Технология производства и потребительские свойства полистирола ударопрочного

 

Полистирол легко растворим  в собственном мономере, ароматических  углеводородах, сложных эфирах, ацетоне. Не растворяется в низших спиртах, алифатических  углеводородах, фенолах, простых эфирах. Полимер обладает низким влагопоглощением, устойчив к радиоактивному излучению, к кислотам и щелочам, однако разрушается под действием концентрированной азотной кислоты и ледяной уксусной. На воздухе при УФ облучении полистирол подвергается старению: появляются желтизна и микротрещины, происходит помутнение, увеличивается хрупкость. Термодеструкция начинается при 200 °С и сопровождается выделением мономера. Недостатки полистирола – его хрупкость и низкая теплостойкость. При температурах выше 60°С снижается формоустойчивость.

Для получения материалов, обладающих более высокой теплостойкостью  и ударной прочностью, чем полистирол, используют его смеси с другими  полимерами и сополимеры стирола. Наибольшее промышленное значение имеют блок- и привитые сополимеры, а также статистические сополимеры стирола с акрилонитрилом, акрилатами и метакрилатами, α-метилстиролом и малеиновым ангидридом.

Полистирол обладает средней газопроницаемостью, но высокой  паропроницаемостью. Паропропускание  быстро понижается при отрицательных температурах, что позволяет использовать полистирол для упаковки продуктов при низких температурах.

Полистирол имеет отличные электрофизические свойства – низкие диэлектрические потери, высокую  электрическую прочность, высокое  объемное сопротивление. Химически он стоек к сильным кислотам и щелочам, нерастворим в углеводородах алифатического ряда и слабых спиртах; растворим в ароматических углеводородах, высших спиртах, сложных эфирах и хлорированных углеводородах. Из ориентированной ПС пленки можно получать термоформованием очень сложные изделия.

 

Свойства ударопрочного  полистирола:

 

- Легок в обработке 
- Легко режется 
- Прочный 
- Стойкий к высоким температурам 
- Легкость  
- Гибкость 
- Влагостойкость 
- Химическая стойкость к кислотам и щелочам 
- Повышенная ударопрочность 
- Морозостойкость до – 40С 
- Отличная формуемость

4. Технология  производства полистирола ударопрочного и ее технико-экономическая оценка.

 

Ударопрочный полистирол производится методом непрерывной  полимеризации в массе. Продукт  выпускается в виде стабилизированных  гранул в окрашенном и неокрашенном виде и представляет собой сополимер  стирола с полибутадиеном. Применяемая  технология получения ударопрочного полистирола обеспечивает высокую однородность материала, отсутствие включений гель-образований и низкое содержание остаточного мономера в соответствии с требованиями Европейских стандартов.

В промышленности полистирол получают радикальной полимеризацией стирола. Методы получения полистиролов отличаются  по циклу работы, съему продукции с единицы объема, условиям проведения процесса полимеризации. От конкретного метода производства зависят свойства получаемого полистирола. Различают 4 способа полимеризации стирола: полимеризацию в массе (блоке) мономера, полимеризацию мономера в эмульсии (в основном производство АБС - пластиков), суспензионную полимеризацию (ударопрочный полистирол и пенополистирол) и полимеризацию в растворе (блок-сополимеры бутадиена и стирола).

Для получения ударопрочных сополимеров стирола с каучуком наиболее широко применяют метод  блочно-суспензионной полимеризации, при котором сначала полимеризацию  ведут в массе (до достижения конверсии 20% - 40%), а затем в водной дисперсии.

Общей тенденцией развития технологии синтеза является увеличение мощности единичных агрегатов, как за счет возрастания реакционных объемов, так и за счет интенсификации режимов синтеза. В настоящее время производительность единичных агрегатов синтеза достигает 15-30 тыс. тонн полимера в год.

 

4.1 Полимеризация в массе.

Метод производства полистиролов полимеризацией в массе с неполной конверсией мономеров является в  настоящее время одним из наиболее распространенных в силу высоких  технико-экономических показателей.  В отечественной промышленности метод полимеризации в массе был выбран в качестве основного в 70-х годах, и в настоящее время по этому методу выпускается около 60% продукции. Этот метод имеет оптимальную схему технологического процесса. Процесс осуществляется 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. Полимеризацию прерывают при степени превращения стирола 80% - 90%. Непрореагировавший мономер удаляют из расплава полистирола под вакуумом, а затем с водяным паром до содержания стирола в полимере 0,01% - 0,05%. В полистирол вводят стабилизаторы, красители, антипирены и другие добавки и гранулируют. Блочный полистирол отличается высокой чистотой. Эта технология наиболее экономична (в ней отсутствуют операции промывки, обезвоживания и сушки мелкодисперсных продуктов) и практически безотходна (непрореагировавший стирол возвращается на полимеризацию). Проведение процесса  до неполной конверсии мономера (80% - 90%) позволяет использовать высокие скорости полимеризации, контролировать температурные параметры, обеспечивать допустимые вязкости полимеризуемой среды. При проведении процесса до более глубоких степеней превращения мономера, затрудняется отвод тепла от высоковязкой реакционной массы, становится невозможным вести полимеризацию в изотермическом режиме. Эта особенность процесса полимеризации в массе привела к тому, что все большее внимание уделяется другим способам производства, и, в первую очередь, суспензионному методу.

 

4.2 Суспензионная полимеризация.

 

Полимеризация в суспензии  – конкурирующий технологический  процесс, который развивается параллельно  с полимеризацией в массе, основан на малой растворимости виниловых мономеров в воде и на нейтральности последней в реакциях радикальной полимеризации. Процесс используется для получения продукта специальных марок, главным образом, пенополистирола. Суспензионный метод производства – полунепрерывный процесс – характеризуется наличием дополнительных технологических стадий (создание реакционной системы, выделение полученного полимера) и периодическим использованием оборудования на стадии полимеризации. Процесс проводится в реакторах объемом 10-50 м³, снабженных мешалкой и рубашкой. Стирол суспендируют в деминерализованной воде, используя стабилизаторы эмульсии; инициатор полимеризации (органические пероксиды) растворяют в каплях мономера, где и происходит полимеризация. В результате образуются крупные гранулы в суспензии полимера в воде.

Полимеризацию ведут  при постепенном повышении температуры  от 40 до 130°С под давлением в течение 8-14 часов. Из полученной суспензии полимер  выделяют центрифугированием, после  чего его промывают и сушат. Закономерности суспензионной полимеризации близки к закономерностям полимеризации в массе мономера, но существенно облегчены теплоотвод и перемешивание компонентов системы.

 

4.3 Эмульсионная полимеризация.

 

В производстве полистирола  эмульсионный метод ведения полимеризации не получил такого развития, как полимеризация в массе или суспензии. Это обусловлено тем, что при эмульсионной полимеризации получают продукт слишком высокого молекулярного веса. Чаще всего для последующей переработки его необходимо вальцевать либо каким-то другим методом снижать его молекулярный вес. Основное направление его применения – получение полупродукта для последующего производства пенополистирола прессовым методом.

Система эмульсионной полимеризации  содержит стирол, воду, как дисперсионную  среду, водорастворимый инициатор (персульфат калия), ионный эмульгатор, различные добавки, в частности призванные регулировать рН среды. Полимеризация протекает в мицеллах эмульгатора, содержащих мономер. Образующийся полимер представляет собой высокодисперсную суспензию (латекс), не растворимую в воде. Система в целом является многокомпонентной, что затрудняет выделение полимера в чистом виде. Поэтому используются различные приемы его отмывки. Применение метода постепенно сокращается, так как он сопряжен с большим количеством сточных вод.

 

5. НТД на полистирол ударопрочный, нормируемые показатели качества в соответствии с требованиями стандартов.

 

5.1 Стандарты, в соответствии с которыми выпускается полистирол.

 

Код МКС 83.080.20

 

Раздел 83 – Резиновая и пластмассовая промышленность.

Группа 83.080 – Пластмассы

Подгруппа 83.080.20 – Термопластичные материалы

 

ГОСТ 15820-82 (01.07.1983)

Полистирол и сополимеры стирола. Газохроматографический метод  определения остаточных мономеров  и неполимеризующихся примесей.

 

ГОСТ 28250-89 (01.01.1991)

Полистирол ударопрочный. Технические условия.

 

Полистирол ударопрочный должен изготавливаться в соответствии с ГОСТом 28250-89 (01.01.1991).

В зависимости от назначения ударопрочный полистирол выпускают  различных марок, которые делятся  по величине показателя ударной вязкости на три группы (табл.2)

 

Таблица 2. Марки ударопрочного полистирола

 

Группа и марка ударопрочного  полистирола	Назначение
Сверхударопрочный полистирол УПС-1002	Для изготовления деталей радиотехнического  и электротехнического назначения, требующих повышенных механических свойств
Полистирол высокой  ударопрочности УПС-0803Э	Для изготовления листов и деталей  внутренней облицовки холодильников, морозильников и их комплектующих
УПС-0703Э	Для изготовления листов и внутренних деталей холодильников с рабочим режимом камеры не ниже -18°С
УПМ-424	Для изготовления листов, внутренних деталей холодильников, деталей  технического назначения, товаров народного  потребления.
УПС-0801	Для изготовления изделий и тары, предназначенной для контакта с пищевыми продуктами
Упс-0803Л	Для изготовления крупногабаритных изделий  технического назначения и товаров  народного потребления, комплектующих  деталей холодильников
Полистирол средней  ударопрочности УПМ-0612Л УПМ-0508	Для изготовления изделий технического назначения и товаров народного потребления
УПМ-0503Э УПМ-0503Л	Для изготовления различных изделий  и тары, предназначенных для контакта с пищевыми продуктами

 

Условное обозначение  ударопрочного полистирола состоит  из сокращенного названия полимера (УПМ или УПС), цифрового обозначения марки, рецептуры стабилизации, рецептуры окрашивания, сорта и обозначения стандарта. Т. е. буквы УП обозначают ударопрочный, за ними 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.

Индексы «Л» и «Э»  обозначают рекомендуемые способы  переработки данного полимера - литьем под давлением или экструзией соответственно. Отсутствие индекса указывает на возможность переработки полимера обоими способами.

Ударопрочный полистирол всех марок выпускают стабилизированным.

Ударопрочный полистирол выпускают в виде окрашенных и неокрашенных гранул. Допускается по согласованию с потребителем выпуск марок УПС в виде бисера (продукт, не прошедший грануляцию).

5.2 Характеристики.

 

1. Ударопрочный полистирол по показателям качества должен соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 3 (в качестве примера соответствия стандарту выбран полистирол марки УПС-0803Л).

 

Таблица 3. Характеристика сверхударопрочного полистирола марки УПС-0803Л.

 

Наименование показателя	Норма для ударопрочного  полистирола марки  УПС-0803Л
1) Размер гранул	Гранулы с наибольшим размером от 2 до 5 мм (от 2 до 3 мм). Допускается не более 1% гранул размером от 5 до 8 мм и  не более 1% гранул размером от 1,5 до 2 мм
2) Чистота полимера: чистота поверхности диска	Поверхность диска должна быть чистой. Допускается одно включение диаметром 0,2 - 0,3 мм на поверхностях дисков в пересчете на площадь, см2
3) Массовая доля остаточного  мономера и примесей, %, не более:       стирола       этилбензола	0,08 0,10
4) Массовая доля воды, %, не более	0,1
5) Ударная вязкость: на образцах с надрезом по Шарпи, кДж/м², не менее	7,8(8,0)
6) Показатель текучести расплава, г/10 мин	2,5-5,0
7) Разброс показателя текучести  расплава пределах одной партии,%	-(±10)
8) Относительное удлинение при  разрыве, %, не менее	30