В широком разнообразии полимерных материалов особое место занимает полистирол. Из этого материала производят огромное количество различных пластиковых изделий как для бытового, так и для промышленного использования. Сегодня мы с вами познакомимся с формулой полистирола, его свойствами, способами получения и направлениями использования.

Общая характеристика

Полистирол является синтетическим полимером, относящимся к классу термопластов. Как можно понять из названия, он представляет собой продукт полимеризации винилбензола (стирола). Это твердый стеклообразный материал. Формула полистирола в общем виде выглядит следующим образом: [СН 2 СН(С 6 Н 5)] n . В сокращенном варианте она выглядит так: (C 8 H 8) n . Сокращенная формула полистирола встречается чаще.

Химические и физические свойства

Наличие фенольных групп в формуле структурного звена полистирола препятствует упорядоченному размещению макромолекул и образованию кристаллических структур. В этой связи материал является жестким, но хрупким. Он представляет собой аморфный полимер с малой механической прочностью и высоким уровнем светопропускания. Он производится в виде прозрачных цилиндрических гранул, из которых путем экструзии получают необходимую продукцию.

Полистирол является хорошим диэлектриком. Он растворяется в ароматических углеводородах, ацетоне, сложных эфирах, и собственном мономере. В низших спиртах, фенолах, алифатических углеводородах, а также простых эфирах полистирол не растворим. При смешивании вещества с другими полимерами, происходит «сшивание», в результате которого образуются сополимеры стирола, обладающие более высокими конструктивными качествами.

Вещество обладает низким влагопоглощением и устойчивостью к радиоактивному облучению. Вместе с тем оно разрушается под действием ледяной уксусной, и концентрированной азотной кислот. При воздействии ультрафиолета полистирол портится - на поверхности образуется микротрещины и желтизна, увеличивается его хрупкость. При нагревании вещества до 200 °С оно начинает разлагаться с выделением мономера. При этом, начиная с температуры в 60 °С, полистирол теряет форму. При нормальной температуре вещество не токсично.

Основные свойства полистирола:

1. Плотность - 1050-1080 кг/м 3 .
2. Минимальная рабочая температура - 40 градусов мороза.
3. Максимальная рабочая температура - 75 градусов тепла.
4. Теплоемкость - 34*10 3 Дж/кг*К.
5. Теплопроводность - 0,093-0,140 Вт/м*К.
6. Коэффициент термического расширения - 6*10 -5 Ом·см.

В промышленности полистирол получают с помощью радикальной полимеризации стирола. Современные технологии позволяют проводить этот процесс с минимальным количеством непрореагировавшего вещества. Реакция получения полистирола из стирола осуществляется тремя способами. Рассмотрим отдельно каждый из них.

Эмульсионный (ПСЭ)

Это самый старый метод синтеза, который так и не получил широкого промышленного применения. Эмульсионный полистирол получают в процессе полимеризации стирола в водных растворах щелочей при температуре 85-95 °С. Для этой реакции необходимы такие вещества: вода, стирол, эмульгатор и инициатор процесса полимеризации. Стирол предварительно избавляют от ингибиторов (гидрохинона и трибутил-пирокатехина). Инициаторами реакции выступают водорастворимые соединения. Как правило, это персульфат калия или двуокись водорода. В качестве эмульгаторов применяют щелочи, соли сульфокислот и соли жирных кислот.

Процесс происходит следующим образом. В реактор наливают водный раствор касторового масла и при тщательном перемешивании вводят стирол вместе с инициаторами полимеризации. Полученную смесь греют до 85-95 градусов. Растворенный в мицеллах мыла мономер, поступая из капель эмульсии, начинает полимеризоваться. Так получаются полимер-мономерные частицы. На протяжении 20 % времени реакции мицеллярное мыло идет на образование слоев адсорбции. Далее процесс идет внутри частиц полимера. Реакция завершается, когда содержание стирола в смеси будет составлять примерно 0,5 %.

Далее эмульсия поступает на стадию осаждения, позволяющую снизить содержание остаточного мономера. С этой целью ее коагулируют раствором соли (поваренной) и высушивают. В результате получается порошкообразная масса с размером частиц до 0,1 мм. Остаток щелочи сказывается на качестве получаемого материала. Устранить примеси полностью невозможно, а их наличие обуславливает желтоватый оттенок полимера. Этот метод позволяет получить продукт полимеризации стирола с наибольшей молекулярной массой. Получаемое таким способом вещество имеет обозначение ПСЭ, которое периодически можно встретить в технических документах и старых учебниках по полимерам.

Суспензионный (ПСС)

Этот метод осуществляется по периодической схеме, в реакторе, оборудованном мешалкой и теплоотводящей рубашкой. Для подготовки стирола его суспензируют в химически чистой воде с помощью стабилизаторов эмульсии (поливиниловый спирт, полиметакрилат натрия, гидроксид магния), а также инициаторов полимеризации. Процесс полимеризации проходит под давлением, при постоянном повышении температуры, вплоть до 130 °С. В итоге получается суспензия, из которой первичный полистирол отделяют с помощью центрифугирования. После этого вещество промывают и высушивают. Этот метод также считается устаревшим. Он пригоден в основном для синтезирования сополимеров стирола. Его применяют в основном в производстве пенополистирола.

Блочный (ПСМ)

Получение полистирола общего назначения в рамках этого метода можно проводить по двум схемам: полной и неполной конверсии. Термическая полимеризация по непрерывной схеме осуществляется на системе, состоящей из 2-3 последовательно соединенных колонных аппаратов-реакторов, каждый из которых оборудован мешалкой. Реакцию проводят постадийно, увеличивая температуру с 80 до 220 °С. Когда степень превращения стирола доходит до 80-90 %, процесс прекращается. При методе неполной конверсии степень полимеризации достигает 50-60 %. Остатки непрореагировавшего стирола-мономера удаляют из расплава путем вакуумирования, доводя его содержание до 0,01-0,05 %. Полученный блочным методом полистирол отличается высокой стабильностью и чистотой. Эта технология является наиболее эффективной, в том числе и потому, что практически не имеет отходов.

Применение полистирола

Полимер выпускается в виде прозрачных цилиндрических гранул. В конечные изделия их перебарывают путем экструзии или литья, при температуре 190-230 °С. Из полистирола производят большое количество пластиков. Распространение он получил благодаря своей простоте, невысокой цене и широкому ассортименту марок. Из вещества получают массу предметов, которые стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни (детские игрушки, упаковка, одноразовая посуда и так далее).

Полистирол широко используют в строительстве. Из него делают теплоизоляционные материалы - сэндвич-панели, плиты, несъемные опалубки и прочее. Кроме того, из данного вещества производят отделочные декоративные материалы - потолочные багеты и декоративную плитку. В медицине полимер используют для производства одноразовых инструментов и некоторых деталей в системах переливания крови. Вспененный полистирол также применяют в системах для очистки воды. В пищевой промышленности используют тонны упаковочного материала, сделанного из данного полимера.

Существует и ударопрочный полистирол, формула которого изменяется путем добавления бутадиенового и бутадиенстирольного каучука. На этот вид полимера приходится более 60 % всего производства полистирольного пластика.

Благодаря предельно низкой вязкости вещества в бензоле можно получить подвижные растворы в придельных концентрациях. Этим обуславливается использование полистирола в составе одного из видов напалма. Он играет роль загустителя, у которого по мере увеличения молекулярной массы полистирола уменьшается зависимость «вязкость-температура».

Преимущества

Белый термопластичный полимер может стать отличной заменой пластику ПВХ, а прозрачный - оргстеклу. Популярность вещество получило главным образом благодаря гибкости и легкости в обработке. Оно отлично формуется и обрабатывается, предотвращает потери тепла и, что немаловажно, имеет низкую стоимость. Благодаря тому, что полистирол может хорошо пропускать свет, его даже используют в остеклении зданий. Однако размещать такое остекление на солнечной стороне нельзя, так как под действием ультрафиолета вещество портится.

Полистирол давно используется для изготовления пенопластов и сопутствующих материалов. Теплоизоляционные свойства полистирола во вспененном состоянии, позволяют использовать его для утепления стен, пола, кровли и потолков, в зданиях различного назначения. Именно благодаря обилию утеплительных материалов, во главе которых стоит пенополистирол, простые обыватели знают о рассматриваемом нами веществе. Эти материалы отличаются простой в использовании, устойчивостью к гниению и агрессивным средам, а также отличными теплоизоляционными свойствами.

Недостатки

Как и у любого другого материала, у полистирола есть недостатки. Прежде всего, это экологическая небезопасность (речь идет об отсутствии методов безопасной утилизации), недолговечность и пожароопасность.

Переработка

Сам по себе полистирол не представляет опасности для окружающей среды, однако некоторые продукты, полученные на его основе, требуют особого обращения.

Отходы материала и его сополимеров накапливаются в виде изделий, вышедших из употребления, и промышленных отходов. Вторичное использование полистирольных пластиков, производится несколькими путями:

1. Утилизация промышленных отходов, которые были сильно загрязнены.
2. Переработка технологических отходов методами литья, экструзии и прессования.
3. Утилизация изношенных изделий.
4. Утилизация смешанных отходов.

Вторичное применение полистирола позволяет получить новые качественные изделия со старого сырья, не загрязняя при это окружающую среду. Одним из перспективных направлений переработки полимера является производство полистиролбетона, который применяется в строительстве зданий малой этажности.

Продукты разложения полимера, образующиеся при термодеструкции или термоокислительной деструкции, токсичны. В процессе переработки полимера путем частичной деструкции могут выделяться пары бензола, стирола, этилбензола, оксида углерода и толуола.

Сжигание

При сжигании полимера выделяется диоксид углерода, монооксид углерода и сажа. В общем виде уравнение реакции горения полистирола выглядит так: (С 8 Н 8) n + О 2 = СО 2 + Н 2 О. Сжигание полимера, содержащего добавки (компоненты увеличивающие прочность, красители и т. д.), приводит к выбросу ряда других вредных веществ.

Задание 449 (ш)
Как получают в промышленности стирол? Приведите схему его полимеризации. Изобразите с помощью схем линейную и трехмерную структуры полимеров.
Решение:

Получение и полимеризация стирола

Большую часть стирола (около 85 %) в промышленности получают дегидрирование м этилбензола при температуре 600-650°С, атмосферном давлении и разбавлении перегретым водяным паром в 3 - 10 раз. Используются оксидные железо-хромовые катализаторы с добавкой карбоната калия.

Другой промышленный способ, которым получают оставшиеся 15 %, заключается в дегидратации метилфенилкарбинола , образующегося в процессе получения оксида пропилена из гидропероксида этилбензола. Гидропероксид этилбензола получают из этилбензола некаталитическим окислением воздуха.

Схехма анионоидной полимеризации стирола :

Полистирол – термопластичный аморфный полимер с формулой:

[СН 2 =С(С 6 Н 5)Н]n ------------> [-СН 2 - С(С 6 Н 5)Н -]n
стирол полистирол

Полимеризация стирола происходит при действии амидов натрия или калия в жидком аммиаке.

Структуры полимеров:

Особенность линейных и разветвленных полимеров - отсутствие первичных (химических) связей между макромолекулярными цепями; между ними действуют особые вторичные межмолекулярные силы.

Линейные молекулы полимеров:

Разветвленные линейные молекулы:

Если макромолекулярные цепи соединены между собой химическими связями, образующими ряд поперечных мостиков (трехмерный каркас), то структура такой сложной макромолекулы носит название пространственной. Валентные связи в пространственных полимерах расходятся во все стороны беспорядочно. Среди них выделяют полимеры с редким расположением поперечных связей. Эти полимеры называют сетчатыми.

Трехмерные структуры полимеров:

Сетчатая структура полимера:

Полистирол

Рис. 1. Линейная структура полистирола

Полиорганосилоксан

Рис. 2. Трехмерная структура полиорганосилоксана

Что же такое полимеризация?

Рассмотрим основные

и связанные с ними процессы, ведь, оказывается, почти весь наш мир — полимерный.

Полимеризация – это реакция образования высокомолекулярного соединения из низкомолекулярного. Высокомолекулярное соединение (полимер) – это вещество с большой молекулярной массой, состоящее из многократно повторяющихся сегментов (структурных звеньев), связанных между собой.

Где мы в повседневной жизни можем встретить полимеры?

Везде. Куда бы вы ни поглядели. Полимеры глубоко связались с нашей жизнью, собственно и образовали ее.

Ткани (как синтетические, так и натуральные), пластмассы, резина образованны полимерами. Кроме того, мы сами – тоже состоим из полимеров.

Вспомним определение жизни по Энгельсу:

«Жизнь есть способ существования белковых тел…».

Белки – это природные биополимеры, так же к биополимерам относятся нуклеиновые кислоты и полисахариды .

Какие вещества могут вступать в реакцию полимеризации?

Ответ простой: вещества, содержащие кратные (двойные, тройные) связи .

Давайте рассмотрим первое — схему реакции образования полиэтилена (из него делают пакеты, бутылки, упаковочную пленку и многое другое):

Как мы видим, π-связь рвется, и атомы углерода одной молекулы связываются с атомами углерода соседних молекул. Так образуется длинная цепь полимера. Так как длина полимера может достигать нескольких сотен структурных звеньев, точное число которых, предсказать невозможно, так как в разных молекулах она различная и чтобы не записывать целиком эту цепь, реакцию полимеризации записывают следующим образом:

Где, n – число структурных звеньев в молекуле.

Исходное низкомолекулярное вещество, вступающее в реакцию полимеризации, называется мономер.

Не следует путать структурное звено с мономером.

Мономер и структурное звено имеют одинаковый качественный и количественный состав, но разное химическое строение (отличаются друг от друга количеством кратных связей).

Уравнения полимеризации:

Реакции получения наиболее часто встречающихся полимеров:

1. Образование изопренового каучука (природный каучук тоже изопреновый, но строго цис- строения) из 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена):

1. Образование полистирола (пластмасса) из винилбензола (стирола):

1. Образование полипропилена из пропена (пропилена):

Каучуки – это группа полимеров, объединенные общими качествами (эластичность, электроизоляция и т.д.), сырье для производства резины. Раньше для этого использовали натуральный каучук из сока так называемых каучуконосных растений. Позже стали изготавливать искусственные каучуки.

В СССР в 1926 году был объявлен конкурс на лучший способ получения синтетического каучука. Конкурс выиграл Лебедев С.В.

Его метод заключался в следующем:

из этилового спирта производили бутадиен-1,3. Этиловый спирт получали брожением из растительного сырья, которого в СССР было предостаточно, это делало производство дешевле. Бутадиен-1,3 после полимеризации образовывал синтетический каучук:

Чтобы превратить каучук в резину, его подвергают вулканизации.

Вулканизация – это процесс сшивания нитей полимера-каучука в единую сеть, вследствие чего улучшается эластичность, прочность, устойчивость к органическим растворителям .

На схеме ни же показан процесс вулканизации бутадиеновго каучука, путем образования между молекулами полимера дисульфидных мостиков:

Следует отличать реакции полимеризации от реакций поликонденсации.

Реакция поликонденсации – это реакця образования высокомолекулярного соединения из низкомолекулярного, при которой выделяется побочный продукт (вода, аммиак, слороводород и др.)

Способность вещества вступать в реакцию поликонденсации обучлавливается у него наличием покрайней мере двух разных функциональных групп .

Рассмотрим на примере аминокислот :

Две аминокислоты соединились друг с другом, образовав пептидную связь, с выделением побочного продукта – воды. Если процесс продолжить – присоединять к этой цепи остатки аминокислот – по получим белок. Способность аминокислот вступать в реакцию поликонденсации обуславливает наличие в их строение двух функциональных групп: карбоксильной и аминогруппы. В результате реакции поликонденсации помимо полипептидов (белков), образуются нуклеиновые кислоты и полисахариды.

В погоне за качеством продукции, человек научился создавать такие стойкие полимеры, что они не разлагаются несколько тысяч лет. А иногда при разложении выделяют в окружающую среду опасные вещества. Это большая экологическая проблема. Сейчас открываются пункты переработки пластмасс.

Если мы все вместе будет сдавать туда пластмассовые отходы, то внесем огромный вклад в сохранение нашего общего дома – планеты Земля и ее природы.

Еще на эту тему:

Синтетические полимеры

В ХХ веке появление синтетических высокомолекулярных соединений – полимеров - было технической революцией. Полимеры получили очень широкое применение в самых различных практических областях. На их основе были созданы материалы с новыми во многом необычными свойствами, значительно превосходящими ранее известные материалы.

Полимеры – это соединения, молекулы которых состоят из повторяющихся единиц - мономеров.

Известны природные полимеры . К ним относятся полипептиды и белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты.

Синтетические полимеры получаются путем полимеризации и поликонденсации (см. дальше) низкомолекулярных мономеров.

Структурная классификация полимеров

а) линейные полимеры

Имеют линейное строение цепи. Их названия производятся от названия мономера с добавлением приставки поли -:

б) сетчатые полимеры:

в) сетчатые трехмерные полимеры:

Совместной полимеризацией различных мономеров получают сополимеры . Например:

Физико-химические свойства полимеров определяются степенью полимеризации (величина n) и пространственной структурой полимера. Это могут быть жидкости, смолообразные или твердые вещества.

Твердые полимеры по-разному ведут себя при нагревании.

Термопластичные полимеры – при нагревании расплавляются и после охлаждения принимают любую заданную форму. Это можно повторять неограниченное число раз.

Термореактивные полимеры – это жидкие или пластичные вещества, которые при нагревании затвердевают в заданной форме и при дальнейшем нагревании не расплавляются.

Реакции образования полимеров полимеризация

Полимеризация – это последовательное присоединение молекул мономера к концу растущей цепи. При этом все атомы мономера входят в состав цепи, и в процессе реакции ничего не выделяется.

Для начала реакции полимеризации необходимо активировать молекулы мономера с помощью инициатора. В зависимости от типа инициатора различают

радикальную,

катионную и

анионную полимеризацию.

Радикальная полимеризация

В качестве инициаторов радикальной полимеризации применяют вещества, способные при термолизе или фотолизе образовывать свободные радикалы, чаще всего это органические перекиси или азосоединения, например:

При нагревании или освещении УФ-светом эти соединения образуют радикалы:

Реакция полимеризации включается в себя три стадии:

Инициирование,

Рост цепи,

Обрыв цепи.

Пример – полимеризация стирола:

Механизм реакции

а) инициирование:

б) рост цепи:

в) обрыв цепи:

Радикальная полимеризация легче всего идет с теми мономерами, у которых образующиеся радикалы стабилизированы влиянием заместителей у двойной связи. В приведенном примере образуется радикал бензильного типа.

Радикальной полимеризацией получают полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полистирол и их сополимеры.

Катионная полимеризация

В этом случае активация мономерных алкенов производится протонными кислотами или кислотами Льюиса (BF 3 , AlCl 3 , FeCl 3) в присутствии воды. Реакция идет как электрофильное присоединение по двойной связи.

Например, полимеризация изобутилена:

Механизм реакции

а) инициирование:

б) рост цепи:

в) обрыв цепи:

Катионная полимеризация характерна для винильных соединений с электронодонорными заместителями: изобутилена, бутилвинилового эфира, α-метилстирола.

По сравнению с полимеризацией в блоке реакция полимеризации в растворе протекает с меньшей скоростью (при условии отсутствия инициаторов) и образующийся полимер имеет более низкую молекулярную массу. Средняя молекулярная масса полистирола зависит от условий полимеризации и типа растворителя. Величины молекулярной массы можно регулировать, подбирая тип и количество растворителя и температуру реакции.

Основные положения переноса цепи растворителем были сформулированы Флори, но Майо их расширил и ввел понятие «константы переноса», которую он рассматривал как частное от деления констант скорости переноса цепи растворителем и скорости роста цепи. Константы скорости роста близки друг другу в различных растворителях, но константы переноса цепи, а поэтому и степень полимеризации, различаются заметным образом.

При полимеризации стирола в среде бензола, циклогексана, трет- бутилбензола и толуола можно получить полимеры с большей молекулярной массой, чем при полимеризации в других растворителях, так как константы переноса цепи имеют наименьшее значение (табл.1).

Получение полимеров в растворе удобно для изготовления лаков. Для других целей полимер осаждают из раствора, прибавляя осадитель, в котором растворяется мономер, но не растворяется полистирол. В качестве таких растворителей - осадителей используют нефтяные углеводороды, метанол и этанол.

Другие методы выделения полистирола из раствора заключаются в отгонке растворителя под уменьшенным давлением или перегонке его с водяным паром. При любом из указанных методов полное удаление растворителя требует продолжительной сушки полимера в вакууме.

В промышленности процесс полимеризации стирола в растворе может быть осуществлен как периодическим , так и непрерывным методами.

Периодический метод включает три стадии производства:

1) полимеризацию в реакторе;

2) выделение полимера из раствора;

3) дробление и окрашивание полимера.

Непрерывный метод состоит из тех же стадий, но отличается тем, что начиная с подачи стирола и растворителя и кончая выгрузкой из сборника порошкообразного полимера, протекает непрерывно (рис.1).

Рис.1. Непрерывный метод полимеризации стирола в растворе

Стирол из мерника 1 и растворитель из мерника 2 в определенном соотношении смешиваются в насосе 3 и поступают в полимеризационные колонны 4,5 и 6, работающие последовательно. Все колонны снабжены мешалками и рубашками для обогрева и охлаждения. В процессе полимеризации выделяется большое количество тепла и значительно возрастает вязкость раствора. В каждой колонне контролируется температура в трех зонах и автоматически регулируется в соответствии с заданным режимом. В начале процесса (верх колонны 4) необходимо подогреть смесь стирола в растворителе до температуры полимеризации, а в остальных двух зонах колонны 4 и трех зонах колонны 5 - отводить теплоту реакции. В колонне 6 полимеризация протекает медленно, поэтому требуется подвод тепла извне.

Вязкий раствор полистирола в растворителе из колонны поступает в испаритель 7. Перед входом в этот аппарат поток раствора распределяется на отдельные струи (до 20). При 225 о С в испарителе происходит удаление растворителя и непрореагировавшего мономера, которые после конденсации и соответствующей очистки вновь возвращаются в производство. На рисунке показан возврат растворителя в мерник 2.

После удаления жидких компонентов раствора полистирол в виде размягченной массы направляется в экструзионную машину 8. Для каждой струи предусматривается как отдельная экструзионная машина, так и все последующее оборудование. Ленты полистирола на выходе из экструзионной машины охлаждаются водой в ванне 9, затем измельчаются с помощью дробилки 10. Измельченный полимер с помощью пневмотранспорта поступает в смазыватель 11, затем ссыпается в сборник 13. Затем порошкообразный полимер насыпают в мешки и взвешивают.

Качество готового продукта контролируют по вязкости 10%-ного раствора в толуоле, температуре размягчения и содержанию в нем летучих соединений.