Полистирол — ПС, HIPS (англ.), PS (англ.), GPPS (англ.), polystyrene (англ.)

Полистирол – синтетический термопластичный твердый, жесткий, аморфный полимер. Продукт полимеризации стирола. Массово выпускается в форме полистирола общего назначения и ударопрочного полистирола.

Полистирол (-C6H5-CH-CH-)n является продуктом полимеризации стирола, который представляет собой сочетание непредельного углеводорода этилена с ароматическим радикалом фенилом – С6Н5 (фенилэтилен):
СН2=СН-С6Н5

При полимеризации радикалы винила образуют полимерную цепь с боковыми фенильными группами (бензольными кольцами). По характеру пространственного расположения фенильной группы относительно молекулярной цепи различают:
атактический полистирол – характеризуется тем, что в нем бензольные кольца расположены по обе стороны цепи совершенно неупорядоченно;
изотактический полистирол – в его макромолекуле все бензольные кольца расположены с одной стороны цепи;
синдиотактический полистирол – в его полимерной цепи бензольные кольца расположены строго альтернативно – поочередно слева и справа от центральной цепи, упорядоченность расположения боковых групп придает синдиотактическому полистиролу высокую твердость и термостойкость.
Наибольшее промышленное значение имеет атактический полистирол.

Полистирол – термопластичный материал, обладающий высокой твёрдостью и хорошими диэлектрическими свойствами, химически стойкий по отношению к щелочам и кислотам, кроме азотной и уксусной. Полистирол не растворяется в низших спиртах, алифатических углеводородах, фенолах, простых эфирах. Растворяется в собственном мономере, ароматических и хлорированных углеводородах, сложных эфирах, ацетоне. Устойчив к радиоактивному облучению, но стойкость к ультрафиолетовым лучам невелика. Полистирол легко формуется и окрашивается. Хорошо обрабатывается механическими способами. Без труда склеивается. Обладает низким влагопоглощением и высокой влагостойкостью и морозостойкостью. Физиологически безвреден. Изделия из полистирола обладают высоким глянцем.
Полистирол общего назначения весьма хрупок, имеет низкую ударную прочность и малую теплостойкость: температура размягчения полистирола составляет 90-95°С. Лучшими эксплуатационными свойствами обладают различные сополимеры стирола. Ударопрочный полистирол отличается повышенными показателями ударной вязкости в широком диапазоне температур (до -30…-40 °С). Основной недостаток – низкая термо- и светостойкость, связанная с наличием каучуковой фазы.

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. В зависимости от свойств и назначения в соответствии с ГОСТ 20282-86 установлены следующие марки полистирола общего назначения:
получаемого полимеризацией в массе:
ПСМ-115 — для изготовления методом литья под давлением изделий технического назначения и товаров народного потребления;
ПСМ-111 — повышенной теплостойкости, для изготовления светотехнических изделий методом литья под давлением и товаров народного потребления;
ПСМ-118 — для изготовления методом литья под давлением изделий сложной конфигурации технического назначения и товаров народного потребления. Марка характеризуется высокой текучестью;
ПСМ-151 — повышенной теплостойкости и низкой текучести, для изготовления листов, профилей, пленок и нитей методом экструзии, товаров народного потребления; для производства нитей предназначен только высший сорт;
суспензионного:
ПСС — для изделий технического назначения и товаров народного потребления;
эмульсионного:
ПСЭ-1 — для получения пенопластов;
ПСЭ-2 — для продукции технического назначения; допускается применение для изготовления пеноплит.
Условное обозначение марок полистирола общего назначения состоит из сокращенного назначения материала (ПС), способа получения (Э – эмульсионный; М – полимеризация в массе (блочный); С – суспензионный), цифрового обозначения марки, указания рецептуры светостабилизации, наименования цвета, указания рецептуры окрашивания цвета, сорта и обозначения стандарта. В обозначение поверхностно обработанного полистирола вводят буквенный эквивалент «С» перед указанием сорта.
Пример условного обозначения полистирола общего назначения блочного марки 111, светостабилизированного, красного цвета, высшего сорта по ГОСТ 20282-86:
ПСМ-111-20, красный, рец. 136П, высший сорт ГОСТ 20282-86.
Пример условного обозначения полистирола общего назначения блочного марки 151, неокрашенного, поверхностно обработанного, первого сорта по ГОСТ 20282-86:
ПСМ-151 «С», первый сорт ГОСТ 20282-86.

1. Плотность – 1050-1080 кг/м3.
2. Насыпная плотность гранул – 550-560 кг/м3.
4. Линейная усадка в форме – 0,4-0,8 %.
5. Нижний предел рабочих температур – (-40 °С).
6. Верхний предел рабочих температур 65-75 °С.
7. Электрическая прочность при частоте 50 Гц – 20-23 кВ/мм.
8. Удельное поверхностное электрическое сопротивление – 1016 Ом.
9. Удельное объемное электрическое сопротивление
при выдержке под напряжением 1 мин. – 1017 Ом•см
при выдержке под напряжением 15 мин. – 1018 Ом•см.
10. Коэффициент термического линейного расширения – 6•10-5-7•10-5 град-1.
11. Коэффициент теплопроводности – 0,093-0,140 Вт/м•К.
12. Удельная теплоемкость – 34•103 Дж/кг•К.
13. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц – 3-4•10-4.
14. Диэлектрическая проницаемость – 2,49-2,60.

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.
Условное обозначение ударопрочного полистирола в соответствии с ГОСТ 28250-89 состоит из букв УП – ударопрочный, сразу за которыми указывается метод синтеза полистирола: М – полимеризацией в массе, Э – полимеризацией в эмульсии, С – полимеризацией в суспензии. Далее через тире две цифры обозначают ударную вязкость. Следующие две цифры указывают удесятеренное содержание остаточного мономера. Кроме того, в марку может включаться буква, означающая предпочтительный способ переработки.
Пример условного обозначения ударопрочного полистирола, полученного полимеризацией в массе с ударной вязкостью 7 кДж/м2 и остаточным содержанием мономера 0,3 %, предназначенного для переработки экструзионным методом:
УПМ-0703 Э.

Свойства
Химическая устойчивость, устойчивость к низким температурам, хорошая способность к формованию, хорошие теплоизоляционные свойства, износостойкая поверхность.
Области применения
Для изготовления торговых витрин, дисплеев, вакуумформования изделий с глубокой вытяжкой, авто-, авиа-, судостроения, производства изделий санитарно-технического и рекламного назначения.
Марки полистирола
Отечественные марки:
• УПС-0803 Э
• УПМ-0703 Э
• УПМ-424
Импортные марки:
• Polystyrol 2710 — ударопрочный фреоностойкий полистирол;
• Polystyrol 486М — высокоударопрочный полистирол, применяется при изготовлении пищевой упаковки;
•Polystyrol 495F — высокоударопрочный полистирол с хорошей теплостойкостью и высокой жесткостью, применяется при изготовлении корпусов электроаппаратуры.

Ударопрочный полистирол отличают:

— повышенная ударопрочность
— устойчивость к разрывам
— легкость
— гибкость
— морозостойкость до — 40С
— влагостойкость
— великолепная формуемость
— легкость в обработке
— химическая стойкость к кислотам и щелочам

Применение ударопрочного полистирола:

Наружная реклама редко обходится без полистирола. Вывески, рекламные щиты, объемные буквы, штендеры, указатели, таблички — во всем спектре рекламной продукции в качестве основного расходного материала в 50% из 100% используется полистирол.
Отличная формуемость полистирола позволяет создавать эксклюзивные полнообъемные изделия для дизайна и рекламы.
Широко применяется полистирол в изготовлении торгового и выставочного оборудования.
В полиграфии — для изготовления шелфтоккеров, воблеров и других средств продвижения товаров; визитных карточек.
В строительстве листы полистирола используются как отделочные материалы при оформлении торговых залов магазинов, интерьеров офисов и других общественных помещений.
Великолепный внешний вид, высокие механические свойства, широкая цветовая гамма этого пластика неизменно привлекает дизайнеров при оформлении различных зрелищных мероприятий.
Удовлетворение высоким санитарно-гигиеническим требованиям, абсолютная влагонепроницаемость, красивая глянцевая поверхность, гармонирующая с материалами, используемыми для изготовления современных ванн, душевых кабин, мебели и аксессуаров ванной комнаты, обуславливает широкое применение полистирола в качестве сантехнического пластика.
Полистирол — экологически чистый материал, соответствующий всем требованиям, предъявляемым к материалам для производства пищевой упаковки. Упаковочные пленки толщиной от 0,25 до 1,8 мм из «пищевого» полистирола на термоформовочном оборудовании преобразуются в стаканчики для йогурта, контейнеры для маргарина, майонеза, салатов, сгущенного молока, меда, горчицы, а также в упаковку для косметики.
Соответствие гигиеническим нормам, формуемость и морозостойкость полистирола обусловили широкое применение его в качестве термоформованных внутренних деталей холодильников.
Полистирол — отличный материал для формования корпусов медицинской аппаратуры и оргтехники.

Гомополимер
GPPS, PS-GP, Crystal PS — Аморфный полистирол общего назначения.
SPS, sPS — Кристаллизующийся синдиотактический полистирол

Сополимеры стирола
ABS — Сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола, АБС-пластик, АБС-сополимер
ACS — Сополимер акрилонитрила, хлорированного этилена и стирола, АХС-сополимер
AES, A/EPDM/S — Сополимер акрилонитрила, СКЭПТ и стирола, АЭС-сополимер
ASA — Сополимер акрилового эфира, стирола и акрилонитрила, АСА-сополимер
ASR — Ударопрочный сополимер стирола (advanced styrene resine)
HIPS, PS-I, PS-HI — Ударопрочный полистирол высокой ударной прочности (УПС)
MABS, M-ABS — Сополимер метилметакрилата, акрилонитрила, бутадиена и стирола, прозрачный АБС
MBS — Сополимер метилметакрилата, бутадиена и стирола
MIPS, PS-I — Ударопрочный полистирол средней ударной прочности (УПС)
MS, SMMA — Сополимер метилметакрилата и стирола (МС)
Сополимер метилметакрилата, стирола и акрилонитрила (МСН)
Сополимер стирола и -метилстирола (САМ)
SAN, AS — Сополимер стирола и акрилонитрила (САН, СН)
SHIPS — Ударопрочный полистирол сверхвысокой ударной прочности
SMA, S/MA — Сополимер стирола и малеинового ангидрида

Сополимеры стирола, термопластичные эластомеры
ESI — Этилен-стирольный интерполимер
SB, S/B — Стирол-бутадиеновый сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SBS, S/B/S — Стирол-бутадиен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEBS, S-E/B-S — Стирол-этилен-бутилен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEEPS, S-E-E/P-S — Стирол-этилен-этилен/пропилен- стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEP — Стирол-этилен-пропиленовый сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SEPS, S-E/P-S — Стирол-этилен-пропилен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)
SIS — Стирол-изопрен-стирольный сополимер (термопластичный стирольный эластомер)

1. Обработка края
2. Термоформовка
3. Сварка
4. Склеивание
5. Печать
6. Лакирование
7. Металлизация
8. Флокирование
9. Горячее тиснение
10. Фрезерование
11. Вакуумная формовка

Полистирол достаточно легкий. Обладает хорошими электроизоляционными свойствами, характеризуется небольшими диэлектрическими потерями. Максимальная рекомендуемая температура применения 70 оС. Полистирол можно без труда обрабатывать инструментами и станками для обработки дерева и металла.
1. Обработка края
Для обработки краев используют рубанок, грубый напильник, рашпиль, шабер. Инструмент должен быть хорошо заточен.

2. Термоформовка
Полистирол является идеальным материалом для этого вида обработки и предоставляет огромные возможности для создания трехмерных форм. Объемные буквы, барельефы, сложные объемные фигуры и многое другое может быть выполнено с помощью термо- или вакуумформовки. Простейший инструмент для термообработки — промышленный фен.

Температура обработки: 130-150 оС.
В экстремальных случаях: до 200 оС.

Температура формовки:
— для технических деталей до 75 оС
— для упаковки без нагревания величина усадки: прибл. 0,5 %

Коэффициент вытяжки:
— при отрицательной матрице -1:1,25
— при позитивной матрице — 1:2
— время нагрева: в зависимости от источника нагревания. При толщине материала более 2 мм необходимо нагревание с двух сторон.

3. Сварка
Рекомендуется газосварка (горячий воздух) при температуре 260-330 oС, сварка нагревательным элементом (температура 180-260 oС, время нагрева 20-60сек), и особенно ультразвуковая сварка (амплитуда колебаний 35 мм, облучение ультразвуком проводится менее 1 сек).

4. Склеивание
Детали из полистирола легко склеиваются друг с другом и с другими материалами, образуя долговечные и надежные соединения. Очень хорошо подходят для этой цели контактные клеи, водорастворимый клей, клей из неопрена, а также растворяющие или цианакрилатные клеи.

5. Печать
На поверхность полистирола легко наносится и долго держится печать, нанесенная офсетным или трафаретным способом. При этом не требуется предварительной обработки поверхности. При офсетной печати используются краски для «невпитывающих поверхностей». При шелкографической печати в случае применения растворителей следует обратить внимание на рекомендации производителей красок.

6. Лакирование
Поверхность пластика хорошо покрывается совместимыми лаками.

7. Металлизация
Металлизацию полистирола с образованием зеркальной поверхности можно провести при помощи высоковакуумной технологии после соответствующей обработки поверхности.

8. Флокирование
Полистирол хорошо подвергается флокированию (электростатическому нанесению волокон).

9. Горячее тиснение
Производят фольгой для тиснения, которая подходит для термопластиков и имеется в продаже.

10. Фрезерование

11. Вакуумная формовка

Сырьем для изготовления полистирола служит продукт нефтесинтеза – стирол. Как правило, полистирол выпускают в виде цилиндрических гранул размером 2-5 миллиметров.
В промышленности полистирол общего назначения получают радикальной полимеризацией стирола следующими методами.

Термической полимеризацией в массе (блоке) по непрерывной схеме в системе последовательно соединенных 2-3 аппаратов с мешалками. Заключительную стадию процесса часто проводят в аппарате колонного типа. Начальная температура реакции 80-100 °С, конечная – 200-220 °С. Реакцию прерывают при степени превращения стирола 80-90%. Непрореагировавший мономер удаляют из расплава полистирола под вакуумом и затем с водяным паром до содержания стирола в полистироле 0,01-0,05%. В полистирол вводят стабилизаторы, красители, антипирены и другие добавки и гранулируют. Блочный полистирол отличается высокой чистотой. Эта технология наиболее экономична и практически безотходна, поскольку непрореагировавший стирол возвращается на полимеризацию.

Суспензионной полимеризацией по периодической схеме в реакторах объемом 10-50 м3, снабженных мешалкой и рубашкой. Стирол суспендируют в деминерализованной воде, используя различные стабилизаторы эмульсии. Инициатор полимеризации растворяют в стироле. Процесс ведут при постепенном повышении температуры от 40 до 130 °С под давлением в течение 8-14 ч. Из полученной суспензии полистирол выделяют центрифугированием, после чего его промывают и сушат. Процесс удобен для получения и сополимеров стирола. Этим же методом в основном производят и пенополистирол.

Эмульсионной полимеризацией по периодической схеме. Этим методом получают полистирола наиболее высокой молекулярной массы.

Ударопрочный полистирол получают главным образом термической полимеризацией в массе по непрерывной схеме так же, как и полистирол общего назначения, и так называемым блочно-суспензионным способом по периодической схеме. В первом случае бутадиеновый или бутадиен-стирольный каучук измельчают и растворяют в стироле (4-15%-ная концентрация). При нагревании и интенсивном перемешивании раствора протекает реакция полимеризации стирола и прививка его на каучук. После образования 2-3% полистирола реакционная среда расслаивается на стирольную фазу (растворр полистирола в стироле) и каучуковую (раствор каучука и привитого сополимера в стироле). Образование привитого сополимера протекает на границе раздела фаз. Структура, размеры дискретной каучуковой фазы, содержание в ней окклюдированного полистирола зависят от интенсивности перемешивания, концентрации основных компонентов и модифицирующих добавок. При степени превращения стирола 30-40% реакционная система из-за высокой вязкости становится стабильной и перемешивания уже не требуется. На завершающей стадии процесса происходит частичное сшивание каучука в частицах микрогеля, в результате чего возрастает их устойчивость к сдвиговым деформациям. Продукт представляет собой расплав ударопрочного полистирола содержащего 0,5-10% непрореагировавшего стирола, который удаляют в вакууме, а полимер гранулируют.
При блочно-суспензионном способе сначала полимеризацию проводят в массе (как описано выше) до степени превращения стирола 30-40%. Затем реакционную массу суспендируют в воде при интенсивном перемешивании и проводят суспензионную полимеризацию до предельной степени превращения стирола.

Основными производителями полистирола для российского рынка являются «Нижнекамскнефтехим», «Салаватнефтеоргсинтез» и украинский концерн «Стирол». В частности, «Салаватнефтеоргсинтез» производит марки полистирола УПМ 0508, УПМ 0703, УПС 0801, УПС 0803, ПСМ 115.

Полистирол занимает четвертое место в мировой табели о рангах полимеров – 7,5% мирового рынка. Он относится к термопластам общетехнического назначения. Обладая хорошими прочностными свойствами, прозрачностью и прекрасным внешним видом, полистирол широко используется в производстве товаров бытового и культурно-бытового назначения, строительстве, светотехнике, медицинской технике, рекламе. Поскольку полистирол является прекрасным диэлектриком, хорошо работающим при низких и высоких частотах, он эффективно применяется в электротехнике, в том числе для изготовления тонких ориентированных конденсаторных пленок. Кроме того, полистирол является исходным материалом для производства пенополистирола.
Технология производства изделий из полистирола разработана достаточно глубоко. Он перерабатывается всеми методами переработки термопластов, хорошо сваривается и склеивается, совмещается с пластификаторами, хорошо окрашивается. Его перерабатывают литьем под давлением при 190-230 °С и температуре литьевых форм 50-60 °С и экструзией при 130-190 °С. Для окрашивания полистирола разработаны специальные марки красителей и гранулированных концентратов пигментов. Иногда для полистирола подходят красители, разработанные для полиолефинов.
Полистирол используют как конструкционный материал вместо дерева и металлов для изготовления корпусов приборов и аппаратов, объемных деталей бытовых и промышленных холодильников, контейнеров, емкостей, бутылей, посуды разового пользования, мебели, канцтоваров, игрушек, осветительных приборов и арматуры к ним, светофильтров, чемоданов, авторучек, упаковки для косметики, визитных карточек, кабельной изоляции
Ориентированный полистирол толщиной менее 75 мкм используют для «окошек» в картонных упаковочных коробках. Более толстые пленки используются для получения стаканчиков для торговых автоматов, упаковки в виде подносов для фасованного свежего мяса, с тем, чтобы видеть при покупке обе стороны упаковываемого продукта.
В современной строительной индустрии, а также других отраслях все чаще используют экструдированный полистирол (экструзионный полистирол). Для изготовления прозрачных листов используется полистирол с меньшим процентным содержанием добавок. При этом получают полистирол общего назначения (GPPS), который обладает относительной хрупкостью и меньшей пластичностью.
Экструдированный полистирол общего назначения изготавливается в виде прозрачных, молочных, цветных листов. Оборудование для производства этого типа материала – зкструзионные плоскощелевые линии. Экструдированный полистирол – листовой пластик, работающий при длительной эксплуатации под воздействием постоянного ультрафиолетового воздействия. Полистирол экструзионный общего назначения применяется в изготовлении оконных стекол, вывесок, перегородок, душевых кабин, рассеивателей света, оранжерей, теплиц, подставок, ценников, дверей, фурнитуры, плёнки.
Изготавливают из полистирола и изделия, подпадающие под контроль Госкомсанэпиднадзора России: детали холодильников и доильных аппаратов; изделия, предназначенные для контакта при комнатной температуре с сухими, сыпучими, водосодержащими пищевыми продуктами, фруктово-овощными соками, фруктами, овощами, ягодами: подносы, поддоны, хлебницы, сахарницы, сухарницы, мерные кружки, вазы, стаканы, банки для сыпучих продуктов; детали оборудования, перерабатывающего пищевые продукты: овощерезки, терки, соковыжималки; предметы быта: футляры для зубных щеток, расчески, мыльницы, облицовку детских ванночек.
Отдельный сегмент современного рынка – рециклинг полистирола. Многие компании в России и мире специализируются на покупке полистирольных отходов с дальнейшей переработкой и продажей или использованием вторичного полистирола. Как правило, для этого применяется технология экструдирования очищенных отходов и последующим дроблением и получением вторичного гранулированного материала пригодного для изготовления изделий.