Полистирол: свойства и разновидности материала

Полистирол - сложный полимер, кристаллическая решетка которого состоит из большого количества углеродно-водородных связей. В зависимости от способа производства, физические свойства и области применения вещества могут значительно отличаются.

Физические и химические свойства

Для полимера характерны следующие показатели:

• устойчивость к удлинению – 3%;
• прочность на изгибе – 103 МПа;
• предел прочности на растяжение – 55 МПа;
• теплопроводность – 0,16 Вт/мК;
• показатель преломления – 12,59;
• плотность – 1,05 г/см3.

Молекулярная масса вещества и способ производства влияют на физические свойства полимера. Прочность и температура, при которой вещество становится мягче, находятся в обратной зависимости от размера частиц полистирола.

Производители предлагают широкий выбор размеров готового листового полистирола: от 1200х1800 мм до 2050х3050 мм.

Пожароопасные свойства

Полистирол является материалом, поддающимся горению. Кислородный индекс вещества достигает 19%. От сгорания не убережет даже оболочка из железобетона, обрамляющая стройматериал. Производители и продавцы полистирола обязаны сообщать покупателям тот факт, что приобретаемый продукт не относится к пожаробезопасным. Противопожарные службы относятся с повышенным вниманием к применению полистирола в строительных конструкциях.

Минусом вещества также считается способность выделять опасный токсичный газ, который выделяется при горении. Однако полимер не загорается сам по себе. Это происходит только под воздействием прямого огня.

Крупные производители, выпускающие полистирол, ведут разработку негорючей версии вещества. Добавки, снижающие дымообразование, и компоненты, обеспечивающие защиту от возгорания, значительно улучшают противопожарные характеристики полимера.

Область применения

Полистирол применяется в следующих сферах промышленности:

• Медицина. Легкий и прочный полимер пригоден для производства медоборудования. Расходники, одноразовые средства, устройства для переливания крови и лабораторные сосуды изготавливаются в больших количествах. Экологичность и безопасность позволяют производить из полистирола емкости, шприцы, трансфузионные системы и элементы для одноразового применения.
• Строительство. Проектирование и техническое обслуживание автомагистралей, а также сооружение других строительных объектов не обходится без использования полимеров. Материал применяют для отделки фасадов зданий, в том числе с целью создания звукоизоляционного слоя. Также из полистирола производят плитку для потолка, основы для клея и сэндвич-панели.
• Бытовая и электрическая техника. Принадлежность к диэлектрикам определила дальнейшее применение полистирола в изготовлении корпусной оболочки для бытовых приборов, пленочных конденсаторов, антенн и кабельной продукции.

• Бытовая сфера. Благодаря безопасному воздействию на человеческий организм, полистирол широко применим в повседневном быту. Он безвреден и не издает постороннего запаха, поэтому из пластика изготовляют канцелярские и детские товары, упаковочную продукцию, одноразовую посуду и элементы декора.
• Промышленная сфера. Без полистирола не обходится строительство отдельных элементов в области гражданской промышленности. К ним относятся сложные устройства, турбины, агрегаты, а также составные части при возведении зданий.
• Военно-промышленный комплекс. Горючесть полимера обусловила его использование в качестве зажигательной смеси при создании взрывных устройств. Строительство военных автомагистралей не обходится без прочного и легкого полистирола.
• Пищевая промышленность. На любой кухне сегодня присутствует пластик, из которого изготовлены корпуса бытовых электроприборов, элементы декора, жаропрочные прихватки, одноразовая посуда и упаковочный материал.

Виды пенополистирола

В зависимости от внутреннего строения и технологии производства различают следующие виды материала:

• общего назначения (ПС);
• ударопрочный (УПМ);
• экструдированный (вспененный).

Общего назначения

Полимер, выпускаемый по ГОСТу 20282-86, имеет вид органического стекла. Процесс производства происходит суспензионным или блочным способом. Преимуществом полистирола общего назначения считается невосприимчивость к щелочным и кислотным веществам, а также принадлежность к диэлектрикам. Недостатком является недостаточная прочность. При помощи экструзии производятся два вида стройматериала:

• Рифленый плазгаль. Представляет из себя листы с поперечным сечением 1,7-3 мм. Рельеф на поверхности обеспечивает изменение направления движения солнечных лучей, что нашло своё применение при изготовлении предметов интерьера в области светотехники.
• Гладкий плазгаль. Выпускается в виде листов с относительно большой толщиной – 2-6 мм. Отличается устойчивостью к низким температурам воздуха, достигающим -40С, и способностью рассеивать свет. К недостаткам материала относится его хрупкость.

Ударопрочный

Полистирол данного вида получают в результате синтеза стирола и синтетического каучука. Количество добавленного бутадиенового каучука влияет на устойчивость материала к повреждениям. Для изготовления полимера со средними прочностными характеристиками используют 4,5% примеси в составе, а сверхударопрочный полистирол получают при добавлении 10-15% каучука. Продукт отличается низкой температурой плавления и легкостью в обработке. Ударопрочный полимер безопасен для человеческого организма. Характеристики электропроводности и прочности материала не отличаются от обычного полистирола. Однако примесь каучука в составе сильно снижает светопропускаемость вещества.

Экструдированный

Полистирол данного вида считается наиболее крепким благодаря пористой изолированной структуре. В процессе производства происходит вспениванию полистирола, с его дальнейшим формованием в виде листов. Теплоизоляционные свойства экструдированного полистирола позволяют применять материал для утепления зданий с наружной и внутренней стороны, устройстве теплозащитного слоя кровли и пола, а также при возведении фундаментов не только в виде теплоизолирующего слоя, но и в качестве несъемной опалубки.

Вспененный полистирол нечувствителен к грибкам, а повышенная влагостойкость является преимуществом материала. Среди пластмасс со схожими свойствами выделяют пенополистирол и пенопласт. Экструдированный полистирол выигрывает в устойчивости к изменениям в окружающей среде, пропускает до 90% солнечного света, а также отличается повышенной степенью уплотнения.

Если сравнивать вышеуказанные виды полистирола, то рассматривают следующие показатели:

• плотность УПМ составляет 1060 кг/м3, на втором месте ПС – 1050 кг/м3, на третьем вспененный полимер с 1040 кг/м3;
• напряжение при изгибе для экструдированного полистирола – 60-87 МПа, а для двух других видов находится в пределах 50-60 МПа;
• напряжение при сжатии одинаково для ПС и УПМ и составляет 80-100 МПа, вспененный материал имеет значение 46-80 МПа;
• напряжение при растяжении для экструдированного полимера – 36-60 МПа, для УПМ – 27-56 МПа и для ПС – 35-40 МПа;
• удлинение при разрыве составляет 1-3% для вспененного полистирола, 1-2% – для УПМ и 1-1,5% – для ПС;
• по теплостойкости на первом месте экструдированный материал с 85-90С, за ним идет УПМ с 65-80С и ПС с 60-70С;
• самой низкой ударной вязкостью обладает ПС – 12-20 кДж/м2, на втором месте УПМ – 40-50 кДж/м2 и на третьем вспененный полимер – 80-100 кДж/м2.

Способы производства

От выбора метода изготовления зависят химические и физические характеристики пластмассы.

Эмульсионный

Суть метода заключается в очищении стирола на начальном этапе от веществ, которые могут тормозить протекание реакции. Далее добавляют двуокись водорода и пероксидисульфат калия с целью создания полимера. Мыло и алкилсульфонаты в составе смеси обеспечивают образование эмульсии. Повышение температуры до 85-95С стимулирует химический процесс, во время которого образуется полимер. О завершении реакции говорит снижение объема винилбензола до уровня 0,5%.

Далее микроскопические частицы жидкости под действием добавленного хлорида натрия слипаются в более крупные частицы и просушиваются. В итоге полистирол имеет порошкообразный вид с частицами, диаметр которых не превышает 0,1 мм. Примесь щелочи в составе полимера обеспечивает желтоватый оттенок гранул. Добиться прозрачности материала эмульсионным методом невозможно. Данный метод считается устаревшим, поэтому практически не встречается при изготовлении полистирола.

Суспензионный

Производство полимера этим способом подразумевает использование этенилбензола, прошедшего предварительную подготовку и растворение в жидкости. Также в состав смеси добавляют поливиниловый спирт, гидроокись магния, полиметакрилат натрия и другие вещества, способствующие образованию полимера. Далее составляющие тщательно перемешиваются. Реакция полимеризации происходит при повышенном давлении и постепенном увеличении температуры до 130С. Далее смесь подвергается воздействию центробежной силы в специальном устройстве. Завершающие этапы производства: полоскание и просушивание. Суспензионный метод также относится к устаревшим. Его применение оправдывает вторичная обработка полимера, в результате которой получают пенополистирол.

Блочный

Суть метода заключается в смешении винилбензола с бензоловой средой до состояния равномерного распределения частиц относительно друг друга. Перемешивание на начальном этапе происходит при температуре 90С, второй этап подразумевает повышение температуры до 220С. Блочное формирование завершают при остаточном значении стирола, который не превратился в полистирол, в 15%. Дальнейшее вакуумирование избавляет смесь от неполимеризованного винилбензола.

На сегодняшний день блочный метод считается наиболее востребованным при производстве полистирола ввиду получения качественного материала. Полимер имеет высокую чистоту и прочность. Достоинствами данного метода считаются максимальная безотходность и рентабельность производственного процесса.

Преимущества материала

Химические и физические характеристики полистирола обеспечили конкурентоспособность материала среди схожих полимеров. К преимуществам термопласта относятся:

• Химическая устойчивость к воздействию разбавленными кислотами и веществами, содержащими спирт.
• Легкость отделочных работ. Полистирол без труда поддается обработке, распилу, фрезеровочным процессам, сверлению отверстий.
• Простота изменения модификаций. Благодаря небольшому весу и поперечному сечению, можно склеивать листы материала с использованием ультразвука, термосварки и полимерных составов.
• Влагоустойчивость и невосприимчивость к грибкам.
• Экологичность использования.
• Стойкость к воздействию окружающей среды. Материал сохраняет изначальный внешний вид на протяжении долгого времени.
• Разнообразие цветовых решений с предложенными примерами упрощает выбор нужного материала.

К недостаткам полистирола можно отнести его уязвимость к растворителям органического происхождения и техническим маслам, под воздействием которых он быстро разрушается.

Низкая стоимость и большой ассортимент продукции позволяет сэкономить средства на покупке стройматериалов, а также получить в итоге качественный и эстетичный результат.

Отличие полистирола от пенопласта

Экструдированный полистирол и пенопласт являются родственными материалами. В процессе производства пар увеличивает гранулы материала, которые разбухают и соединяются. Нагревание и продавливание полимера через экструдер образуют пенополистирол, который практически не отличается от пенопласта по своим химическим свойствам. Основное различие - плотность итогового материала.

Заключение

Низкая стоимость, высокая экологичность, хорошая звуко- и теплоизоляция, которыми обладают полистирольные листы обеспечивают востребованность материала в современном строительстве. Качественный и долговечный полимер обошел конкурентов во всех сферах применения, поскольку аналогичные отделочные материалы проигрывают в ценовой политике или по эксплуатационным характеристикам.