Полистирольные пластики в упаковке (Часть 1) - Пластики - Каталог статей

Для начала - немного общей информации. Полистирольные пластики традиционно относятся к т.н. «базовым» или крупнотоннажным полимерам. По объему производства они занимают 4-е место в мире (около 20 млн тонн в год) после полиэтилена, полипропилена и поливинилхлорида, немного опережая ПЭТ.

Полистирол – один из старейших полимеров и насчитывает уже примерно 100 лет своего развития.

Впервые полистирол был получен в 1910 г. русским ученым И. Остромысленским в России, а затем его исследования были перенесены в США, где и запатентованы. Редкий случай, когда российский приоритет никем не оспаривается! И, пожалуй, практически единственный случай, когда технологии производства полимера не только имели российские корни, но и развитие технологий активно шло на территории нашей страны (тогда еще - СССР).

Первые промышленные установки для производства полистирола создавались в начале 1930-х гг. в Германии на знаменитых анилиновых заводах (ныне - фирма BASF), которые сжигал своим гиперболоидом еще инженер Гарин. Промышленный синтез полистирола стал возможен благодаря работам известного немецкого ученого Г. Штаудингера, а основополагающие теоретические принципы цепных реакций полимеризации были разработаны опять же выдающимся отечественным ученым, лауреатом Нобелевской премии по химии (1956 г.) Н.Н.Семеновым.

После создания в США промышленных производств стирола – сырья для производства полистирола – развитие промышленности полистирола и полистирольных пластиков пошло ускоренными темпами.

В 1960-х гг. полистирольные пластики производились в основном в США, Западной Европе и Японии, а первые производства в СССР появились еще в середине 1950-х гг.

Что же представляют собой полистирольные пластики?

Химической основой этой группы полимеров является полистирол, продукт полимеризации мономера стирола с химической формулой С6Н5-CH=CH2. Для удобства понимания эту молекулу в органической химии принято изображать с помощью структурной формулы, которая выглядит следующим образом:

Двойная связь в «верхней» - винильной – части молекулы стирола способна к раскрытию с образованием двух ненасыщенных центров, стремящихся стабилизировать свою ненасыщенность за счет создания новых связей, например, с точно такой же молекулой стирола:

Именно так и получается полимер. Количество мономерных звеньев в цепи такой макромолекулы составляет примерно от 1500 до 3000 (в зависимости от назначения полимера), а молекулярная масса промышленных марок находится, соответственно, в интервале от 160 до 320 тыс. у.е. (у.е. – углеродная единица; 1 у.е. = 1/12 массы изотопа углерода С12 = 1,66 • 10-24 г).

Получающийся в результате описанного выше процесса полимер носит название «полистирол общего назначения» (ПСОН или GPPS в системе международно принятых сокращений). Иногда его несколько неточно называют «кристаллическим полистиролом»: дело в том, что ПСОН по своей природе кристаллическим не бывает, максимальная кристалличность, которую удалось получить для него в лабораторных условиях, не превышала 1%. Ведь что такое кристалл? Это образование, в котором присутствует т.н. «дальний порядок» - т.е. большое количество одинаковых элементов, входящих в структуру твердого тела, одинаково ориентированы в пространстве и находятся друг от друга на одинаковом расстоянии. Так вот в «кристаллическом» полистироле, получаемом по вышеописанной схеме, этого нет. Почему же тогда он – «кристаллический»? Очевидно, в силу своей прозрачности, чистоты, красоты и твердости - свойств, ассоциирующихся в нашем представлении с понятием «кристалл».

ПСОН – один из самых многотоннажных представителей полистирольных пластиков – обладает одним существенным недостатком: он хрупок, т.е. при определенном (явно недостаточном для обеспечения целого ряда функций) воздействии ударного типа ломается. Чтобы справиться с этим недостатком, полистирол модифицируют каучуком. Современные марки такого модифицированного сополимера содержат примерно 6-8% масс. бутадиенового каучука специального пластмассового сорта. Надо отметить, что модификация полистирола производится не путем простого смешения ПСОН с каучуком, а в ходе синтеза посредством реакции т.н. привитой сополимеризации стирола на каучук. Для этого каучук в необходимом рецептурном количестве растворяют в стироле, раствор нагревают и проводят полимеризацию.

Таким образом синтезируют второй многотоннажный полистирольный пластик – ударопрочный полистирол (УПС или HIPS). УПС обладает существенно большей, чем ПСОН, стойкостью к ударным нагрузкам, однако теряет прозрачность кристалла. Это происходит потому, что каучук в матрице полистирола распределяется в виде не смешивающихся с полистиролом дискретных частиц определенного размера (в основном, размером 1÷8 мкм), прочно связанных химическими связями с матрицей. Размер каучуковых частиц существенно превышает длину волны видимого света в полистироле (примерно 250 нм), отсюда и замутненность полимера. Несколько забегая вперед, скажем, что сегодня производители пластиков научились делать УПС практически таким же прозрачным, как ПСОН.

Если же на стадии синтеза в реактор, где полимеризуется стирол, добавляют вспенивающий агент (например, пентан), то на выходе получают материал, который носит название «вспенивающийся полистирол» (ВПС). Результатом его вспенивания является всем хорошо знакомый пенопласт.

Винильная часть молекулы стирола является общей для большого количества типов мономеров и благодаря этому предоставляет огромные возможности для получения самых разнообразных типов полимерных материалов. В том случае, когда при получении полимера используется не один, а несколько типов мономеров, конечный продукт синтеза называют сополимером. Именно таким путем получают широко известный конструкционный материал АБС-пластик. Аббревиатура АБС расшифровывается как акрилонитрил – бутадиен – стирол. Про бутадиен мы уже упоминали, когда говорили об УПС, а вот акрилонитрил… Акрилонитрил (или, иначе, нитрил акриловой кислоты - НАК) представляет собой вещество с винильным компонентом, производное акриловой кислоты, в которой все кислородсодержащие группы замещены одним атомом азота:

Сополимер стирола и НАК - весьма ценный сополимер, известный на рынке под аббревиатурой САН (стирол – акрилонитрил), очень похожий по прозрачности на ПСОН. Он является менее хрупким и более прочным, однако к ударопрочным пластикам тоже не относится. И так же, как от ПСОН переходят к УПС, так и от сополимера САН переходят к АБС путем введения в смесь стирола и НАК бутадиенового каучука с последующей полимеризацией смеси.

Описание сополимеров стирола т.н. акрилатного ряда я намеренно начал не с самого «простого», а с одного из самых известных представителей полистирольных пластиков - с АБС-пластика. Однако в промышленности используются и сополимеры стирола непосредственно с акриловой кислотой (АС).

Еще одним важным полистирольным пластиком является сополимер стирола с метилметакрилатом (МС):

И аналогично паре ПСОН – УПС и паре САН – АБС существует полистирольный пластик МБС (метилметакрилат – бутадиен - стирол), ударопрочный по отношению к своей матрице МС.

Резюмируя краткий экскурс в область химии и технологии полистирольных пластиков, приведем перечень основных представителей этого класса полимеров, выпускающихся промышленностью. Итак:

ПСОН – полистирол общего назначения или просто полистирол;
УПС – ударопрочный полистирол;
ВПС – вспенивающийся полистирол;
Сополимеры стирола.

В принципе, приведенный перечень охватывает практически все многообразие полистирольных пластиков. Однако хочется заметить, что в категории «Сополимеры стирола» представлено гораздо большее количество пластиков, чем позволяют описать рамки статьи. Достаточно указать, что на сегодняшний день в мировой практике успешно применяются не только двойные сополимеры (например, САН или МС) и их ударопрочные модификации, но и тройные сополимеры (например, МСН – метилметакрилат-стирол-НАК), причем отдельные мономерные звенья различного типа связаны друг с другом как статистическим (т.е. случайным) образом, так и в виде последовательных или чередующихся блоков различной длины, состоящих из мономерных звеньев одного типа (т.н. «блоксополимеры»).

Но и это еще далеко не все!

Дело в том, что акрилатные мономеры, приведенные выше, являются далеко не единственной группой сомономеров, используемых в процессах сополимеризации со стиролом. Они лишь наиболее известны. Принципиально в этих реакциях может быть использовано любое вещество, имеющее в своем составе винильную (и не только винильную!) группу.

И это обстоятельство безгранично расширяет варианты получения все новых и новых полистирольных пластиков, каждый из которых имеет (если он уже синтезирован) или будет иметь свои специфические свойства, существенно отличаясь от своих собратьев.

Продолжение во второй части