Полістирол і кополімери стиролу

Полістирол [-СН₂-СН(С₆Н₅)-] п (бакеліт, вестірон, стірон, фостарен, едістер і ін.) - аморфний термопласт лінійної будови (полімер стиролу С₈Н₈ - ароматичного вуглеводню з кратними зв'язками в бокових лан­цюгах); полімеризаційна смола; молекулярна маса 250-350 тис, густина 1040-1050 кг/м³, Т_розм = 82-95°С; розчиняється в стиролі, хлорованих і ароматичних вуглеводнях, кетонах, не розчиняється у воді, спиртах, слабких розчинах кислот, лугів, аліфатичних вуглеводнях. Модуль при згині 2700-3200 МПа, твердість 140-150 МПа, коефіцієнт теплопровідності 0, 08-0, 12 Вт/(м-К); горючий, температура самоспалахування 440°С, під час нагрівання до 300°С деполімеризується; нижня концентрація межі вибуховості пилоповітряної суміші 25-27, 5 г/м³. Отримують радикальною полімеризацією стиролу в масі або суспензії. Застосовується як конструк-

ційний, електроізоляційний (у вигляді плівок, ниток), декоративно-оздоб­лювальний матеріал у приладо- і машинобудуванні, радіо- і електро­техніці; для виготовлення предметів широкого вжитку (іграшок, освітлю­вальної арматури, посуду разового використання і ін.).

Полістирол загального призначення (табл. 2.139) у залежності від способу отримання, випускається під назвою блочний (у вигляді гранул розміром не більше 10x6 мм або крупнозернистого порошку марок Д і Т за ГОСТ 9440-60), суспензійний (у вигляді гранул розміром 4x5 мм марок ПС-С і ПС-СП за МРТУ 6-05-928-64) і емульсійний (марок А у вигляді високодисперсного порошку або гранул розміром не більше 10x6 мм і Б у вигляді порошку за ГОСТ 9440-60), а також полімеризацією в середовищі розчинника (у вигляді лаку або порошку).

Таблиця 2.139- Характеристика полістиролу

Полістирол стійкий до лугів, багатьох галоїдноводневих та інших міне­ральних кислот, а також до деяких органічних кислот, трансформаторного мастила, гліцерину і інш. Винятком є 65% азотна кислота і льодяна оцтова кислота, в яких вироби з полістиролу набухають і дещо змінюють свій зовнішній вигляд. Полістирол не розчиняється в аліфатичних вуглеводнях, нижчих спиртах, ефірах, фенолі, оцтовій кислоті і воді. Полістирол розчи­няється в ароматичних і хлорованих вуглеводнях, складних ефірах, кето­нах, сірководні, пірідині. Значно набухає в бензині та гасі.

За високих температур (вище 200°С) полістирол розкладається з утворенням стиролу та інших низькомолекулярних сполук (димерів, три­мерів і інш.).

Полістирол удароміцний (карінекс, люстрекс, етерніт, стирон, хо-стирен і інш.) - термопластичний матеріал, який має двофазну структуру: неперервна фаза (матриця) - полістирол, дискретна фаза - каучук.

Густина 1050 кг/м³, Т_розм = 75-85°С. Випускається у вигляді гранул не більше 4x5 мм.

Пінополістирол - газонаповний матеріал на основі полістиролу, що називається пінопластом; має закриті пори. Спінені матеріали зі сполу­ченими порами називають поропластами. Позірна густина пінополісти­ролу 12-100 кг/м³, Т_розм = 80-90°С, модуль при згині 7-10 МПа, коефіцієнт теплопровідності 0, 027-0, 032 Вт/(мК), вологонепроникний. Застосову­ється як тепло- і звукоізоляційний матеріал при будівництві (у т. ч. для арктичних районів); пакувальний матеріал для транспортування приладів, харчових продуктів; для ізоляції кабелів, трубопроводів і ін.

Як газоутворювач (пороутворювачі, порофори, спінювальні агенти) використовуються діасполуки, наприклад динітрію азобісізомасляної кислоти (температура розкладання 90-110°С) або карбонат алюмінію (температура розкладання 50-60°С).

Отримання пінополістиролу здійснюють шляхом:

1) суспензійної полімеризації стиролу в присутності агентів спіню­вання - пентану і (або) ізопентану; отримані гранули в процесі переробки у вироби при нагріванні спінюються і спікаються;

2) полімеризації в масі стиролу з наступним змішуванням отриманого полістиролу з лимонною кислотою і порофорами; під час екструдуювання (неперервного витискування) цієї суміші відбувається спінювання з утворенням пінополістиролу порівняно високої густини (50-100 кг/м³).

Формування виробів з пінополістиролу здійснюють двома методами:

1) пресовим - високодисперсний порошкоподібний полістирол ре­тельно змішують з твердим, також дрібнодисперсним порошкоутво-рювальним компонентом, пресують за температури 120-160°С і тиску 10-15 МПа, потім заготовки прогрівають у камерах, де відбувається спіню­вання до кінцевого стану і форми; за цим способом випускають вироби з пінополістиролу марок ПС-1, ПС-2, ПС-4 і інш.;

2) безпресовим (більш сучасний, може здійснюватись на місці засто­сування виробів) - бісерний полістирол, який містить пороутворювач (ізопентан, петролейний ефір, метиленхлорид і інш.).

Формування виробів з пінополістиролу за безпресовим методом поля­гає в наступному:

а) попереднє спінювання гранул полістиролу, які містять пороутво­
рювач, що здійснюється в механічному спінювачі гарячою водою (95°С)
або парою за неперервного перемішування протягом 2-5 хв.;

б) осушування попередньо спінених гранул (у випадку необхідності)
здійснюється за температури 30-35°С протягом 24 год.;

в) кінцеве спінювання попередньо спінених гранул і оформлення виро­
бів у легких металевих формах; температура пари під час спінювання

102-110°С; тривалість витримки з розрахунку Юс на кожний міліметр товщини плюс тривалість підігрівання форми;

г) охолодження виробів у формі до температури не вище 50-60°С і підсушування за температури 35-40°С.

За безпресовим методом випускаються вироби із суспензійного полі­стиролу для спінювання (табл. 2.140) марок ПСБ (за МРТУ 6-05-959-66 чотири марки: А,, А₂, Б і В, які відрізняються за величиною насипної маси після спінювання) і ПСБ-С (самозгасний, за МРТУ 6-05-1019-66 чотирьох марок: А,, А₂, Б і В).

Таблиця 2.140- Характеристика суспензійного полістиролу

Примітки. * Наважку полістиролу (4г) поміщають у капроновий ківш, який ви­тримують протягом 10 хв. за 97-98°С у водяній фані. Потім спінені гранули підсу­шують на повітрі, поміщають у мідний циліндрик і визначають насипну масу.

** Взірець розміром 120x44x30 мм вносять у полум'я, витримують 5с, а потім фіксують час збереження полум'я після винесення із вогню.

Полістирол спінюваний - продукт суспензійної полімеризації сти­ролу в присутності пороутворювача (ізопентану). Масова частка пороут­ворювача становить не менше 4, 0-6, 5%. Полістирол спінюваний згідно з ОСТ 6-05-202-83 випускають таких типів: ПСВ (EPS-N), ПСВ-С (EPS-F), ПСВ-С-ПМ (EPS-F-PM), ПСВ-Л (EPS-L) (підтипи ПСВ-Л-1, ПСВ-Л-1С), ПСВ-Б (EPS-B), ПСВ-ЛД (EPS-LD).

Кожний тип і підтип спінюваного полістиролу постачається розсіяним на п'ять фракцій. Кожна фракція розсіяного полімеру являє собою марку полімеру, яка містить частинки певного розміру в мм: понад 3, 2 - марка 1; 3, 2-1, 8 - марка 2; 1, 8-0, 9 - марка 3; 0, 9-0, 4 - марка 4; менше 0, 4 - марка 5 (супутний продукт, непридатний для одержання пінополістирольних

виробів). Для всіх типів розмір частинок, у мм, допускається: понад 2, 5 -марка 1; 2, 5-1, 4 - марка 2; 1, 4-0, 9 - марка 3. Перша і п'ята марки випус­каються за першою категорією; друга, третя і четверта - за вищою категорією (відповідно вищий і перший сорти), а чистота розсіву стано­вить у відсотках не менше: 1 марка - 82; 2 марка - 90 і 85 (вища і перша категорії); 3 марка - 90 і 80 (вища і перша категорії); 4 марка - 90 і 82 (вища і перша категорії); 5 марка- 80.

Позначення спінюваного полістиролу при замовленні: „Полістирол спінюваний типу ПСВ-С, марка 4, сорт 1, ОСТ 6-05-202-83".

Спінюваний полістирол не розчиняється у воді, етиловому спирті, гасі, розчиняється в толуолі, дихлоретані, ефірі.

Густина частинок спінюваного полістиролу становить 998 кг/м³, позірна густина спінюваного бісеру - 650 кг/м³.

Гранулометричний склад нерозсіяного спінюваного полістиролу по­дано в табл. 2.141, а на рис. 2.46 - диференціальна (п) і кумулятивна (N) криві розподілу дисперсного складу [591]. Середній „ситовий" діаметр d частинок, розрахований як середньозважений за масами фракцій, стано­вить - 0, 96 мм, а модальний - 0, 82 мм.

Таблиця 2.141 - Гранулометричний склад нерозсіяного спінюваного полістиролу

Полістирол спінюваний відноситься до матеріалів, що займаються (температура загоряння - плюс 376°С, температура самозагоряння типу ПСВ - плюс 440°С; ПСВ-С, ПСВ-С-ПМ - плюс 376°С), горять полум'ям, яке дуже коптить. Температура розкладання спінюваного полістиролу 200-250°С

Температура розм'якшення частинок становить 82-95°С. Нами вико­нано лабораторні дослідження з вивчення залежності коефіцієнта проник-

Рис. 2.46 - Дисперсний склад спінюваного полістиролу

ності шару полі-стиро­лу ПСВ від темпера­тури як перспективно­го мА-теріалу для там­понування високо-проникних тріщин пласта [591]. Оскільки густи­на полістиролу стано­вить 1050-1080 кг/м³, а спінюваного - 998 кг/м³, тобто є близь­ кою до густини рідини-носія - води, то це

дає змогу здійснити перенесення його гранул по тріщинах на різні від­стані (вглиб пласта) практично незалежно від швидкості руху рідини-носія (див. гл. 5). Тверді гранули полістиролу нерозчинні у воді (можуть вводитись у потік води зі збереженням агрегатного стану і форми), мають розмір від 0, 4 до 1, 8 мм (ПВС марка 3, марка 4 і марка 5), що менше розкритття високопроникних тріщин і значно більше поперечних розмірів пор матриць (можуть переміщатись по тріщинах і не проникати в пори матриць).

Характерною особливістю спінюваного полістиролу є властивість збільшення в об'ємі при підвищеній температурі. За проведеними дослід­женнями при температурі води 96°С гранули полістиролу ПВС збіль­шуються в 6-10 разів, а якщо він перебуває у замкнутому об'ємі, то втрачає свою гранулярну структуру, перетворюється в однорідний щіль­ний твердий моноліт типу пластмаси і стає непроникним.

На рис. 2.47 показано встановлену нами разом з І.М. Купером залеж­ність зміни коефіцієнта проникності шару гранульованого спінюваного полістиролу від температури водного середовища, в якому він перебуває. Цю залежність отримано на стандартному устаткованні УДПК-1М.

Фільтраційну колонку заповнювали гранульованим полістиролом на­ступним чином. На виході із колонки встановлювали фільтр, а через вхід в колонку пропомповували водну пульпу полістиролу (гранульований полі­стирол із водою). Частину води відфільтровували, а частину разом із полістиролом залишали у фільтраційній колонці. Після заповнення фільтра­ційну колонку поміщали в термостат і нагрівали. За значин температур, поданих у табл. 2.142, проводили пропомповування води через пробу полістиролу за допомогою устатковання УДПК1-М. За витратою від­фільтрованої через взірець води, тиском пропомповування, коефіцієнтом в'язкості води (з поправкою на температуру) і розмірами взірця визначали

Рис. 2.47- Зміна коефіцієнта проникності ша­ру спінюваного полістиролу від температури

його коефіцієнт проникності. Прогрівання взірця на кожній сходинці, зазначених в таблиці значин температур, відбува­лось протягом 20-25 хв. Про-помповувана через взірець во­да також термостатувалась.

Як видно із результатів експериментів, при підвищенні температури від 20 до 70°С коефіцієнт проникності взірця зменшується від 5, 105 до 1, 814 мкм², при температурі 80°С коефіцієнт проникності стано­вить 0, 00216 мкм², а при 120°С взірець практично непроник­ний (0, 47-10-⁵ мкм²).

Таким чином, гранульова­ний спінювальний полістирол є ефек-тивним матеріалом для тампо-нування тріщин.

АБС-пластик (акрилоніт- рилбутадієнстирольний кополімер) - термопластичний ма-

Таблиця 2.142 - Результати вивчення залежності коефіцієнта проникності шару гранульованого спінюваного полістиролу ПСВ від температури

теріал, який має двофазову структуру; кополімер стиролу з акрило­нітрилом та каучуком), густина 1050-1080 кг/м³, Т_розм = 90-105°С; випус­каються у вигляді гранул.

Кополімери стиролу: 1) кополімер з акрилонітрилом (САН, лауран, костил, тайрил та ін.) - термопласт, густина 1070-1080 кг/м³, Т_ртм = 85-95 °С; 2) кополімер з метилметакрилатом (МС, метакрилен, церлон та ін.) та трійний кополімер стирол-метилметакрилат-акрилонітрил (МСН) -термопласти, густина 1120-1140 кг/м³, Тр₀з_М = 85-95°С; 3) кополімер з а-метилстиролом (САМ, полектрик SM та інш.) - термопласт, густина 1120-1170 кг/м³, Т_ротм = 95-100°С.

Відомо й інші кополімери. Випускаються кополімери стиролу у вигляді

гранул або порошку.

Полімери похідних стиролу: полі- і - хлорстирол (за ТУ ГХК М-585-59 та М-529-59, порошок або гранули 1280 кг/м³); полідихлорстирол (за ТУ МХП М-254-59), полівінілтолуол або поліметилстирол (1020 кг/м³), полідиметил стирол (1070 кг/м³).