Пенополистирол (EPF)

<час />

Фон

Пенополистирол (ППС) - это пластичный материал, обладающий особыми свойствами благодаря своей структуре. EPF, состоящий из отдельных ячеек из полистирола низкой плотности, чрезвычайно легкий и может выдерживать воду, во много раз превышающую собственный вес. Поскольку его ячейки не связаны между собой, тепло не может легко проходить через EPF, поэтому это отличный изолятор. EPF используется во флотационных устройствах, изоляционных материалах, коробках для яиц, квартирах для мяса и продуктов, коробках для сэндвичей и гамбургеров, кофе чашки, тарелки, упаковка для арахиса и холодильники для пикника. Хотя его обычно называют пенополистиролом, пенополистирол является товарным знаком компании Dow Chemical Company и относится конкретно к типу твердого синего пенопласта, используемого в основном в лодках.

В конце 1800-х годов исследователи, ищущие материалы, подходящие для изготовления пленки, лобовых стекол вагонов и различных мелких предметов, таких как гребни, производили первые пластмассы из природных веществ и химикатов. При создании этих пластиков ученые использовали естественную тенденцию к полимеризации, при которой две или более небольших молекул или мономеров объединяются, образуя цепи, которые часто бывают очень длинными. Получающиеся молекулярные цепи или полимеры содержат повторяющиеся структурные единицы исходных молекул. Одним из наиболее известных природных полимеров является целлюлоза, цепочка молекул глюкозы, которая образует основной компонент стенок растительных клеток, хлопка, бумаги и вискозы. Полистирол - один из самых известных синтетических полимеров (другие включают полиэтилен, полипропилен и полиэстер). Стирол, жидкий углеводород, из которого делают EPF, был получен в конце девятнадцатого века из бальзама Storax, который производят из дерева в Малой Азии, называемого восточной сладкой жевательной резинкой. В начале девятнадцатого века полностью синтетические пластмассы были разработаны из углеводородов, структура которых способствует легкой полимеризации. Полистирол, полимер, из которого сделан EPF, был изобретен в 1938 году.

Пенопласты были открыты косвенно, потому что вначале никто не видел их преимуществ. Доктор Лео Х. Бэкеланд, американский химик, который разработал первый полностью синтетический пластик, бакелит, экспериментировал с фенолом (кислотное соединение) и формальдегид (бесцветный газ), пытаясь получить непористую смолу. Когда одна из его смесей неожиданно начала пениться, Бэкеланд попытался контролировать пену, прежде чем понял, что это может иметь преимущества. После смерти Бэкеланда в 1944 году были разработаны первые пенопласты, за которыми вскоре последовала эпоксидная пена. Спустя некоторое время вспенили пенополистирол. Сначала он использовался в основном в изоляционных и плавучих устройствах для лодок, спасательных средствах и буях. Только после того, как EPF заменил бумагу, капок (сделанный из шелковистых волокон, покрывающих семена дерева сейба) и другие природные средства защиты упаковки, это вещество стало столь же популярным, как и сегодня. Его узнаваемость способствовала огромному росту отраслей быстрого питания и еды на вынос, которые начали использовать EPF в коробках для гамбургеров и кофейных чашках. Сегодня EPF - это самый узнаваемый пластик.

Однако, несмотря на популярность и уникальные особенности EPF, в последнее время он подвергся нападкам из-за газообразных производных метана - хлорфторуглеродов (CFC), используемых для его вспенивания. ХФУ инертны и безвредны для человека и окружающей среды после их выброса. Однако спустя много времени после их первого использования ученые осознали, что ХФУ способствуют истощению озонового слоя по мере их разложения. Озоновый слой - это слой атмосферы. Полистирол производится в процессе, известном как суспензионная полимеризация. После того, как стирол получают путем объединения этилена и бензола, он смешивается с водой и клейким веществом с образованием капель полистирола. Далее капли нагреваются и объединяются с инициатором, который запускает процесс полимеризации. Капельки объединяются, образуя цепочки, которые, в свою очередь, объединяются в бусинки. Остановить процесс с помощью терминаторов сложно, так как цепи должны быть определенной длины, чтобы их можно было использовать. который защищает землю от вредных ультрафиолетовых лучей солнца. В 1988 году представители 31 страны подписали Монреальский протокол . договор, в соответствии с которым они решили вдвое сократить производство ХФУ к 1998 году. Это соглашение сделало EPF угрозой для озонового слоя. В то время как упаковка из пенопласта отвечает за выбросы в атмосферу менее трех процентов CFC, сокращение EPF было нацелено как способ понизить уровни CFC, и процветала новая технология, которая исследует способы производства EPF без CFC. Экологи отметили EPF еще и потому, что он не перерабатывается. Тем не менее, были предприняты действия, и реализуются программы, направленные на то, чтобы в предстоящие годы утилизировать больший процент EPF.

Сырье

Основным компонентом EPF является стирол (C ₈ H ₈ ), который получают из нефти или природного газа и образуются в результате реакции этилена (C ₂ H ₄ ) и бензол (C ₆ H ₆ ); бензол получают из угля или синтезируют из нефти. Стирол полимеризуется под действием тепла или инициатора, такого как перекись бензоила. Остановить полимеризацию сложно; однако можно использовать ингибиторы, такие как кислород, сера или хинол. Для образования слабо прикрепленных ячеек низкой плотности, характерных для EPF, полистирол сначала необходимо суспендировать в воде для образования капель. Затем к воде добавляется суспендирующий агент, такой как осажденный сульфат бария или сополимеры акриловой и метакриловой кислоты и их сложных эфиров (органический продукт, образующийся в результате реакции между кислотой и спиртом). Многочисленные суспендирующие агенты используются в коммерческих целях. Все они одинаково вязкие и удерживают капли, предотвращая их слипание. Гранулы полистирола, полученные суспензионной полимеризацией, крошечные и твердые. Чтобы они расширились, используются специальные вспениватели, в том числе пропан, пентан, хлористый метилен и хлорфторуглероды.

Дизайн

Как и все пластмассы, EPF состоит из полимерной цепи с большой молекулярной массой. Вес молекулы эквивалентен ее массе и может быть вычислен путем сложения массы составляющих ее атомов. EPF представляет собой линейный полимер, основным звеном которого является стирол (C ₈ H ₈ ) и чья молекулярная масса составляет 104, но когда он связан вместе, как в пластике, его масса может находиться в диапазоне от 200000 до 300000 (поскольку полимерная цепь может содержать неопределенное количество молекулярных связей, конечную массу определить невозможно) .

Производственный
процесс

Во-первых, стирол получают из этилена и бензола. Затем стирол подвергают суспензионной полимеризации и обрабатывают инициатором полимеризации, которые вместе превращают его в полистирол. Как только полимерная цепь желаемой длины сформирована, техники останавливают реакцию с помощью обрывающих агентов. Затем полученные шарики из полистирола очищаются, а аномальные шарики отфильтровываются. Чтобы сделать EPF с мелкими ячейками, рабочие затем плавят, добавляют вспениватель и экструдируют шарики. Для получения EPF с гладкой кожей они предварительно расширяют гранулы, резко снижая их плотность. Затем они нагревают и расширяют их, прежде чем оставить на 24 часа, чтобы они могли остыть и затвердеть. Затем шарики загружают в форму желаемой формы.

Изготовление стирола

• 1 Основной единицей полистирола является стирол, который является продуктом двоякой реакции. Этилен и бензол в присутствии катализатора, такого как хлорид алюминия, образуют этилбензол (C ₈ H ₈ ), который затем дегидрируется (удаляется водород) при 1112–1202 градусах Фаренгейта (600–650 градусов Цельсия) с образованием стирола (C ₈ H ₈ ).

Производство полистирола

• 2 Полистирол образуется из стирола в результате суспензионной полимеризации - процесса, при котором крошечные капли мономера (в данном случае стирола) полностью окружаются водой и клейким веществом. Поддерживая и окружая глобулы стирола, суспендирующий агент образует однородные капли полистирола.
• 3 Затем к каплям добавляется инициатор полимеризации, которые приостанавливаются тепловым излучением около 212 градусов по Фаренгейту (100 градусов Цельсия). Это приводит к появлению свободных радикалов, группы атомов, которая особенно склонна реагировать с другими, потому что они содержат неспаренные электроны, которые доступны для молекулярных связей. Затем свободные радикалы случайным образом объединяются, образуя цепочки полистирола.
• 4 Трудно остановить процесс полимеризации. Терминаторы вводятся в процесс, чтобы завершить его в подходящее время. Хотя длина цепи может изменяться, она должна находиться в определенном диапазоне, потому что полистирол с слишком длинными цепями не будет плавиться легко, а полистирол с короткими цепями будет хрупким.

Подготовка бус

• 5 После завершения полимеризации смесь, состоящая из шариков, состоящих из цепочек полистирола, охлаждается. Затем эти бусинки промывают и сушат. Равномерный размер бусинок достигается путем сортировки бусинок по сеткам, которые отфильтровывают бусинки большего и меньшего размера.

Изготовление пенополистирола

• 6 Во-первых, гранулы полистирола должны быть расширены, чтобы добиться нужной плотности. Этот процесс известен как предварительное расширение и включает нагревание полистирола паром (наиболее распространенный метод) или горячим воздухом (для пены высокой плотности, например, используемой для кофейной чашки); Нагрев осуществляется в емкости, вмещающей от 50 до 500 галлонов (от 189 до 1892 литров). Во время предварительного расширения используется мешалка, чтобы шарики не сливались друг с другом. Поскольку расширенные шарики легче нерасширенных шариков, они выталкиваются в верхнюю часть полости сосуда и выгружаются. Этот процесс снижает плотность шариков до трех процентов от их первоначального значения и дает гладкую поверхность EPF с закрытыми ячейками, которая отлично подходит для детального формования.
• 7 Затем предварительно расширенные гранулы обычно «выдерживаются» не менее 24 часов в сетчатых силосах для хранения. Это позволяет воздуху проникать в шарики, охлаждая их и делая их более твердыми.

Литье

• 8 После старения шарики загружаются в форму желаемой формы. Затем пар под низким давлением вводится в шарики и между ними, снова расширяя их и сплавляя.
• 9 Затем форма охлаждается либо путем циркуляции воды через нее, либо путем распыления воды снаружи. EPF - такой хороший изолятор, что его сложно охладить. Использование небольших форм может сократить время нагрева и охлаждения и тем самым ускорить процесс.

Производство экструдированного пенополистирола

• 10 В результате этого процесса получают ЭПФ с небольшими ячейками, которые можно использовать для производства плит, используемых для изоляции. Гранулы плавятся, и добавляется вспениватель. Затем расплавленный полистирол экструдируется с приданием нужной формы в условиях высокой температуры и давления.

Резка, склеивание и покрытие

• 11 EPF обычно режут обычными деревянными рабочими инструментами, которые необходимо всегда держать очень острыми, чтобы резка была гладкой. Его также можно склеивать клеями, которые не разрушают его. Хороши клеи на водной основе, а также фенольные смолы, эпоксидные смолы, резорцины и мочевина. EPF не устойчив к атмосферным воздействиям или Создание EPF включает несколько шагов. Сначала гранулы полистирола подвергаются предварительному расширению, при котором они расширяются для придания им надлежащей плотности. После выдержки в бункере для хранения гранулы загружаются в форму и впрыскиваются паром, который снова расширяет гранулы и сплавляет их. После охлаждения формованный EPF разрезается до нужной формы и покрывается защитной эпоксидной смолой или острием. солнечный свет, и он легковоспламеняющийся, поэтому обычно на поверхность наносят такие покрытия, как эпоксидная смола, различные виды красок и негорючие вещества.

Контроль качества

EPF подвергается многочисленным испытаниям и стандартам, сформулированным Американским обществом испытаний и материалов (ASTM) для пластмасс в целом. Некоторые из этих стандартов касаются EPF, в частности, из-за его уникальных свойств, однако некоторые тесты, применяемые к EPF, были разработаны для измерения свойств других пластиков.

Расплав полистирола испытывают, чтобы определить, достаточно ли он вязкий для получения EPF с желаемыми свойствами. Кроме того, последующие шарики полистирола должны быть одинакового размера. Стандарт идеально сферических бусинок основан на тех, которые образуются в экспериментах с космическими челноками в условиях невесомости.

Формованный EPF также испытывается на прочность, воспламеняемость и плотность, что особенно важно при испытании флотационных устройств. Устойчивость EPF измеряется путем ударов маятника по материалу и наблюдения за тем, как далеко он отскочит. Затем EPF проверяется на пористость. Это включает определение количества открытых и закрытых ячеек с учетом площади поверхности продукта и количества ячеек, вырезанных путем моделирования. Затем проверяется проницаемость. Простой тест заключается в помещении кусочка EPF в вещество и последующем измерении его абсорбции.

Теплопроводность важна всякий раз, когда EPF используется для изоляции. Ячеистые пластмассы имеют самую низкую теплопроводность (передачу тепла) из всех известных твердых материалов. Они настолько хорошо изолируют, что проверка на теплопроводность занимает много времени даже при использовании тонких листов. Тонкий (0,79-2 дюйма или 2-5 сантиметров) лист EPF помещается рядом с пластиной нагревателя, и оба они закрываются холодными пластинами для минимизации потерь тепла. Затем к одной стороне листа прикладывается контролируемое небольшое количество тепла, и через несколько часов измеряется количество тепла, проникающего на другую сторону. Конечно, все данные должны соответствовать стандартам EPF.

Будущее

EPF можно безопасно сжигать, и при правильном выполнении процедуры будут выделяться только углекислый газ и вода, но существует тенденция к его переработке, где это возможно. EPF можно переработать в бетон, коробки для яиц, канцелярские товары, пенопласт и мусорные баки. К сожалению, только один процент из 11 миллиардов килограммов EPF, выбрасываемых каждый год, перерабатывается. Национальная компания по переработке полистирола, в которую входят семь крупных корпораций, включая Amoco, Dow и Mobil, планирует увеличить этот показатель до 25 процентов к 1995 году, сосредоточив внимание на крупных пользователях EPF - магазинах быстрого питания и столовых в колледжах. После Монреальского протокола 1988 года новые исследования были сосредоточены на способах сокращения использования ХФУ и на разработке альтернативных вспенивающих агентов, которые не повредят озоновому слою. Последние разработки включают процесс, в котором используется углекислый газ под давлением для производства более мелких и однородных ячеек. Это, в свою очередь, обеспечивает более прочную и гладкую пену, чем предыдущие пены.