Пластиковые стаканчики и столовые приборы, крышки, коробки и контейнеры, теплоизоляционные материалы — все это полистирол, самый популярный полимерный материал, который сегодня производят и предприятия СИБУРа. Но человечеству потребовалось больше века, чтобы научиться его делать.
Самый старый полимер?
Еще в 1786 году в «Словаре практической и теоретической химии» Уильяма Николсона упоминался эксперимент некого Ньюмана, который, перегоняя растительный бальзам, получил масло, превращающееся в смолу при нагревании. В 1839 году берлинский аптекарь Эдуард Симон повторил этот опыт, нагрев смолу бальзамного дерева стиракс (styrax). Эта смола еще в Древнем Египте использовалась в парфюмерии и для мумификации.
Получившаяся из стиракса коричневая маслянистая жидкость, которую Симон назвал стиролом, через несколько дней загустела и превратилась в желе. Саймон решил, что это результат окисления, и назвал конечный продукт оксидом стирола. Никакой пользы от этого вещества он не увидел и перестал им интересоваться. Однако это был первый в истории синтетический полимер, а Симон стал первым химиком, создавшим полимерный материал. Но до всемирного признания оставалось еще больше 100 лет.
Только в 1920-х годах немецкий химик Герман Штаудингер обнаружил, что нагрев стирола вызывает цепную реакцию, в ходе которой образуются длинные цепочки макромолекул. Именно это открытие привело к появлению технологии производства пластмасс, за что в 1953 году он получил Нобелевскую премию.
В 1922 году французские химики Шарль Дюфрес и Шарль Мурё обнаружили агенты, позволяющие замедлять скорость процесса полимеризации стирола. Когда опасная высокотемпературная реакции была взята под контроль, новым соединением заинтересовались промышленники, увидевшие в нем потенциал для производства стекла и утеплителей.
Как полистирол пришел в жизнь
Промышленное производство полистирола начала фирма IG Farben в Германии в 1931 году. За год до этого, в 1930-м, производством мономера стирола начала заниматься американская компания Dow Chemical, а через восемь лет — и полистирола.
В 1949 году в Германии предложили способ производства вспененного полистирола — пенополистирола, или же пенопласта, — в массу полимера вводились легкие углеводороды (типа пентана), которые при нагревании испарялись, оставляя после этого легкий пористый материал, содержащий 98% капсулированного воздуха и обладающий вследствие этого высокими теплоизоляционными свойствами. В том же году BASF запатентовал этот материал под названием «Стиропор». А в 1959 году в США изобрели полистирольную пену.
Вспененный полистирол (экструдированный пенополистирол) отличается прочностью и долговечностью — он может прослужить не менее 60 лет, его изобретение произвело буквально революцию в строительной отрасли.
Пенополистирол, в отличие от других материалов из сферы изоляции, не гигроскопичен, даже при полном погружении материала в воду уровни поглощения минимальны и составляют от 1 до 4% по объему. Температурный диапазон, в котором этот материал можно безопасно использовать без нарушения его свойств, не имеет ограничений по нижнему пределу, что касается верхнего предела — он составляет около 100 градусов Цельсия для кратковременных воздействий и около 80 градусов для непрерывных воздействий. По данным европейских исследований, при проведении тестов качества пенополистирольные изделия выдерживают более 300 циклов замораживания-оттаивания. Неудивительно, что восемь из десяти частных домов в Европе утеплены пенополистирольными плитами.
Полистиролы хорошие и разные
Свойства полистирола могут меняться в зависимости от способа его получения, молекулярной массы, полидисперсности и других факторов, рассказывает Анна Будеева, начальник лаборатории синтеза полимеров научно-исследовательского центра СИБУРа НИОСТ. В зависимости от способа получения и состава полистирола различают несколько его разновидностей:
— Полистирол общего назначения используется в бытовой сфере: на пищевом производстве, для изготовления декора, игрушек, бижутерии, рекламных конструкций.
— Ударопрочный полистирол усилен бутадиен-стирольным каучуком (или бутадиеновым каучуком), используется в строительстве, производстве бытовой техники и электроники, мебели, предметов освещения и посуды.— Экструдированный полистирол превосходит ударопрочный в устойчивости к растяжению и по упругости, обладает низкой теплопроводностью, устойчив к морозу и высоким температурам, не впитывает влагу, поглощает шум, не боится влажной среды, долговечен. Он широко применяется для тепло- и шумоизоляции зданий, в производстве промышленного холодильного оборудования, для строительства и отделки спортивных объектов.
— Вспененный полистирол (пенополистирол) применяется для утепления и шумоизоляции домов.
По словам Анны Будеевой, пластичность и прочность полистирола обусловлены особенностями процесса производства. С химической точки зрения полистирол представляет собой длинноцепочечный углеводород, в котором чередующиеся углеродные центры присоединены к бензольным кольцам. Свойства материала определяются ван-дер-ваальсовым притяжением между цепями полимеров. Поскольку молекулы состоят из тысяч атомов, общая сила притяжения между молекулами очень велика. При нагревании цепи могут приобретать более высокую степень прочности. Эта межмолекулярная слабость придает гибкость и эластичность цепи. Для повышения пластичности и ударопрочности в исходное сырье добавляются сополимеры и модифицирующие добавки.
Ученые продолжают создавать новые разновидности полистирола. Недавно появился светорассеивающий полистирол, рассказала Анна Будеева. Он может заменить акриловое стекло в конструкциях с внутренней подсветкой — светильниках и рекламных коробах.
Благодаря УФ-стабилизирующим добавкам светотехнический полистирол отражает прямые солнечные лучи. Его популярность обусловлена большей ударной прочностью (по сравнению с акрилом), легкостью обработки, стойкостью к окружающей среде и меньшей стоимостью. Низкая плотность материала и возможность применения более тонких (2–3 миллиметра) листов благодаря повышенной ударопрочности обеспечивает экономию в два раза при использовании светорассеивающего полистирола по сравнению с оргстеклом, говорит Будеева Анна.
Что касается пенополистирола, то из него производят защитную упаковку для бытовой техники и хрупких товаров, предметы отделки помещений. Хорошо он показывает себя и как утеплитель: на основе пенополистирола делают блоки для утепления фасадов и облицовки. Особое значение полистирол приобрел в сфере утепления труб — он пришел на смену стеклянной вате, как удобный и безопасный материал. Из полистирола делают так называемую скорлупу, в которую помещают трубу для защиты от промерзания, коррозии, ультрафиолета, влаги.
Как от него избавиться?
А как быть с предметами, созданными из полистирола, когда они отслужили свое? Эксперт испытательного центра СИБУР ПолиЛаб Виктория Одинцова говорит, что лучший вариант — это механическое измельчение. Полученная масса может быть смешана с новыми гранулами полистирола и использована в производстве новых изделий.
«Но отходы полистирола очень разнообразны по внешнему виду. Это осложняет их переработку. Также от способа синтеза существенно зависят свойства материала, но при повторной переработке разделить материал по методу синтеза достаточно сложно, поэтому в качестве вторичной гранулы на рынке представлены два вида полистирола: общего назначения и ударопрочный. Одно из преимуществ вторичного полистирола — его устойчивость к солнечному свету. Исследования ученых подтверждают, что для полистирола возможно применение многократного (до пяти циклов) процесса экструзии без существенной потери физико-механики», — говорит Виктория Одинцова.
Второй вариант: термодеструкция — процесс деполимеризации полистирола в его мономер стирол при высоком давлении и температуре, достигающей 430 градусов Цельсия, необходимых для разрушения химических связей между каждым соединением стирола. Но этот метод невыгоден, поскольку требует высокого расхода энергии.
Полистирол не биоразлагаем, но в 2015 году Вэймин Ву, биолог из Стэнфордского университета, обнаружил, что мучные черви, личинки чернотелого жука Tenebrio molitor, могут его переваривать. 90% продуктов переваривания полистирола покидает организм хрущаков через сутки после его поедания, этот помет безопасен для использования в качестве почвы для сельскохозяйственных культур. Остальной полистирол усваивается хрущаками, при этом насекомые не показывают никаких признаков отравления.
#всеполимеры
