Полистирол: виды и свойства

виды полистирола

1. Общая информация

Физико-механические и диэлектрические свойства полистирола зависят от способа его получения, молекулярной массы, полидисперсности и ряда других факторов. С увеличением содержания низкомолекулярной фракции снижаются механическая прочность и температура размягчения полимера; наличие высокомолекулярных фракций затрудняет переработку полистирола в изделия. Нагревание полистирола, особенно выше температура стеклования (Тс полистирола 78-85 оС ), приводит к снижению почти всех его механических характеристик, в том числе разрушающего напряжения при растяжении.

Полистирол имеет следующие недостатки:

  • склонность к старению,
  • невысокая теплостойкость,
  • максимальная рабочая температура (70 — 75 о С),
  • повышенная хрупкость.

Это ограничивают его применение в изделиях, которые подвергаются ударным нагрузкам при эксплуатации. При сгибании полоски полистирола легко гнется, потом резко ломается с характерным треском. На изломе наблюдается мелкозернистая структура.

Горит ярким, сильно коптящим пламенем [хлопья копоти тонкими паутинками взмывают вверх!]. Запах сладковатый, цветочный. Плотность полистирола: от 1,05 до 1,08 г/см. куб. [тонет в воде!].

Полистирол является сильно горючим материалом. Значение кислородного индекса составляет 17-19% кислорода, что говорит о том, что полистирол поддерживает устойчивое горение на воздухе, в котором содержится 21% кислорода. По американскому стандарту UL-94, полистиролимеет высокий класс горючести UL-94 HB.

Полимер перерабатывают литьем под давлением и экструзией при 190-230 °С. Применяют как конструкционный, электроизоляционный (пленки, нити и др.) и декоративно-отделочный материал в приборо-и машиностроении, радио- и электротехнике (напр., корпуса и панели приборов), для изготовления изделий ширпотреба (посуда, авторучки, игрушки, осветит. арматура и др.).

Для получения материалов, обладающих более высокими теплостойкостью и ударной прочностью, чем полистирол, используют смеси последнего с др. полимерами и сополимеры стирола, из к-рых наиб. пром. значение имеют блок- и привитые сополимеры, так называемые ударопрочные материалы (см. Полистирол ударопрочный), а также статистические сополимеры стирола с акрилонитрилом (АБС-пластик), акрилатами и мета-крилатами, а-метилстиролом и малеиновым ангидридом. Статистич. сополимеры с виниловыми мономерами получают по той же технологии, что и полистирол,-чаще всего суспензионной или эмульсионной сополимеризацией.

Повышение теплостойкости и снижение хрупкости достигаются при получении сополимеров стирола с каучуками (ударопрочный полистирол). Этот процесс иначе называется модификацией материала.

В зависимости от способа получения сополимеры могут иметь линейную (блок- сополимеры) или разветвлённую (привитые сополимеры) структуру макромолекул.

2. Полистирол общего назначения

 Другие обозначения: PS, PS-GP, GPPS. Прозрачные неокрашенные марки иногда обозначают: Сrystal PS или XPS.

  Прозрачный жесткий хрупкий аморфный материал. Максимальная температура эксплуатации: 75 — 80 оС (отдельные марки работают при температурах до 105оС). Температура стеклования: 80 — 113 оС. Температура хрупкости: -60  -70 оС. Имеет высокую твердость. При старении наблюдается большое падение прочности. Эксплуатационные свойства:

  •    имеет низкое влагопоглощение,     
  •    высокие диэлектрические свойства, 
  •    радиационно стоек. 
  •    не стоек к УФ-излучению (устойчивость к УФ-излучению повышается при введении специальных добавок). 

Полистирол общего назначения устойчив к воде, разбавленным кислотам, щелочам, спиртам. Не стоек к органическим растворителям, техническим маслам.  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 и литья под давлением.

При производстве полистирола общего назначения основными являются способы суспензионной полимеризации и полимеризации в массе. Эмульсионную полимеризацию применяют в сравнительно небольшом масштабе.Продукт выпускается в виде стабилизированных гранул в окрашенном или неокрашенном виде с содержанием остаточного мономера в соответствии с требованиями Европейских стандартов.

Полистирол общего назначения, получаемый непрерывной полимеризацией в массе по ряду качественных показателей (прозрачность, теплостойкость, диэлектрические свойства) превосходит аналогичный продукт, полученный суспензионной полимеризацией. Полистирол общего назначения допущен Министерством здравоохранения РФ для изготовления изделий, контактирующий с пищевыми продуктами (тара, упаковка), а также детских игрушек.

3.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.

Он имеет двухфазную структуру: непрерывная фаза (матрица) образована полистиролом., дискретная (микрогель) — овальной формы частицами размером 1 — 5 мкм, окруженными тонкой пленкой привитого сополимера стирола — каучук; внутри частиц содержится окклюдированный полистирол. Материал обладает свойствами термопласта и сохраняет свою структуру в расплаве; при переработке частицы дискретной фазы (микрогеля) ориентируются в направлении приложения напряжения сдвига. Обычно содержание каучука в пересчете на исходную смесь составляет от 3 до 12%. В результате прививки полистирольных цепей на каучук и окклюзии при образовании микрогеля объем дискретной фазы в готовом материале возрастает в 3 — 4 раза по сравнению с объемом каучука и составляет 10 — 40% от общего объема. Свойства готового материала во многом определяются именно объемом микрогеля.
     При температурах выше 230 град.Ц.и больших напряжениях сдвига частицы микрогеля могут быть разрушены; при этом механические свойства ударопрочного полистирола резко ухудшаются.
     При одинаковом содержании каучука ударная прочность ударопрочного полистирола в 5-10 раз выше, чем смеси полистирола с каучуком. Это обусловлено большей однородностью дискретной фазы, увеличением ее объема в результате окклюзии П. Привитой сополимер С.- каучук действует как эффективный стабилизатор твердой эмульсии полимер — полимер (к-рую представляет собой готовый продукт), повышая адгезию микрогеля к матричному П.
     При одинаковом содержании исходного каучука объем микрогеля в ударопрочном полистироле можно изменять, варьируя условия получения материала. При увеличении содержания микрогеля ударная вязкость и относительное удлинение достигают максимума (при содержании 20 — 30%), прочность при растяжении снижается, модуль упругости возрастает.

Основные виды ударопрочного полистирола

В зависимости от содержания стирола и каучука в сополимере или смеси получают материалы с различной стойкостью к ударным нагрузкам. Можно выделить три основных вида УПС:

  • Сверхударопрочный полистирол (10-15% каучука, SHIPS – Super High Impact Polystyrene);
  • ударопрочный полистирол или полистирол высокой ударной прочности (92,5-91% стирола и 7,5-9% каучука, HIPS – High Impact Polystyrene);
  •  полистирол средней ударной прочности (96,5-95% стирола и 3,5-4,5% каучука, MIPS – Middle Impact Polystyrene).

Полистирол ударопрочный по модулю упругости, теплостойкости, твердости, диэлектрическим, реологическим и другим свойствам мало отличается от полистирола общего назначения.

Атмосферостойкость повышают, заменяя бутадиеновый каучук на акрилатный или этилен-пропиленовый. Используя в качестве матрицы тройные сополимеры стирола с акрилатами и уменьшая размер частиц каучуковой фазы, получают оптически прозрачный полистирол ударопрочный.

 

Полистирол ударопрочный перерабатывают литьем под давлением при 190-230 °С и т-ре литьевых форм 50-60 °С и экструзией при 130-190 °С. Экструзией производят также в небольших кол-вах пленки и нити. Используют как конструкц. материал вместо дерева и металлов для изготовления корпусов приборов и аппаратов, объемных деталей бытовых и пром. холодильников, емкостей, бутылей, посуды разового пользования, мебели, конторского оборудования, игрушек, осветит. приборов и арматуры к ним, чемоданов, авторучек и т.п. Это один из самых дешевых и доступных пластиков.

Правильнее было бы называть ударопрочный полистирол сополимером, т.к. он является привитым сополимером стирола с каучуками, чаще всего с полибутадиеном или бутадиен-стирольными, а также смеси этих сополимеров с полистиролом общего назначения и другими сополимерами.

Кстати, эту путаницу в терминологии взяли на вооружение таможенные службы, т.к. таможенная пошлина на полистирол и сополимеры различна.

Структурно УПС представляет собой трёхфазную систему, состоящую из полистирола, гель-фракции привитого сополимера и каучука с привитым стиролом в виде частиц размером до 1-5 мкм, равномерно распределённых по всему объёму УПС. Несмотря на низкую молекулярную массу матричного полистирола (70-100 тыс.), присутствие каучука существенно замедляет рост микротрещин при ударных нагрузках, что и повышает прочность материала.

4. Сополимеры

Это высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых содержат мономерные звенья разных типов. В зависимости от расположения этих звеньев различают нерегулярные (статистические) и регулярные сополимеры, а также привитые сополимеры и блоксополимеры. В статистических сополимеры мономерные звенья (А и В) расположены беспорядочно (напр., АВАААВАВВ…), в регулярных-распределены с определенной периодичностью. Среди последних наиб. распространены чередующиеся сополимеры, построенные по принципу: АВАВАВ… В привитых сополимеры и блоксополимерах может быть большое число блоков одного типа. Сами блоки могут состоять из одного или неск. видов мономерных звеньев.

 

Для синтеза сополимеры применяют разл. способы сополимеризации и сополиконденсации. Статистические, чередующиеся и привитые сополимеры получают преим. методами радикальной полимеризации, блоксополимеры-методами анионной полимеризации и поликонденсации.

 

Свойства статистических (при соизмеримом кол-ве звеньев разных видов) и чередующихся сополимеры являются, как правило, промежуточными между св-вами соответствующих гомо-полимеров. Так, статистические сополимеры имеют единств. т-ру стеклования Т., которая во многих случаях описывается уравнением:

1/Tc = (cA/Tc(A)) + (cB/Tc(B)), где cА и cB-массовые доли звеньев А и В, Tc(A) и Tc(B)-т-ры стеклования полимеров Аn и Вm соответственно.

 

Статистические сополимеры, в процессе синтеза к-рых все исходные мономеры вступили в р-цию, композиционно-неоднородны, т.е. содержат макромолекулы разного состава. Это отрицательно сказывается на св-вах и может привести к несовместимости фракций сополимеры Композиционно-однородные (состоящие из одинаковых макромолекул) и чередующиеся сополимеры, как правило, имеют лучшие физ.-мех. св-ва.

Статистические сополимеры с заметным преобладанием звеньев одного из мономеров по св-вам близки к полимеру последнего. При этом сомономеры, присутствующие в меньших кол-вах, играют роль модификаторов. Так, 15-20% акрило-нитрила придают бутадиен-нитрильному каучуку масло-стойкость. Относительно небольшие добавки второго мономера используются часто в качестве внутр. пластификатора для снижения Тc и облегчения переработки полимера. Для модификации поверхностных св-в полимеров широко применяется прививка мономеров из газовой фазы с ра-диац.-хим. инициированием.

 

В то время как статистические и чередующиеся сополимеры по своим св-вам напоминают гомополимеры, привитые сополимеры и блоксополимеры похожи на смеси соответствующих полимеров и часто обладают уникальными характеристиками. Напр., на основе привитых сополимеры и блоксополимеров, содержащих блоки разной гибкости (отвечающие эластомерам и пластомерам), получены ударопрочные пластики (АБС-пластик) и термоэластопласты.

 

Ударопрочный полистирол производится методом непрерывной полимеризации в массе. Продукт выпускается в виде стабилизированных гранул в окрашенном и неокрашенном виде и представляет собой сополимер стирола с полибутадиеном. Применяемая технология получения ударопрочного полистирола обеспечивает высокую однородность материала, отсутствие включений гель-образований и низкое содержание остаточного мономера в соответствии с требованиями Европейских стандартов.

Ударопрочный полистирол допущен Министерством здравоохранения РФ для изготовления изделий, контактирующих с пищевыми продуктами (тара, упаковка). УПС получают привитой сополимеризацией стирола с полибутадиеновыми или бутадиенстирольными каучуками. Структурно УПС представляет собой трехфазную систему, состоящую из полистирола, гельфракции привитого сополимера и каучука с привитым стиролом в виде частиц размером до 1-5 мкм, равномерно распределенных по объему УПС. Несмотря на низкую ММ матричного ПС (ММ = 70-100 тыс.), присутствие каучука существенно замедляет рост микротрещин, что и повышает прочность материала.

 

Свойства

ПС

УПС

АБС

Плотность, кг/м3

1050

1060

1040

Разрушающее напряжение, МПа при:

 

 

 

растяжении

35-40

27-56

36-60

изгибе

55-70

55-60

50-87

сжатии

80-100

46-80

Относительное удлинение при разрыве, %

1.0-1.5

1.0-2.0

1.0-3.0

Ударная вязкость, кДж/м2

12-20

40-50

80-100

Твердость по Бринеллю, МПа

150

110

100

Теплостойкость по Мартенсу, °С

60-70

65

86-98

Диэлектрическая проницаемость при 106

2.5

2.7

2.4-5.0

Тангенс угла диэлектрических потерь при 106 Гц, х104

2-4

4-8

3-7

Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом/м

1015

5*1013

5*1013

Электрическая прочность. МВ/м

25-40

12-15

В марке УПС указывается метод синтеза (М, С) и цифровое обозначение ударной вязкости (две первые цифры) и десятикратного значения содержания остаточного мономера. Кроме того, в марку может включаться буква, означающая предпочтительный способ переработки. Например, УПМ-0703 Э означает ударопрочный полистирол, полученный полимеризацией в массе; его ударная вязкость 7 кДж/м2, остаточное содержание мономера 0,3 %, метод переработки — экструзионный.

 

Продолжение следует…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.