Polystyrén (PS)

Polystyrén (PS) je termoplastický polymérny materiál syntetizovaný adičnou polymerizáciou styrénového monoméru. Ako jeden z piatich univerzálnych plastov sa od začiatku priemyselnej výroby v 30. rokoch 20. storočia stal nevyhnutným základným materiálom v modernom priemysle a každodennom živote vďaka svojej vynikajúcej priehľadnosti, jednoduchému spracovaniu a cenovej výhodnosti. Od priehľadných krabíc na balenie potravín až po nárazuvzdorné penové plasty, od krytov domácich spotrebičov až po stavebné izolačné materiály, PS zohráva vďaka svojim jedinečným vlastnostiam významnú úlohu v mnohých oblastiach a zároveň neustále skúma cesty udržateľného rozvoja v oblasti inovácií v oblasti technológií ochrany životného prostredia.

1. Molekulárna štruktúra a základné charakteristiky

Molekulárna štruktúra polystyrénu je jadrom, ktoré určuje jeho vlastnosti. Jeho opakujúca sa jednotka je -C₆H₅-CH-CH₂- a molekulárny reťazec obsahuje pevné bočné skupiny benzénového kruhu. Táto štruktúra dodáva PS rad odlišných charakteristík.

Pokiaľ ide o mechanické vlastnosti, polystyrén na všeobecné použitie (GPPS) vykazuje vysokú tuhosť a tvrdosť s pevnosťou v ťahu dosahujúcou 30 – 50 MPa a modulom pružnosti v ohybe približne 2 800 – 3 500 MPa. Chýba mu však húževnatosť, s predĺžením pri pretrhnutí iba 1 % – 3 %. Ako typický krehký materiál je náchylný na lom pri náraze. Na odstránenie tohto nedostatku sa do molekulárneho reťazca zavádza vysoko odolný polystyrén (HIPS), získaný kopolymerizáciou alebo modifikáciou miešaním, pričom sa do molekulárneho reťazca zavádza gumová fáza, čím sa 3 – 5-násobne zvyšuje rázová húževnatosť a rozširuje sa rozsah použitia PS.

Pokiaľ ide o tepelné vlastnosti, PS má teplotu skleného prechodu (Tg) približne 80 – 100 ℃ bez výrazného bodu topenia (kvôli svojej amorfnej povahe). Jeho teplota pri nepretržitom používaní sa zvyčajne pohybuje v rozmedzí 60 – 80 ℃. Nad Tg postupne mäkne a deformuje sa. Jeho tepelná stabilita je stredná a pri vysokých teplotách (nad 250 ℃) je náchylný na degradáciu, pričom uvoľňuje styrénový monomér. Preto je počas spracovania potrebná prísna kontrola teploty. PS vykazuje vysoký koeficient lineárnej rozťažnosti (približne 7 × 10⁻⁵/℃) a jeho rozmerová stabilita je výrazne ovplyvnená teplotou. Táto vlastnosť by sa mala zohľadniť pri navrhovaní presných výrobkov.

Optický výkon je významnou výhodou PS. Univerzálny polystyrén (GPPS) sa môže pochváliť priepustnosťou svetla 88 % – 92 %, úrovňou zákalu pod 1 % a vysokým leskom, ktorý je druhý hneď po polymetylmetakryláte (PMMA). Umožňuje jasné zobrazenie obsahu, vďaka čomu je ideálnym materiálom pre priehľadné obaly a optické komponenty. Táto vysoká transparentnosť pramení z jeho amorfnej alebo nízkokryštalickej molekulárnej štruktúry, ktorá zabraňuje rozptylu svetla spôsobenému kryštalizáciou.

Pokiaľ ide o spracovateľský výkon, PS vykazuje vynikajúcu tekutosť taveniny so širokým rozsahom indexu taveniny (1 – 40 g/10 min). Ľahko sa lisuje procesmi, ako je vstrekovanie plastov, extrúzia a penenie, s krátkymi lisovacími cyklami a vysokou výrobnou účinnosťou. Jeho nízka miera zmršťovania pri lisovaní (0,4 % – 0,7 %) a vysoká rozmerová presnosť ho predurčujú na výrobu presných súčiastok. Okrem toho sa povrchy PS ľahko tlačia, nanášajú povrchové úpravy a zvárajú, čo umožňuje sekundárne spracovanie rôznymi metódami na zvýšenie pridanej hodnoty produktu.

Pokiaľ ide o chemické vlastnosti, PS je odolný voči erózii spôsobenej kyslými, zásaditými a soľnými roztokmi, ale ľahko sa rozpúšťa alebo napučiava v organických rozpúšťadlách, ako sú aromatické uhľovodíky a chlórované uhľovodíky, čo ho robí nevhodným na uchovávanie týchto typov chemikálií. Jeho odolnosť voči poveternostným vplyvom je nízka a dlhodobé vystavenie slnečnému žiareniu môže spôsobiť degradáciu v dôsledku ultrafialového žiarenia, čo vedie k žltnutiu a krehnutiu. Na zlepšenie jeho vlastností je potrebné pridať UV absorbéry.

II. Výrobný proces a zdroje surovín

Priemyselná výroba polystyrénu využíva styrén ako jediný monomér a jej výrobný proces je vyspelý a stabilný. Jadro procesu spočíva v iniciovaní radikálovej polymerizácie styrénu pomocou iniciátora, pričom sa rôzne polymerizačné metódy vyberajú na základe typu a výkonnostných požiadaviek produktu.

Výroba styrénového monoméru slúži ako základ priemyselného reťazca polystyrénu (PS), ktorý pochádza predovšetkým z petrochemického priemyslu. V priemysle sa etylbenzén bežne používa ako surovina na výrobu styrénu dehydrogenáciou. Etylbenzén sa zase vyrába alkyláciou benzénu a etylénu pod vplyvom katalyzátora. Benzén aj etylén pochádzajú z rafinácie ropy alebo spracovania zemného plynu, takže PS je v podstate plast na báze fosílnych palív. V posledných rokoch sa dosiahol pokrok vo výskume a vývoji biostyrénu, ktorý zahŕňa výrobu prekurzorov styrénu (ako je fenylalanín) fermentáciou biomasy, po ktorej nasleduje chemická konverzia na získanie biostyrénu. To poskytuje novú cestu pre zelenú výrobu PS, ale rozsiahle priemyselné využitie ešte nebolo dosiahnuté.

Polymerizačný proces polystyrénu zahŕňa hlavne štyri typy: objemovú polymerizáciu, suspenznú polymerizáciu, emulznú polymerizáciu a roztokovú polymerizáciu. Spomedzi nich sú objemová polymerizácia a suspenzná polymerizácia hlavnými metódami v priemyselnej výrobe.

Proces polymerizácie v objeme je vhodný na výrobu polystyrénu na všeobecné použitie (GPPS) a polystyrénu s vysokou rázovou silou (HIPS). V tomto procese sa styrénový monomér zmieša s iniciátorom (ako je benzoylperoxid) a postupne sa zahrieva na 80 – 160 °C v reakčnej nádobe, kde dochádza k polymerácii radikálovou polymerizáciou. Reakcia je rozdelená do dvoch stupňov: predpolymerizácia a postpolymerizácia. Fáza predpolymerizácie sa vykonáva pri nižšej teplote s mierou konverzie 30 % – 50 %, čo vedie k tavenine s vysokou viskozitou. Fáza postpolymerizácie dokončí zostávajúcu polymerizačnú reakciu pri vyššej teplote s mierou konverzie viac ako 95 %. Produkt polymerizácie v objeme má vysokú čistotu a dobrú transparentnosť, bez potreby odstraňovania rozpúšťadla a proces je jednoduchý. Reakcia je však exotermická a koncentrovaná, čo si vyžaduje prísnu kontrolu teploty, aby sa zabránilo explozívnej polymerizácii.

Proces suspenznej polymerizácie sa primárne používa na výrobu polystyrénu (PS) na všeobecné použitie a expandovateľného polystyrénu (EPS). V tomto procese sa styrénový monomér disperguje vo vode za vzniku suspenzie, do ktorej sa pridávajú iniciátory a dispergačné činidlá (ako napríklad polyvinylalkohol). Polymerizácia prebieha pri teplote 80 – 100 °C za miešania. Dispergačné činidlo zabraňuje zhlukovaniu kvapôčok monoméru, čo vedie k rovnomerným časticiam podobným guľôčkam. Suspenzná polymerizácia je mierna a ľahko kontrolovateľná reakcia, ktorá poskytuje granulované produkty, ktoré sa ľahko separujú, premývajú a sušia, vďaka čomu je vhodná na veľkovýrobu PS na všeobecné použitie. Pridaním penotvorného činidla (ako napríklad pentánu) počas procesu polymerizácie je možné vyrobiť perličky expandovateľného polystyrénu (EPS).

Proces emulznej polymerizácie sa používa na výrobu vysokopevnostného polystyrénu (HIPS) alebo latexového PS. Zahŕňa emulgáciu styrénového monoméru vo vodnej fáze a iniciovanie polymerizácie pomocou vo vode rozpustného iniciátora (ako je persíran draselný) za vzniku latexových častíc. Tento proces má rýchlu reakčnú rýchlosť a produkuje produkty s vysokou molekulovou hmotnosťou. Vyžaduje si však odstránenie emulgátorov a vody, čo proces robí zložitejším. Čistota produktu je relatívne nízka a používa sa hlavne v špeciálnych oblastiach.

Po ukončení polymerizačnej reakcie sa tavenina alebo častice PS extrudujú a granulujú do granulovaných surovín. V prípade GPPS sa počas granulácie môžu pridávať antioxidanty, mazivá a ďalšie prísady; v prípade HIPS je potrebné počas polymerizačnej alebo granulačnej fázy zaviesť gumové fázy (ako napríklad polybutadiénový kaučuk), aby sa zmiešaním vytvorila štruktúra „ostrov v mori“, pričom gumové častice slúžia ako modifikátory nárazu na absorbovanie energie nárazu; v prípade EPS je potrebné ošetrenie starnutím po granulácii, aby sa zabezpečilo rovnomerné rozloženie penotvorného činidla v časticiach.

Počas výrobného procesu je nevyhnutná presná kontrola teploty polymerizácie, tlaku, rýchlosti miešania a dávkovania iniciátora na reguláciu molekulovej hmotnosti a distribúcie molekulovej hmotnosti PS, čím sa zabezpečí stabilný výkon produktu. Napríklad nadmerne vysoká molekulová hmotnosť môže viesť k zníženej tekutosti taveniny a ťažkostiam so spracovaním, zatiaľ čo nadmerne nízka molekulová hmotnosť môže ohroziť mechanické vlastnosti produktu.

III. Klasifikačná a modifikačná technológia

Polystyrén možno rozdeliť do viacerých kategórií na základe štrukturálnych a výkonnostných rozdielov. Jeho výkonnostné hranice možno ďalej rozšíriť fyzikálnymi alebo chemickými modifikačnými technikami, aby sa splnili rôzne potreby aplikácií.

Univerzálny polystyrén (GPPS) je najzákladnejším druhom polystyrénu (PS), čo je homopolymér s pravidelnými molekulárnymi reťazcami a amorfnou štruktúrou. Vykazuje vynikajúcu transparentnosť a spracovateľnosť, ale je tiež veľmi krehký a má nízku odolnosť proti nárazu. Vnútorná viskozita GPPS je typicky 0,6 – 0,8 dL/g a jeho index tavenia sa pohybuje od 5 do 20 g/10 min. Používa sa hlavne na výrobu priehľadných produktov, ako sú nádoby na balenie potravín, kancelárske potreby a kryty lámp.

Vysoko odolný polystyrén (HIPS) je zmes alebo vrúbľovaný kopolymér GPPS a gumovej fázy (zvyčajne polybutadiénového kaučuku), ktorý výrazne zlepšuje odolnosť proti nárazu vďaka disperzii gumových častíc v matrici PS. Rázová húževnatosť HIPS môže dosiahnuť 10 – 20 kJ/m², čo je 3 – 5-krát viac ako u GPPS, ale jeho transparentnosť sa znižuje (zákal 10 % – 30 %) a tuhosť sa mierne znižuje. V závislosti od obsahu kaučuku (zvyčajne 5 % – 15 %) a kontroly veľkosti častíc možno HIPS rozdeliť na poddruhy, ako sú vysoko odolný typ a vysoko lesklý typ, ktoré sa používajú hlavne v scenároch vyžadujúcich odolnosť proti nárazu, ako sú kryty domácich spotrebičov, hračky a interiéry automobilov.

Expandovateľný polystyrén (EPS) je PS guľôčka obsahujúca penotvorné činidlo. Zahrievaním sa penotvorné činidlo (ako napríklad pentán) odparuje, čo spôsobuje expanziu guľôčok a vytvorenie penového materiálu s uzavretou bunkovou štruktúrou. EPS má extrémne nízku hustotu (10 – 50 kg/m³), vynikajúce tepelnoizolačné vlastnosti (tepelná vodivosť 0,03 – 0,04 W/(m·K)) a tlmiace a nárazuvzdorné vlastnosti. Je to dôležitý tepelnoizolačný a obalový materiál, ktorý sa široko používa v izolácii budov, balení v chladiacom reťazci a tlmiacom balení.

Medzi ďalšie modifikované varianty PS patria: vystužený PS (s pridaním výstužných materiálov, ako sú sklenené vlákna a uhlíkové vlákna, na zvýšenie pevnosti a tepelnej odolnosti), PS s ohňovzdornými vlastnosťami (s pridaním spomaľovačov horenia na báze brómu alebo bez halogénov na splnenie požiadaviek protipožiarnej ochrany), antistatický PS (s pridaním vodivých plnív na elimináciu akumulácie statickej elektriny), transparentný PS odolný voči nárazu (modifikovaný špeciálnou gumou na vyváženie priehľadnosti a odolnosti voči nárazu) atď.

Technológia modifikácie je kľúčom k zlepšeniu výkonu PS, ktorá zahŕňa predovšetkým chemickú a fyzikálnu modifikáciu. Chemická modifikácia mení molekulárnu štruktúru prostredníctvom kopolymerizačných alebo štepiacich reakcií, ako je kopolymerizácia styrénu a akrylonitrilu za vzniku SAN živice, čím sa zlepšuje chemická odolnosť a tuhosť. Fyzikálna modifikácia optimalizuje výkon prostredníctvom miešania, plnenia, vystužovania a iných metód, ako je miešanie PS s PC na zvýšenie tepelnej odolnosti a zmiešavanie s nano-ílom na zlepšenie bariérových vlastností. Tieto modifikačné techniky transformovali PS z jediného krehkého materiálu na sériu vysoko výkonných materiálových systémov.

IV. Rôzne oblasti použitia

Polystyrén so svojimi základnými vlastnosťami a rozmanitými charakteristikami po modifikácii dosiahol široké uplatnenie v mnohých oblastiach, ako sú obaly, domáce spotrebiče, stavebníctvo, predmety dennej potreby, elektronika atď., vďaka čomu je v modernej spoločnosti nevyhnutným materiálom.

Oblasť balenia je jednou z najrozšírenejších oblastí použitia PS. GPPS sa vďaka svojej dobrej priehľadnosti a nízkym nákladom široko používa na výrobu krabíc, tácok, pohárov atď. na balenie potravín, ktoré jasne zobrazujú obsah a ľahko sa tvarujú do rôznych tvarov. Široko sa používa v supermarketoch, reštauráciách a domácnostiach. EPS má po napenení ľahké a tlmiace vlastnosti, vďaka čomu je ideálnym obalovým materiálom pre elektronické výrobky, presné prístroje a čerstvé potraviny. Dokáže účinne absorbovať nárazy a vibrácie počas prepravy a chrániť výrobky pred poškodením. PS fólia sa môže použiť na balenie a označovanie tovaru ako zmršťovacia fólia a kompozitná fólia. Jeho dobrá potlačiteľnosť môže zlepšiť estetiku balenia.

V oblasti domácich spotrebičov a elektroniky sa HIPS často používa na výrobu vonkajších krytov a vnútorných častí veľkých domácich spotrebičov, ako sú televízory, práčky a chladničky, vďaka svojej vynikajúcej odolnosti voči nárazom a spracovateľnosti a vďaka povrchovej úprave umožňuje dosiahnuť rôznorodý vzhľad; GPPS sa používa na výrobu priehľadných častí domácich spotrebičov, ako sú tienidlá lámp a zobrazovacie panely. V oblasti elektronického príslušenstva má PS dobrú rozmerovú stabilitu a možno ho použiť na výrobu presných dielov, ako sú konektory, kryty spínačov a cievky. Modifikovaný PS so šetrným ohňom môže tiež spĺňať požiadavky na protipožiarnu ochranu elektronických zariadení.

V stavebníctve slúži EPS ako kľúčový tepelnoizolačný materiál. Reže sa a lepí na izolačné dosky, ktoré sa používajú na tepelnú izoláciu vonkajších stien, striech a podláh budov. Jeho nízka tepelná vodivosť výrazne znižuje spotrebu energie v budove a jeho nízka hmotnosť znižuje zaťaženie budovy. PS dosky sa po napenení alebo zmiešaní dajú použiť na výrobu dekoratívnych líšt, stropov a priečok, čím ponúkajú estetickú príťažlivosť aj odolnosť. Okrem toho sa PS používa aj pri výrobe stavebných šablón, drenážnych dosiek a podobne, pričom ponúka výnimočný pomer ceny a výkonu.

V oblasti denných potrieb a hračiek sú priehľadné kancelárske potreby (ako sú pravítka a zakladače) a riad (ako sú jednorazové poháre a krabičky na jedlo) vyrobené z GPPS ľahké a odolné; HIPS je vďaka svojej dobrej húževnatosti a ľahkému farbeniu jedným z hlavných materiálov pre hračky, ako sú plastové stavebné kocky a škrupiny pre bábiky, a jeho bezpečné a netoxické vlastnosti (HIPS potravinárskej kvality) ho robia vhodným pre deti. PS sa tiež používa na výrobu denných potrieb, ako sú hrebene, rúčky zubných kefiek a vešiaky na oblečenie, ktoré sú lacné a ľahko sa hromadne vyrábajú.

V iných oblastiach sa PS používa v medicíne na výrobu jednorazových puzdier injekčných striekačiek, Petriho misiek, zdravotníckych obalov atď., čo vyžaduje PS medicínskej kvality (netoxický, s nízkou priepustnosťou); v optickej oblasti majú optické komponenty, ako sú šošovky a hranoly vyrobené z GPPS, dostatočnú priepustnosť svetla na splnenie stredných až nízkych požiadaviek; v automobilovom priemysle sa HIPS používa na výrobu interiérových dielov (ako sú prístrojové dosky a dverové panely) a modifikovaný PS sa môže použiť aj na výrobu malých exteriérových dielov; v oblasti 3D tlače sa PS drôt môže použiť na tlač zložitých modelov pomocou technológie SLS, čím sa dosahuje vysoká presnosť a nízke náklady.

V. Trendy v ochrane životného prostredia a rozvoji

Ekologická šetrnosť polystyrénu je už dlho predmetom obáv. Napriek tomu, že čelí výzve znečistenia životným prostredím spôsobenému jeho ťažkosťami pri rozklade, postupne sa posúva smerom k udržateľnému rozvoju prostredníctvom recyklácie, technologických inovácií a zelenej transformácie.

Environmentálne problémy polystyrénu (PS) pramenia predovšetkým z jeho nebiodegradovateľnosti. Ak sa odpad z PS zlikviduje neopatrne, môže v životnom prostredí pretrvávať dlhší čas. Platí to najmä pre expandovanú polystyrénovú penu (EPS), ktorá je objemná a ľahká, ľahko sa rozptyľuje vetrom, čo spôsobuje vizuálne znečistenie a ekologické škody. Okrem toho sa pri spaľovaní PS uvoľňujú škodlivé látky (ako napríklad deriváty benzénu), čo si vyžaduje energetické zhodnocovanie v špecializovaných spaľovniach.

Recyklácia je základným prístupom k riešeniu environmentálnych problémov súvisiacich s PS. V súčasnosti existujú hlavne tri metódy: fyzikálna recyklácia, chemická recyklácia a energetické zhodnocovanie. Fyzikálna recyklácia zahŕňa triedenie, čistenie, drvenie a tavenie granulovaného odpadového PS za účelom výroby recyklovaného PS. Recyklovaný GPPS sa môže použiť na výrobu obalových doplnkov, krytov výrobkov dennej potreby atď.; recyklovaný HIPS sa môže použiť na výrobu nízkokvalitných plastových výrobkov, ako sú odpadkové koše a plastové stoličky. Chemická recyklácia rozkladá PS na styrénové monoméry prostredníctvom pyrolýzy alebo katalytickej depolymerizácie, ktoré sa potom opätovne používajú pri polymerizačnej výrobe, čím sa dosiahne uzavretý cyklus. Táto technológia dokáže spracovať silne znečistené alebo zložité odpadové materiály z PS a čistota recyklovaných monomérov je vysoká, ale náklady sú relatívne vysoké. Energetické zhodnocovanie zahŕňa spaľovanie nerecyklovateľných odpadových materiálov z PS na výrobu elektriny alebo tepla, čím sa dosiahne opätovné využitie energie. Vyžaduje si to podporu zariadení na ochranu životného prostredia na kontrolu znečistenia.

V záujme zníženia vplyvu na životné prostredie pri jeho zdroji sa urýchlil výskum a vývoj biopolystyrénu. Výrobou styrénového monoméru z biomasy sa znižuje závislosť od fosílnych zdrojov a emisie uhlíka z biopolystyrénu počas jeho životného cyklu sa znižujú o viac ako 30 % v porovnaní s tradičným polystyrénom. Zároveň sa dosiahol pokrok v skúmaní biologicky rozložiteľného polystyrénu. Pridaním biologicky rozložiteľných zložiek, ako je škrob a celulóza, do polystyrénu alebo zavedením hydrolyzovateľných skupín sa polystyrén môže postupne rozkladať v špecifických prostrediach (napríklad v podmienkach kompostovania).

Pre ekologický rozvoj polystyrénu (PS) je kľúčová podpora politík. Krajiny na celom svete zaviedli nariadenia o obmedzení a zákaze plastov s cieľom obmedziť používanie jednorazových výrobkov z PS, ako napríklad zákaz nerozložiteľných obedárových krabíc z PS. Zároveň zlepšili systém recyklácie a zvýšili mieru recyklácie prostredníctvom dotácií, legislatívy a iných prostriedkov. Európska únia vyžaduje, aby miera recyklácie PS do roku 2030 dosiahla viac ako 70 %.

Budúci vývojový trend PS sa zameriava na tri smery: vysoký výkon, zlepšenie tepelnej odolnosti, odolnosti voči poveternostným vplyvom a mechanických vlastností PS prostredníctvom presnej modifikácie, ako je vývoj dlhotrvajúcich stavebných materiálov z PS a poveternostným vplyvom odolných PS obalov; ekologizácia, podpora industrializácie biosurovín a chemickej recyklácie s cieľom znížiť environmentálnu stopu a vyvinúť biologicky rozložiteľné varianty PS; a funkcionalizácia, rozšírenie použitia PS v oblastiach vyššej triedy, ako je antibakteriálny PS na lekárske obaly, vysoko bariérový PS na konzerváciu potravín a inteligentne responzívny PS (ako napríklad teplotne citlivý na zmenu farby) na obaly proti falšovaniu.

Polystyrén, ako klasický a všestranný plast, stelesňuje úzku integráciu materiálovej vedy a spoločenských potrieb vo svojom vývojovom procese. Od základných obalov až po špičkové produkty, PS podporuje rozvoj mnohých odvetví svojimi nákladovo efektívnymi výhodami. Čeliac environmentálnym výzvam, prostredníctvom technologických inovácií a konštrukcie systémov prechádza PS z tradičného plastu na báze fosílnych palív na zelený a recyklovateľný materiálový systém a naďalej zohráva dôležitú úlohu v udržateľnom rozvoji.