Poliestireno (PS) é um polímero sintetizado a partir de monômeros de estireno por polimerização por adição de radicais livres, e sua fórmula química é (C8H8)n. É um polímero incolor e transparente termoplástico com uma temperatura de transição vítrea superior a 100 °C, por isso é frequentemente usado para fazer vários recipientes descartáveis ​​que precisam suportar a temperatura da água fervente, bem como lancheiras de espuma descartáveis.

Em 27 de outubro de 2017, a Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer da Organização Mundial da Saúde publicou uma lista preliminar de carcinógenos para referência, e o poliestireno foi incluído na lista de carcinógenos de Classe 3.

História

O poliestireno é diferente de outros plásticos. Já na segunda metade do século XV, as pessoas utilizavam o seu produto natural, a resina das árvores coníferas chamada “bálsamo”. No entanto, não foi estudado do ponto de vista químico até 15, quando Simon da Alemanha separou monómeros de estireno da resina de bálsamo por destilação e nomeou-o “Estireno”.

Simon obteve poliestireno por polimerização de estireno em 1839 e pensou que fosse um produto de oxidação. Em 1845, Blyth e Hoffman negaram esta teoria da oxidação e pensaram que se tratava de um estireno sólido, nomeando-o assim “Metastylene”.

Em 1869, Berthelot, da França, descobriu que o estireno pode ser sintetizado a partir do benzeno e do etileno. Mais tarde, em 1920, Staudinger da Alemanha conduziu experimentos sobre a polimerização e craqueamento do estireno, e propôs que o poliestireno é um polímero linear formado por monômeros de estireno ligados entre si, e usou-o como evidência para confirmar o conceito de polímeros, estabelecendo assim a teoria dos polímeros. .

A industrialização do poliestireno baseou-se no seu interesse em ser um material isolante vítreo e transparente, mas a industrialização da matéria-prima sintética estireno foi relativamente difícil. Por outro lado, em 1933, nas pesquisas sobre borracha sintética realizadas na Alemanha, a copolimerização de butadieno e estireno foi utilizada com sucesso para preparar borracha de estireno-butadieno, que foi valorizada como material estratégico, promovendo rapidamente a industrialização do estireno. Em 1934, o estireno foi sintetizado com sucesso pela desidrogenação do etilbenzeno e, um ano depois, em 1935, a industrialização do poliestireno também foi bem-sucedida.

Processo de síntese

O poliestireno pode polimerizar na presença de um iniciador ou catalisador por um mecanismo de radical livre ou por um mecanismo iônico. O poliestireno produzido industrialmente é polimerizado por um mecanismo de radical livre usando um iniciador. A polimerização pode ser realizada a granel, suspensão, solução ou emulsão.

Produção

À medida que a qualidade de vida das pessoas melhora, o nível de consumo de produtos de poliestireno continua a aumentar e a procura de poliestireno no mercado aumenta. Em 2016, a produção de poliestireno da China foi de 2.2078 milhões de toneladas, 2.4313 milhões de toneladas em 2017 e 2.5624 milhões de toneladas em 2018. A capacidade de produção de poliestireno da China permaneceu estável. Em 2018, a capacidade de produção anual da indústria de poliestireno foi de 3.39 milhões de toneladas.

Propriedades físicas e químicas

Densidade: 1.05 g / cm³

Condutividade: 10-16 S/m

Condutividade térmica: 0.08 W/(m·K)

Módulo de Young: 3000-3600 MPa

Resistência à tração: 46–60 MPa

Alongamento: 3-4%

Teste de impacto Charpy: 2–5 kJ/m²

Temperatura de transição vítrea: 80-100 ℃

(Temperatura de transição vítrea: 100°C (ou 105°C) para poliestireno atático e 100°C para poliestireno isotático)

Coeficiente de expansão térmica: 8×10^-5/K

Capacidade térmica: 1.3 kJ/(kg·K)

Absorção de água: 0.03–0.1

Degradação: 280℃

A temperatura de transição vítrea do poliestireno é 80-105 ℃, a densidade amorfa é 1.04-1.06g/ cm³, a densidade do cristal é 1.11-1.12g/cm³, a temperatura de fusão é 240 ℃ e a resistividade é 10 ^ 20-10 ^22Ω·cm. A condutividade térmica é 0.116W/(m·K) a 30°C. O poliestireno comum é um polímero aleatório amorfo com excelente isolamento térmico, isolamento e transparência. A temperatura de uso a longo prazo é de 0-70°C, mas é frágil e fácil de quebrar em baixas temperaturas. Além disso, existem poliestirenos isotáticos, sindiotáticos e atáticos. Os polímeros isotáticos são altamente cristalinos e os polímeros sindiotáticos são parcialmente cristalinos.

Toxicologia

Dose letal mínima (TD L0) para injeção em ratos: 200 mg/kg.

Sintomas de envenenamento agudo: A toxicidade está relacionada com a quantidade de monômero não polimerizado, nomeadamente estireno, no polímero, e é principalmente um forte irritante para o trato respiratório.

medidas de emergência

Medidas de primeiros socorros

Contato com a pele: Retirar as roupas contaminadas e enxaguar com água corrente.

Contato com os olhos: Levante as pálpebras e enxágue com água corrente ou soro fisiológico. Procure atendimento médico.

Inalação: Deixe a cena ao ar livre. Se a respiração estiver difícil, dê oxigênio. Procurar atenção médica.

Ingestão: Beba bastante água morna e provoque o vômito. Procure atendimento médico.

Tratamento de vazamento

Isole a área contaminada vazada e restrinja o acesso. Corte a fonte de fogo. Recomenda-se que o pessoal de resposta a emergências use máscaras contra poeira (máscaras faciais) e roupas de proteção. Colete com uma pá limpa em um recipiente seco, limpo e coberto e transfira para um local seguro.

Grandes derramamentos: Recolher e reciclar ou transportar para um local de eliminação de resíduos para eliminação.

Métodos de combate a incêndio

Os bombeiros devem usar máscaras de gás e trajes de combate a incêndio de corpo inteiro e extinguir incêndios na direção contra o vento.

Agentes extintores de incêndio: spray de água, espuma, pó químico seco, dióxido de carbono, areia.

Classificação

O poliestireno (PS) inclui poliestireno comum, poliestireno expandido (EPS), poliestireno de alto impacto (HIPS) e poliestireno sindiotático (SPS). A resina de poliestireno comum é composta por partículas transparentes não tóxicas, inodoras e incolores, materiais quebradiços semelhantes a vidro e seus produtos têm transparência extremamente alta, a transmitância de luz pode atingir mais de 90%, bom desempenho de isolamento elétrico, fácil coloração, boa fluidez de processamento, bom rigidez e boa resistência à corrosão química. As desvantagens do poliestireno comum são fragilidade, baixa resistência ao impacto, fácil fissuração por tensão, baixa resistência ao calor e incapacidade de resistir à água fervente.

Propriedade

A resina de poliestireno comum é um polímero amorfo. Os grupos laterais da cadeia macromolecular do poliestireno são anéis de benzeno. O arranjo aleatório dos grupos laterais de grande volume dos anéis de benzeno determina as propriedades físicas e químicas do poliestireno, como alta transparência, alta rigidez, alta temperatura de transição vítrea e fragilidade. O poliestireno expansível é feito impregnando o poliestireno comum com um agente espumante físico de baixo ponto de ebulição. Ele espuma quando aquecido durante o processamento e é especialmente usado para fazer espuma de plástico produtos. O poliestireno de alto impacto é um copolímero de estireno e butadieno, com butadieno como fase dispersa, o que melhora a resistência ao impacto do material, mas o produto não é transparente. O poliestireno sindiotático é uma estrutura sindiotática produzida usando catalisadores de metaloceno. É um novo tipo de poliestireno com bom desempenho e pertence à plásticos de engenharia.

Características do material

O PS geralmente tem uma estrutura cabeça-cauda, ​​com uma cadeia de carbono saturada como cadeia principal e um anel de benzeno conjugado como grupo lateral, o que torna a estrutura molecular irregular, aumenta a rigidez da molécula e torna o PS um não- polímero linear cristalino. Devido à presença de anéis de benzeno, o PS tem uma Tg mais elevada (80-105°C), por isso é transparente e duro à temperatura ambiente. Devido à rigidez da cadeia molecular, é fácil causar fissuras por tensão.

O poliestireno é incolor e transparente, pode ser colorido livremente e sua densidade relativa só perde para PP e PE. Ele tem excelentes propriedades elétricas, especialmente boas características de alta frequência, perdendo apenas para F-4 e PPOAlém disso, sua estabilidade à luz só perde para a resina metacrílica, mas sua resistência à radiação é a mais forte entre todos os plásticos. A característica mais importante do poliestireno é sua excelente estabilidade térmica e fluidez quando fundido, o que facilita a moldagem e o processamento, especialmente por injeção, sendo adequado para produção em massa. A contração de moldagem é pequena e a estabilidade dimensional do produto moldado também é boa.

Propriedades mecânicas

As moléculas de poliestireno e sua estrutura agregada determinam que seja um material rígido e quebradiço, que apresenta fratura frágil sob tensão.

Propriedades térmicas

As temperaturas características do poliestireno são: temperatura frágil de cerca de -30°C, temperatura de transição vítrea de 80-105°C, temperatura de fusão de 140-180°C e temperatura de decomposição superior a 300°C. Como as propriedades mecânicas do poliestireno diminuem significativamente com o aumento da temperatura e sua resistência ao calor é fraca, a temperatura de uso contínuo é de cerca de 60°C e a máxima não deve exceder 80°C. A condutividade térmica é baixa, 0.04-0.15 W/(m·K), e quase não é afetada pela temperatura, por isso possui um bom isolamento térmico.

Propriedades elétricas

O poliestireno tem boas propriedades elétricas, com resistividade de volume e resistividade de superfície tão altas quanto 10^16 ～ 10^18 Ω·cm e 10^15 ～ 10^18 Ω respectivamente. A tangente de perda dielétrica é extremamente baixa e não é afetada por mudanças de frequência, temperatura ambiente e umidade, tornando-o um excelente material isolante.

Desempenho óptico

O poliestireno tem excelentes propriedades ópticas, com uma transmitância de luz de 88% a 92% e um índice de refração de 1.59 a 1.60. Ele pode transmitir todos os comprimentos de onda da luz visível, e sua transparência fica atrás apenas acrílico polímeros como vidro orgânico entre plásticos. No entanto, devido à sua baixa resistência às intempéries, o poliestireno ficará turvo e amarelo quando exposto à luz solar e à poeira durante o uso ou armazenamento de longo prazo. Portanto, ao usar poliestireno para fazer produtos altamente transparentes, como componentes ópticos, é necessário considerar a adição de um tipo e quantidade apropriados de antioxidante.

Propriedades quimicas

Possui boa resistência à corrosão, mas baixa resistência a solventes e oxidação.

O poliestireno é resistente a vários álcalis, sais e soluções aquosas. Também é estável a álcoois de baixo nível e certos ácidos (como ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido bórico, 10% a 30% de ácido clorídrico em massa, 1% a 25% de ácido acético em massa e 1% a 90% ácido fórmico em massa). No entanto, o ácido nítrico concentrado e outros oxidantes podem destruí-lo.

O poliestireno pode ser dissolvido em muitos solventes com parâmetros de solubilidade semelhantes, como acetona, tetracloroetano, estireno, benzeno, clorofórmio, xileno, tolueno, tetracloreto de carbono, metiletilcetona, ésteres, etc. , fenol, etc., mas pode ficar inchado por eles. Muitas substâncias não solventes, como álcoois superiores e óleos, podem causar rachaduras por tensão ou inchaço do poliestireno.

O poliestireno tem tendência ao envelhecimento sob condições de calor, oxigênio e atmosféricas, causando quebra e coloração das cadeias macromoleculares. É mais suscetível ao envelhecimento quando o sistema contém vestígios de monômeros, sulfetos e outras impurezas. Portanto, os produtos de poliestireno ficarão amarelos e quebradiços após o uso prolongado.

Aplicação de produção

Processabilidade

A primeira etapa é a pré-espuma ou espuma simples, que define a densidade do produto final. Neste processo, as partículas de polímero contendo um agente de expansão são amolecidas sob condições de aquecimento e o agente de expansão evapora. Como resultado, ocorre expansão dentro de cada esfera, formando várias células. O número de células (e portanto a densidade final) é controlado pela temperatura de aquecimento e pelo tempo de aquecimento. Durante este processo, os grânulos devem permanecer dispersos e fluir livremente.

Na produção industrial, o processo de formação de espuma consiste em colocar o PS expansível diretamente no vapor. Geralmente, a reação é completada pela mistura contínua de esferas e vapor em um tanque agitado. O equipamento de reação (tal como uma máquina de pré-espuma) é aberto para manter a pressão externa à pressão normal, e os grânulos expandidos podem transbordar pelo topo. Alguns fabricantes utilizam reatores intermitentes para garantir um tempo de residência mais equilibrado ou quando certos DPS expansíveis requerem uma temperatura relativamente alta. Após a formação de espuma, os grânulos devem ser envelhecidos para permitir que o ar seja gradualmente incorporado aos poros.

Passo 2. Primeiro, coloque as esferas pré-espumadas maduras em um molde com uma cavidade específica. Para produtos de estrutura pequena e complexa, um dispositivo de ação Venturi (como uma pistola de enchimento) deve ser usado para moldagem. As contas são sopradas na cavidade do molde com a ajuda do fluxo de ar. Produtos grandes podem preencher a cavidade do molde por sua própria gravidade. A cavidade do molde preenchida com grânulos é selada e aquecida, e os grânulos amolecem devido ao calor, fazendo com que as bolhas se expandam. As contas formam espuma e se expandem para preencher as lacunas entre si e se unirem em um corpo de espuma uniforme. Neste momento, o corpo de espuma ainda está macio e suporta a pressão do gás quente nos poros. Antes de retirar o produto do molde, deve-se deixar o gás vazar pelos poros e a temperatura deve ser reduzida para estabilizar o formato do produto. Isso geralmente é feito borrifando água na parede interna do molde.

Como o molde de moldagem tem parede dupla, a moldagem de PS espumado é chamada de “moldagem em câmara de vapor”. O tamanho da parede interna do molde é o tamanho do produto real, e há poros na parede interna do molde para permitir que o vapor passe pela espuma e difunda o ar quente. O espaço entre as paredes duplas forma uma câmara de vapor, na qual é introduzido vapor para aquecer as esferas. Para a maioria dos produtos, a pressão de moldagem da espuma de PS é inferior a 276kPa. O molde é feito de alumínio e moldado em um determinado formato de acordo com as necessidades do produto. A moldagem de espuma de PS é um método de produção econômico devido à baixa pressão de moldagem e ao baixo custo do equipamento de moldagem.

Aplicações

O poliestireno é frequentemente usado para fazer espuma produtos plásticos. O poliestireno também pode ser copolimerizado com outros materiais de polímero do tipo borracha para produzir vários produtos com diferentes propriedades mecânicas. Aplicações comuns na vida diária incluem vários utensílios de mesa de plástico descartáveis, caixas de CD transparentes, etc. No uso de poliestireno espumado em materiais de construção, ele tem sido amplamente utilizado em materiais de isolamento acústico e de isolamento térmico de piso oco desde 2003.

Poliestireno de alto impacto (HIPS)

O poliestireno de alto impacto é um produto de poliestireno resistente ao impacto produzido pela adição de partículas de borracha de polibutila ao poliestireno. Este produto de poliestireno adiciona partículas de borracha de tamanho micrométrico e conecta as partículas de poliestireno e borracha por meio de enxerto. Quando impactado, a tensão de ponta da propagação da trinca será liberada pelas partículas de borracha relativamente macias. Portanto, a propagação da fissura é dificultada e a resistência ao impacto é melhorada.

Copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN)

SAN é a abreviatura de Estireno Acrilonitrila, que é um copolímero de estireno e acrilonitrila. É um plástico de engenharia incolor, transparente, à base de polipropileno e com alta resistência mecânica. A estabilidade química do SAN é melhor que a do poliestireno. A transparência e a resistência aos raios UV dos produtos SAN não são tão boas quanto as dos produtos de polimetilmetacrilato, mas o preço é relativamente barato.

Copolímero de acrilonitrila butadieno estireno (ABS)

ABS é a abreviação de Acrylonitrile butadiene styrene, que é um copolímero de acrilonitrila, butadieno e estireno. Ele tem as características de alta resistência e baixo peso e é um dos plásticos de engenharia comumente usados.

Borracha SBS

A borracha SBS é um copolímero de três blocos com estrutura de poli(estireno - butadieno -estireno). Este material possui características de poliestireno e polibutadieno e é uma borracha termoplástica durável. A borracha SBS é frequentemente usada para fabricar pneus.

Uso

O poliestireno é fácil de processar e tem as vantagens de transparência, baixo preço, rigidez, isolamento, boa capacidade de impressão, etc. Pode ser amplamente utilizado no mercado da indústria leve, decoração diária, indicação de iluminação e embalagem, etc. é um bom material isolante e de isolamento térmico e pode ser usado para fazer vários invólucros de instrumentos, abajures, peças de instrumentos ópticos e químicos, filmes transparentes, camadas dielétricas de capacitores, etc.

Pode ser usado em cosméticos em pó e emulsão. Possui boa compressibilidade quando utilizado em pó prensado e pode melhorar a adesão do pó. Dá brilho e lubrificação à pele e é um preenchimento de alta qualidade que substitui o pó de talco e a sílica.

Problemas ambientais

Devido à sua baixa massa (especialmente na forma expandida) e baixo valor residual, o poliestireno não é facilmente reciclável. O poliestireno normalmente não é reciclado. Porém, a indústria tem feito grandes avanços na reciclagem do poliestireno expandido, com novos métodos de densificação. Este método aumenta sua densidade, geralmente em 15 slugs/ft³ (Nota do tradutor: 1 slugs/ft³ =1.94055g/cm³) e constitui o centro de operações de reciclagem adequadas em poliestireno limpo.

Tipos de materiais

Materiais de Fabricação

plástico:

polietileno; cloreto de polivinil; poliestireno; álcool polivinílico; polipropileno; ácido poliacrílico; polibutileno; poliisobutileno; polissulfona; polioximetileno; poliamida; policarbonato; ácido polilático; politetrafluoroetileno; tereftalato de polietileno; resina epóxi; resina fenólica; poliuretano

Borracha sintética:

Borracha de butadieno; Borracha de estireno butadieno; Borracha nitrílica; Borracha de cloropreno

fibra sintética:

Polipropileno; poliéster; nylon; acrílico; spandex; vinilon; nylon; dácron; keflon

Impacto resistente

O poliestireno de impacto é um polímero amorfo formado por polimerização por enxerto de monômero de estireno e borracha, ou uma mistura física de poliestireno e borracha (geralmente borracha de polibutadieno). O polímero resultante é resistente, geralmente branco (também estão disponíveis classes transparentes) e é muito fácil de extrusar e moldar. Sua tenacidade é determinada principalmente pela proporção e quantidade do componente de borracha. As propriedades representativas do PS resistente ao impacto são: resistência à flexão e resistência à tração são 13.8 ~ 48.3 MPa (dependendo do conteúdo de borracha e aditivos); o alongamento é de 10 ~ 60%; o brilho é de 5 a 100%. A transparência visual varia de excelente a ruim, o encolhimento é de cerca de 0.006 e o ​​coeficiente de expansão térmica é o mesmo do PS transparente. O desempenho do PS resistente ao impacto não muda após a esterilização por raios gama e tem a mesma resistência a solventes que o PS transparente. O índice de fusão do PS resistente ao impacto é de 1~10g/min, e o ponto de amolecimento Vicat é de 215°F. A produção comercial de poliestireno resistente a impactos com desempenho aprimorado tem amplas perspectivas de mercado. Algumas das classes especiais disponíveis incluem: classe de brilho ultra-alto, classe de alta transparência, classe resistente ao desgaste, classe de resistência ao estresse ambiental - classe ESCR, classe de alto módulo, classe de baixo brilho e classe com baixo teor de monômero residual de estireno.

As excelentes propriedades do poliestireno de alto impacto são fácil processamento, excelente estabilidade dimensional, alta resistência ao impacto e alta rigidez. Para HIPS, é apenas resistente ao calor. A permeabilidade ao oxigênio, a estabilidade aos raios UV e a resistência ao óleo têm certos limites. Química e propriedades O poliestireno de alto impacto é produzido pela dissolução da borracha de polidieno em monômero de estireno antes da polimerização. Embora o HIPS possa ser produzido por polimerização em suspensão, o principal método atualmente utilizado na produção industrial de HIPS é a polimerização em massa. No processo de polimerização em massa, a mistura de monômero de estireno/borracha/aditivos passa por uma série de reatores com uma taxa de conversão de 70-90%. A reação de polimerização precisa ser aquecida ou um iniciador é adicionado para completar a reação e depois aquecido no vácuo para remover monômeros residuais voláteis da resina e então peletizado para venda.

O desenvolvimento contínuo da tecnologia do poliestireno permitiu que os fabricantes produzissem classes com propriedades mais notáveis ​​do que o PS padrão. Muitas propriedades do poliestireno não podem ser obtidas ao mesmo tempo. Por exemplo, para melhorar a resistência ao impacto, é necessário sacrificar o brilho. Surgiram algumas novas resinas, que possuem o brilho do ABS e também possuem alta tenacidade. Foram desenvolvidas algumas classes que são resistentes a vários óleos e gorduras ao embalar alimentos e a agentes de expansão de clorofluorocarbono (CFC) quando usados ​​em refrigeradores. Graus retardadores de chama (UL V-0 e UL 5-V) de poliestireno de impacto foram produzidos e amplamente utilizados em caixas de TV, máquinas comerciais e produtos elétricos. Estas resinas são mais fáceis de processar do que muitas resinas de engenharia retardadoras de chama e são mais baratas.

Desenvolvível

Usado para fazer de tudo, desde xícaras de chá até materiais de isolamento doméstico. As propriedades dos plásticos espumados (como densidade e resistência ao impacto) dependem do tamanho e distribuição das células, que são controladas pela dispersão, porcentagem e volatilidade do agente espumante adicionado. Agentes espumantes representativos são pentano e isopentano. O poliestireno expandido retardador de chama utiliza hidrocarbonetos halogenados como retardadores de chama e é amplamente utilizado como camadas de isolamento acústico em edifícios e na engenharia. O agente espumante SAN tem sido usado para fabricar produtos flutuantes e outros produtos resistentes à gasolina.

copolímero

Eles têm uma resistência muito boa. As principais variedades são: copolímero estireno-acrilonitrila (SAN), copolímero estireno-anidrido maleico (SMA), copolímero estireno-butadieno-estireno (SBS), copolímero estireno-acrilato e seus corpos modificados. SAN tem uma temperatura de deformação térmica mais alta que o PS transparente, e sua resistência a solventes também é melhorada, com excelente antipermeabilidade. SAN modificado com borracha inclui resinas como copolímero de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) e copolímero de acrilonitrila-estireno-acrilato (ASA). O S-MA tem uma temperatura de deformação térmica mais alta que o PS transparente, até 40°F, e possui excelente transparência e brilho. O SMA pode ser modificado com borracha ou reforçado com fibra de vidro. SBS e vários corpos modificados de SBS podem ser usados ​​como componentes para melhorar a resistência ao impacto, flexibilidade e fluidez para a produção de produtos com viscosidade e resistência à flexão, como cimento, solas de sapato, feltro de asfalto, etc. PS resistente. O estireno pode ser copolimerizado com elastômeros acrílicos para produzir PS transparente, resistente a impactos e com excelentes propriedades físicas.