Polystyren: Komplexní pohled na jeho chemickou povahu, vlastnosti a využití

Polystyren je syntetický aromatický polymer, který patří mezi nejrozšířenější plastové materiály. Je to syntetický plast (polymer) získaný polymerací styrenu. Jedná se o proces, při kterém se molekuly styrenu spojují do dlouhých řetězců za vzniku pevného materiálu. Je to pevný, tvrdý a v organických rozpouštědlech rozpustný plast. Polystyren je termoplast, což znamená, že při zvýšení teploty nezachovává svůj původní tvar. Znovu ztuhne, jakmile ho začnete chladit. Dobře tepelně a zvukově izoluje a dobře se barví. Je málo odolný proti kyslíku, vodním parám a má relativně nízký bod měknutí. Při stárnutí křehne a vytvářejí se v něm trhliny.

Prvopočátky historie styrenových plastů začal psát roku 1839 Eduard Simon, který objevil monomer styrenu. Základem všech druhů polystyrenových plastů je styren - velmi hořlavá látka. Z celosvětového objemu výroby plastů tvoří polystyreny cca 9-10 %.

Chemická struktura a vlastnosti polystyrenu

Chemická struktura polystyrenu je založena na dlouhém řetězci uhlíkových atomů, na kterém je pravidelně navázána fenylová skupina (benzenové jádro). Základní stavební jednotkou je styren, z něhož polymerací vzniká polystyren. Polystyren (PS) může být amorfní nebo semikrystalický. Komerční amorfní PS je ataktický. Izotaktický a syndiotaktický typ jsou semikrystalické a tají při 240 °C, resp. 270 °C. Izotaktický polystyren však krystalizuje velmi pomalu, a proto v průmyslovém zpracování nehraje roli. Syndiotaktický PS krystalizuje dostatečně rychle a lze jej zpracovávat při vstřikování. Díky své charakteristické struktuře je polystyren tuhý, lehký a průhledný.

Vlastnosti polystyrenu:

  • Krátký název: PS
  • Název: Polystyren
  • Chemický vzorec: (C8H8)n
  • Teplota přechodu skla: 80 až 105 °C
  • Teplota rozkladu: 415 až 425 °C
  • Youngův modul: 3100 až 3300 MPa
  • Koeficient lineární tepelné roztažnosti: 50 až 70 *10-6/K (popisuje změnu délky materiálu v závislosti na teplotě)
  • Měrná tepelná kapacita: 1.3 J/(g*K)
  • Tepelná vodivost: 0.14 až 0,18 W/(m*K) (popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu)
  • Hustota: 1.05 g/cm³
  • Morfologie: Amorfní nebo polokrystalický termoplast
  • Identifikace: transparentní
  • Obecné vlastnosti: Krystalicky čirý a tvrdý, dobře odolný vůči vodným zásadám a minerálním kyselinám
  • Zpracování: Vstřikování a vyfukování, vytlačování

Odolnost a citlivost polystyrenu

Polystyren dobře odolává kyselinám a zásadám. Nepodléhá působení běžných neoxidujících kyselin, louhů, alkoholů, roztoků solí a některých olejů a tuků. Naopak neodolává organickým rozpouštědlům, zejména benzénu, aldehydům a ketonům. Podléhá působení organických rozpouštědel - např. benzínu, aromatických a chlorovaných uhlovodíků, ale také ketonům a esterům. Má sklon ke korozi za napětí.

Druhy polystyrenu a jejich charakteristiky

Tentokrát se zaměříme na skupinu polystyrenových plastů, konkrétně na standardní polystyren (PS), expandovatelný polystyren (EPS) a houževnatý polystyren (HIPS). Dále sem patří vytlačovaný pěnový polystyren (XPS) a kopolymery (s akrylonitrilem či dalšími monomery).

Čtěte také: Více o chemii polystyrenu

Standardní polystyren (PS nebo GPPS)

Standardní polystyren (GPPS) je tvrdý, křehký, čirý a průhledný polymer s vysokým leskem. Polystyren pro běžné užití je vzhledově podobný plexisklu - je čirý a křehký, skvěle formovatelný, současně je teplotně stabilní, má nízkou hmotnost (proto je ideální na výrobu prostřednictvím vstřiku do forem). Pevnost standardního polystyrenu ovlivňuje teplota a čas expozice, není náchylný na vzdušnou vlhkost, odolává teplotám do cca 60 °C (až 90 °C). Má dobré elektrické a dielektrické vlastnosti. Nevýhodou polystyrenu je jeho křehkost a malá tepelná odolnost (při teplotě kolem 70 °C se výrobky z polystyrenu deformují).

Využití: Vyrábějí se z něj kupříkladu výrobky pro zdravotnické a laboratorní účely (zkumavky, pipety, Petriho misky apod.), kelímky na jednorázové použití, obaly na CD, lahve, víka, podnosy a jídelní tácy, přepravky, nátěry na lesklé papíry atd. Polystyren se vyrábí čirý, ale může být obarven barvivy. Vzhledem k jeho dobré barvitelnosti je k dispozici v řadě odstínů.

Houževnatý polystyren (HIPS)

Houževnatý polystyren (HIPS) je kopolymer z butadien-styrenového kaučuku, který má nižší pevnost a tuhost, ale zvýšenou tažnost. Z hlediska optických vlastností není průhledný, zato je průsvitný. Jedná se o kopolymer styrenu a butadienu - při výrobě se do makromolekuly polystyrenu vloží molekuly kaučuku (procesem roubování nebo směšování). Jeho výsledné vlastnosti značně ovlivňuje podíl kaučukové složky, která tvoří 5-15 %. Čím více je v materiálu kaučuku, tím nižší je jeho pevnost a tuhost a naopak se zvyšuje tažnost a rázová houževnatost, a to i při nízkých teplotách (až -90 °C). Kaučuk pohlcuje mechanickou energii způsobenou např. úderem. Výroba probíhá vstřikováním, extruzí či tvarováním za tepla. Houževnatý polystyren je méně odolný působení chemických látek a zhoršují se dielektrické vlastnosti a odolnost vůči povětrnostním vlivům, nasákavost je u něj vyšší. Vlivem kaučukových částic je mléčně zakalený.

Využití: Z hlediska využití je tento plast velmi populární právě pro svou lehkou opracovatelnost, nízké náklady a vysokou životnost. Používá se na výrobky, jež mají odolávat nárazům jako například obaly a výrobky na jednorázové použití (kelímky, příbory), spotřební elektronika, hračky, chladicí vložky a počítačové kryty, různé díly nábytku, ramínka na oděvy, kryty disků automobilových kol, krabice na potraviny, díly do chladniček apod.

Expandovatelný/zpěňovatelný polystyren (EPS)

V expandované formě (expandovaný polystyren - EPS nebo PS-E) slouží jako izolační materiál. V průběhu výroby se polystyren napění pomocí nadouvadla a v uzavřené buněčné struktuře se vytvoří miliony drobných buněk naplněných vzduchem. Tento vzduch je klíčový pro vynikající izolační vlastnosti EPS. Základní surovinou pro výrobu pěnového polystyrenu je tzv. zpěňovatelný polystyren, který se výrobcům dodává ve formě tzv. EPS perliček. EPS perličky se vyrábějí v několika velikostech dle účelu použití, jsou skladovány v zásobnících a dopravních silech. K jejich finální úpravě dochází dle konkrétních požadavků u výrobce. Tento druh polystyrenu rozlišujeme dále dle různých výrobních metod.

Čtěte také: Vlastnosti polystyrenu pro OSB

Výroba EPS

Zpěňovatelný polystyren se předpěňuje působením syté vodní páry v předpěňovacích zařízeních. Následně se předpěněnými perlami vyplní prostor formy, která má ve stěnách parní trysky. Působením syté vodní páry dojde k pevnému spojení jednotlivých buněk a vytvoření kompaktního bloku, jenž odpovídá tvaru formy. Při výrobě fasádního EPS, kde má forma tvar kvádru, je vyrobený EPS blok po vyzrání rozřezán teplým odporovým drátem na desky, které se následně zabalí a expedují. Výroba obalů z EPS probíhá stejným způsobem, liší se pouze tvarem forem.

Důležitou vlastností EPS je velmi nízká hustota (objemová hmotnost) pohybující se v rozmezí 11 až 35 kg/m3, kdy nejčastěji bývá 18 kg/m3.

Nadouvadla a přísady

Nadouvadla jsou látky přidávané při výrobě do polymerů. Obecně se různé přísady přidávají proto, aby zlepšovaly vlastnosti polymerů, jako je zpracovatelnost, ochrana materiálu před degradačními procesy (např. při výrobě izolačních desek se přidávají látky pro snížení hořlavosti - prostřednictvím tzv. tepelných stabilizátorů), snížení hmotnosti apod., ale mohou také snižovat náklady na výrobu a výslednou cenu. EPS má výborné izolační vlastnosti, proto je hojně využíván ve stavebnictví. Pěnový polystyren (EPS) je upraven tak, aby byl samozhášivý. Této bezpečnostní vlastnosti je dosaženo přidáním speciálních zpomalovačů hoření do jeho struktury. Znamená to, že po oddálení plamene polystyren sám zhasne. Proto se EPS hojně používá ve stavebnictví k izolaci budov, aniž by se zvyšovalo riziko požáru.

Využití: EPS má výborné izolační vlastnosti, proto je hojně využíván ve stavebnictví - používá se k výrobě speciálních stavebních desek k zateplení fasád (tzv. fasádní polystyren nebo ve formě desek k tepelné či zvukové izolaci podlah). Slouží např. k výrobě podnosů, talířů, misek, termoboxů či kelímků na nápoje. Pro své vlastnosti je taktéž ceněný v obalovém průmyslu, kde bývá součástí obalů křehkých předmětů jako tzv. ochranný obal tlumící nárazy při manipulaci a dopravě. V podobě kuliček se polystyren používá při výrobě sedacích pytlů jako výplň. Ve stavitelství se používá polystyren zejména v deskách o plošném rozměru 0,5 x 1,0 metru. Tloušťky jsou různé - dle potřeby (cca od jednoho do několika centimetrů). Osvědčil se takto například v tepelných izolacích domů (fasád) nejčastěji EPS 70 F, nebo EPS 100 F - kontaktní zateplovací systém. Číslo značí pevnost v tlaku v kPa (kilopascal) - 50, 70, 100, 150, 200 až 250 (v 10% stlačení). F - fasádní - pro kontaktní zateplování. Zde se požaduje maximální přesnost rozměrů desek (tolerance v úhlopříčkách desky max. 2 mm).

Vytlačovaný pěnový polystyren (XPS)

Pěnový tepelně izolační polymerní materiál, který vzniká díky tepelné úpravě zpěňovatelného polystyrenu (EPS). Tento polystyren lze tvarovat a dopěňovat při extruzi v extrudéru. Extruzí (vytlačováním) taveniny GPPS za současného sycení vypěňovadlem vzniká materiál s minimální nasákavostí a velkou pevností. Nenasákavý, různé barevné provedení. Vyrábí se extruzí (vytlačováním) taveniny krystalového polystyrenu za současného sycení vzpěňovadlem, které po uvolnění tlaku umožní na konci vytlačovací hubice napěnění materiálu.

Čtěte také: Jak na OSB podlahu

Ačkoliv na první pohled vypadá stejně jako pěnový polystyren, odlišnosti lze spatřit v místě lomu, kdy XPS je na lomu hladký, kdežto pěnový polystyren má patrné jednotlivé buňky. Zároveň bývá často obarven například na růžovou nebo zelenou barvu.

Využití: Používá se hojně ve stavebnictví např. jako izolace spodní části stavby - má vysokou odolnost v tlaku a proti mechanickému zatížení, nevadí mu styk s vodou ani zeminou. Uplatňuje se zejména jako tepelná izolace v přímém styku s vlhkostí (spodní stavba, inverzní ploché střechy) nebo izolace s vysokým zatížením (průmyslové podlahy, parkoviště, střešní terasy apod.). Své místo má rovněž ve výrobě obalů.

Použití polystyrenu

Polystyren je extrémně univerzální materiál, díky kterému je použitelný v různých oborech a průmyslových odvětvích.

Stavebnictví

Díky své struktuře je polystyren vynikajícím izolačním materiálem, který se používá ve stavebnictví, např. jako tepelná izolace fasád. Ve stavitelství se používá polystyren zejména v deskách o plošném rozměru 0,5 x 1,0 metru. Polystyren je klíčovým materiálem při zateplování budov.

Obalový průmysl

Z polystyrenu se zhotovují kuchyňské potřeby − jako jsou misky a struhadla, hračky, atd. Jeho použití známe z praxe jako součást obalů (cédéčka a DVDéčka, přepravky, víka, láhve, podnosy, štamprlata, kelímky, nože). Vyrábí se také obaly nebo jednorázové nádobí (talíře, kelímky, misky, příbory aj.).

Zábavní průmysl

Překvapivě hraje polystyren důležitou roli také v zábavním průmyslu. Jak odhalili filmaři, právě tento materiál se často používá při výrobě falešných drog v televizních pořadech a filmech. Kromě toho se polystyren často používá k výrobě velkých kulis a kulis, které musí být lehké a snadno se s nimi manipuluje. V animovaných filmech a žánrech science fiction se polystyren EPS používá k výrobě miniaturních modelů městských krajin nebo vesmírných lodí. Řezání horkým drátem (teplota 200-300 °C) umožňuje vytvářet přesné tvary, například křídla modelů letadel pro dokumentární záběry. V kombinaci s CGI (Computer-Generated Imagery) slouží polystyren jako podklad pro snímání pohybu. Pro filmové účely se nejčastěji používá expandovaný polystyren (EPS), který se získává předpěněním granulátu při teplotách nad 90 °C. V kontextu filmové produkce se EPS často formuje do specifických tvarů, jako jsou “kokainové cihly” pro kriminální seriály. Technologie lisování bloků (až do výšky 5 m) a jejich následné řezání do desek umožňuje vytvářet přesné repliky, které jsou vizuálně k nerozeznání od skutečných objektů. Díky své snadné zpracovatelnosti se polystyren často používá k výrobě dekorací, kulis, modelů staveb nebo soch.

Další aplikace

  • Elektrotechnika
  • Spotřební výrobky pro každodenní použití
  • Výroba modelů, vyložených tašek

Některé výrobky z EPS je nově zakázáno uvádět na trh na základě směrnice o jednorázových plastech (SUPD). Zákaz se však vztahuje jen na velmi malý okruh obalů, zejména balení potravin a nápojů určených k okamžité spotřebě, např. kelímky a termoobaly na jídlo.

Recyklace polystyrenu

Polystyren je rozšířeným plastovým materiálem s celou řadou forem a možností využití. Jeho specifikem jsou různé odpadové toky lišící se zejména způsobem sběru. Jelikož se polystyren používá také jako obalový materiál, končí odpad z něj i v obecních systémech. Odtud se předává k dalšímu zpracování a při splnění některých podmínek může být úspěšně recyklován, neboť dobrá recyklovatelnost je jednou z výhod tohoto materiálu. Odpověď zní ano, je možné zpracovat a znovu použít např. jednorázové potravinářské obaly z polystyrenu.

Třídění odpadu

Odpady z GPPS a HIPS obvykle končí ve žlutých kontejnerech na sběr plastů, odkud putují na dotřiďovací linky. Na ručních dotřiďovacích linkách se zpravidla nedotřiďují na úroveň samotného polymeru, ale většinou jsou součástí směsných plastů určených k regranulaci nebo intruzi do forem. Automatizované linky však dokážou PS snadno dotřídit jako samostatný materiál a nabízet ho k dalšímu využití. Stavební polystyren do nádob určených pro třídění plastů nepatří! Aby byl polystyren účinně recyklován, je důležité nevyhazovat ho do směsného odpadu, ale odvážet ho na místa k tomu určená.

Metody recyklace

Neznečištěný polystyren můžeme znovu použít k výrobě nových obalů a izolací. Odpad, který je znečištěný, je možné využít k výrobě lehčeného betonu, izolačních omítek nebo zásypů. Dále se může použít k odlehčení zahradních substrátů. EPS je s ohledem na své jednoduché chemické složení dobře recyklovatelný, a to hned několika metodami.

Regranulace

EPS lze regranulovat klasickými recyklačními postupy. Výsledným produktem je rPS granulát, jenž má vlastnosti a použití obdobné s GPPS. Pro regranulaci se EPS dodává obvykle drcený a za studena lisovaný do hranolů nebo tavený do ingotů, a to zejména z důvodu snižování přepravních nákladů. Výroba ingotů je technologicky náročnější a méně rozšířená, naopak drcení a lisování provádí celá řada svozových firem. EPS pro regranulaci musí být maximálně čistý, a to z důvodu citlivosti recyklační technologie zejména na přítomnost stavebních hmot. V ČR jsou provozovány technologie na regranulaci PS včetně EPS a XPS.

Výroba drtě

Výroba EPS drti je v ČR poměrně rozšířená, avšak v západní Evropě téměř neznámá metoda, která není technologicky náročná. Pomocí drtičů se rozbije struktura EPS až na úroveň jednotlivých buněk (kuliček). Vzniklý materiál se používá pro stavebně izolační zásypy, foukané izolace nebo jako příměs do lehčených a izolačních betonů. K recyklaci se EPS dodává volně ložený, XPS se touto metodou nezpracovává.

Problémy s recyklací fasádního polystyrenu

Závažnou komplikací pro recyklaci EPS je přítomnost inhibitorů hoření ve fasádním pěnovém polystyrenu. Před rokem 2015 se běžně používal hexabromcyklododekan (HBCD, nebo též HBCDD), u něhož existuje silné podezření na karcinogenní vlastnosti a škodlivost pro životní prostředí, a proto bylo jeho používání zakázáno. Nicméně zejména ve starším fasádním polystyrenu, typicky v tom, který je doposud součástí opláštění budov, se stále vyskytuje. Zpracovatelé odpadního polystyrenu nemohou HBCD odstranit běžnými způsoby, a proto EPS, který jej obsahuje, nepřijímají.

tags: #polystyren #chemicka #reakce #informace

Oblíbené příspěvky: