断熱性に優れています。
電気的特性
ポリスチレンは、体積抵抗率が10 16 ～ 10 18Ω·cm、表面抵抗率が10 15 ～ 10 18Ωと高く、電気特性に優れています。誘電正接が極めて低く、周波数、周囲温度、湿度の変化にも影響を受けにくいため、絶縁材料として優れています。
光学性能
ポリスチレンは光学特性に優れ、光透過率は88%～92%、屈折率は1.59～1.60です。可視光の全波長を透過し、透明度はプラスチックに次ぐものです。 アクリル ポリスチレンはプラスチックの中でも有機ガラスなどの高分子材料から作られています。しかし、耐候性に乏しく、長期間の使用や保管中に日光やホコリにさらされると白濁し、黄色くなります。そのため、光学部品など透明度の高い製品にポリスチレンを使用する場合は、適切な種類と量の酸化防止剤の添加を検討する必要があります。
化学的特性
耐食性は良好ですが、耐溶剤性および耐酸化性は劣ります。
ポリスチレンは、さまざまなアルカリ、塩、水溶液に対して耐性があります。また、低レベルのアルコールや特定の酸（硫酸、リン酸、ホウ酸、10～30質量％の塩酸、1～25質量％の酢酸、1～90質量％のギ酸など）に対しても安定しています。ただし、濃硝酸やその他の酸化剤はポリスチレンを破壊する可能性があります。
ポリスチレンは、アセトン、テトラクロロエタン、スチレン、ベンゼン、クロロホルム、キシレン、トルエン、四塩化炭素、メチルエチルケトン、エステルなど、同様の溶解度パラメータを持つ多くの溶媒に溶解できます。鉱油、脂肪族炭化水素、エーテル、フェノールなどには不溶ですが、これらによって膨潤する可能性があります。高級アルコールや油などの多くの非溶媒物質は、ポリスチレンの応力亀裂や膨潤を引き起こす可能性があります。
ポリスチレンは、熱、酸素、大気の条件下では老化しやすく、高分子鎖の破損や変色を引き起こします。システムに微量のモノマー、硫化物、その他の不純物が含まれていると、老化の影響を受けやすくなります。そのため、ポリスチレン製品は長期間使用すると黄色に変色し、脆くなります。
生産アプリケーション
加工性
最初のステップは、最終製品の密度を決定する予備発泡または単純発泡です。このプロセスでは、発泡剤を含むポリマー粒子が加熱条件下で軟化し、発泡剤が蒸発します。その結果、各ビーズ内で膨張が起こり、多数のセルが形成されます。セルの数 (および最終的な密度) は、加熱温度と加熱時間によって制御されます。このプロセス中、ビーズは分散され、自由に流れる状態を維持する必要があります。
工業生産では、発泡プロセスは、発泡性PSを直接蒸気に入れることです。一般的に、反応は、撹拌タンク内でビーズと蒸気を連続的に混合することによって完了します。反応装置（プレ発泡機など）は、外部圧力を常圧に保つために開いており、発泡したビーズは上から溢れます。一部のメーカーは、よりバランスの取れた滞留時間を確保するため、または特定の発泡性DPSに比較的高い温度が必要な場合に、断続的な反応器を使用しています。発泡後、ビーズを熟成させて、空気が徐々に細孔に取り込まれるようにする必要があります。
ステップ2。まず、熟成した予備発泡ビーズを特定のキャビティを備えた金型に入れます。小型で複雑な構造の製品の場合は、ベンチュリーアクションデバイス（充填ガンなど）を使用して成形する必要があります。ビーズは空気の流れの助けを借りて金型キャビティに吹き込まれます。大型製品は、自身の重力で金型キャビティを満たすことができます。顆粒で満たされた金型キャビティは密閉され、加熱され、ビーズは熱によって柔らかくなり、気泡が膨張します。ビーズは発泡して膨張し、互いの隙間を埋めて均一な発泡体に結合します。この時点で、発泡体はまだ柔らかく、細孔内の高温ガスの圧力に耐えます。製品を金型から取り出す前に、ガスを細孔から染み出させ、温度を下げて製品の形状を安定させる必要があります。これは通常、金型の内壁に水を噴霧することによって行われます。
成形金型が二重壁であるため、発泡PSの成形は「蒸気室成形」と呼ばれます。金型の内壁のサイズは実際の製品のサイズであり、金型の内壁には蒸気がフォームを通過して熱気を拡散できるようにするための細孔があります。二重壁の間の空間は蒸気室を形成し、そこに蒸気が導入されてビーズが加熱されます。ほとんどの製品の場合、発泡PSの成形圧力は276kPa未満です。金型はアルミニウムで作られ、製品の要件に応じて特定の形状に鋳造されます。発泡PSの成形は、成形圧力が低く、成形設備コストが低いため、経済的な生産方法です。
用途
ポリスチレンはフォームの製造によく使用されます プラスチック製品ポリスチレンは他のゴム系ポリマー材料と共重合して、異なる機械的特性を持つさまざまな製品を生産することもできます。日常生活での一般的な用途には、さまざまな使い捨てプラスチック食器、透明なCDボックスなどがあります。発泡ポリスチレンの建築材料への使用では、2003年から中空床の防音材や断熱材に広く使用されています。
耐衝撃性ポリスチレン（HIPS）
高衝撃性ポリスチレンは、ポリスチレンにポリブチルゴム粒子を添加して製造される耐衝撃性ポリスチレン製品です。このポリスチレン製品は、ミクロンサイズのゴム粒子を添加し、ポリスチレンとゴム粒子をグラフト結合により結合します。衝撃を受けると、比較的柔らかいゴム粒子によって亀裂伝播の先端応力が解放されます。そのため、亀裂伝播が妨げられ、耐衝撃性が向上します。
スチレン-アクリロニトリル共重合体（SAN）
SAN はスチレンアクリロニトリルの略称で、スチレンとアクリロニトリルの共重合体です。無色透明で、機械的強度に優れたポリプロピレンベースのエンジニアリングプラスチックです。SAN の化学的安定性はポリスチレンよりも優れています。SAN 製品の透明性と UV 耐性はポリメチルメタクリレート製品ほど良くありませんが、価格は比較的安価です。
アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ABS）
ABS アクリロニトリルブタジエンスチレンの略称で、アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの共重合体です。高強度、軽量という特徴があり、よく使われるエンジニアリングプラスチックの一つです。
SBSラバー
SBS ゴムは、ポリ（スチレン - ブタジエン - スチレン）構造の 3 ブロック共重合体です。この材料は、ポリスチレンとポリブタジエンの両方の特性を持ち、耐久性のある熱可塑性ゴムです。SBS ゴムは、タイヤの製造によく使用されます。
ポリスチレンは加工しやすく、透明性、低価格、剛性、絶縁性、良好な印刷性などの利点があり、軽工業市場、日常装飾、照明表示、包装などに広く使用されています。電気分野では、優れた絶縁材および断熱材であり、さまざまな計器ハウジング、ランプシェード、光学および化学機器部品、透明フィルム、コンデンサ誘電体層などの製造に使用できます。
パウダーやエマルジョン化粧品に使用できます。プレストパウダーに使用すると圧縮性が良く、パウダーの密着性を高めることができます。肌にツヤと滑らかさを与え、タルクパウダーやシリカに代わる高級フィラーです。
環境問題
ポリスチレンは質量が小さく（特に発泡体）、残留価値が低いため、簡単にリサイクルできません。ポリスチレンは通常リサイクルされません。しかし、業界では発泡ポリスチレンのリサイクルにおいて、密度を高める新しい方法により大きな進歩を遂げています。この方法により、密度が通常 15 スラグ/ft³（訳注：1 スラグ/ft³ = 1.94055g/cm³）増加し、クリーンなポリスチレンの適切なリサイクル操作の中心となります。
材料タイプ
クラフト材料
プラスチック：
ポリエチレン; ポリ塩化ビニル; ポリスチレン; ポリビニルアルコール; ポリプロピレン; ポリアクリル酸; ポリブチレン; ポリイソブチレン; ポリスルホン; ポリオキシメチレン; ポリアミド; ポリカーボネート; ポリ乳酸; ポリテトラフルオロエチレン; ポリエチレンテレフタレート; エポキシ樹脂; フェノール樹脂; ポリウレタン
合成ゴム：
ブタジエンゴム、スチレンブタジエンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム
合成繊維:
ポリプロピレン、ポリエステル、ナイロン、アクリル、スパンデックス、ビニロン、ナイロン、ダクロン、ケフロン
耐衝撃性
耐衝撃性ポリスチレンは、スチレンモノマーとゴムのグラフト重合によって形成される非晶質ポリマー、またはポリスチレンとゴム（通常はポリブタジエンゴム）の物理的ブレンドです。得られたポリマーは強靭で、通常は白色（透明グレードも利用可能）で、押し出し成形が非常に簡単です。その強靭性は主にゴム成分の比率と量によって決まります。耐衝撃性PSの代表的な特性は、曲げ強度と引張強度が13.8〜48.3MPa（ゴムと添加剤の含有量による）、伸びが10〜60％、光沢が5〜100％です。視覚的な透明度は優れているから劣る、収縮は約0.006、熱膨張係数は透明PSと同じです。耐衝撃性PSの性能はγ線滅菌後も変化せず、透明PSと同じ耐溶剤性を備えています。耐衝撃性PSのメルトインデックスは1〜10g/分、ビカット軟化点は215°Fです。性能が向上した耐衝撃性ポリスチレンの商業生産には、幅広い市場見通しがあります。利用可能な特殊グレードには、超高光沢グレード、高透明グレード、耐摩耗グレード、環境ストレス耐性グレード-ESCRグレード、高弾性グレード、低光沢グレード、残留モノマースチレン含有量の低いグレードなどがあります。
高衝撃性ポリスチレンの優れた特性は、加工が容易で、寸法安定性に優れ、衝撃強度が高く、剛性が高いことです。HIPSの場合、耐熱性のみです。酸素透過性、UV安定性、耐油性には一定の制限があります。化学と特性高衝撃性ポリスチレンは、重合前にポリジエンゴムをスチレンモノマーに溶解して製造されます。HIPSは懸濁重合で製造できますが、現在HIPSの工業生産に使用されている主な方法はバルク重合です。バルク重合プロセスでは、スチレンモノマー/ゴム/添加剤の混合物が、70〜90％の変換率で一連の反応器を通過します。重合反応を加熱するか、開始剤を添加して反応を完了し、真空中で加熱して樹脂から揮発性残留モノマーを除去してから、ペレット化して販売する必要があります。
ポリスチレン技術の継続的な発展により、メーカーは標準のPSよりも優れた特性を持つグレードを生産できるようになりました。ポリスチレンの多くの特性は、同時に得ることはできません。たとえば、衝撃強度を向上させるには、光沢を犠牲にする必要があります。ABSの光沢を持ち、靭性も高い新しい樹脂が登場しました。食品を包装する際のさまざまな油脂や、冷蔵庫で使用する際のクロロフルオロカーボン（CFC）発泡剤に耐性のあるグレードも開発されています。耐衝撃性ポリスチレンの難燃性グレード（UL V-0およびUL 5-V）が生産され、テレビの筐体、業務用機械、電気製品に広く使用されています。これらの樹脂は、多くの難燃性エンジニアリング樹脂よりも加工が容易で、安価です。
開発可能
ティーカップから家庭用断熱材まで、あらゆるものの製造に使用されています。発泡プラスチックの特性（密度や衝撃強度など）は、セルのサイズと分布に依存し、追加された発泡剤の分散、割合、揮発性によって制御されます。代表的な発泡剤はペンタンとイソペンタンです。難燃性発泡ポリスチレンは、難燃剤としてハロゲン化炭化水素を使用し、建物やエンジニアリングの遮音層として広く使用されています。発泡剤SANは、フローティング製品やその他の耐ガソリン製品の製造に使用されています。
共重合体
それらは非常に優れた靭性を持っています。主な種類は、スチレン-アクリロニトリル共重合体（SAN）、スチレン-無水マレイン酸共重合体（SMA）、スチレン-ブタジエン-スチレン共重合体（SBS）、スチレン-アクリレート共重合体およびそれらの改質体です。SANは透明PSよりも熱変形温度が高く、耐溶剤性も向上し、耐浸透性に優れています。ゴム改質SANには、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン共重合体（ABS）、アクリロニトリル-スチレン-アクリレート共重合体（ASA）などの樹脂が含まれます。S-MAは透明PSよりも熱変形温度が高く、最大40°Fで、透明性と光沢性に優れています。SMAはゴムで改質することも、ガラス繊維で強化することもできます。SBSおよびさまざまなSBS改質体は、セメント、靴底、アスファルトフェルトなど、粘性と耐曲げ性を備えた製品を製造するための耐衝撃性、柔軟性、流動性を向上させるための部品として使用できます。SBSは透明な耐衝撃性PSの製造にも使用されます。スチレンをアクリルエラストマーと共重合することで、優れた物理的特性を持つ透明で耐衝撃性のある PS を製造できます。
