Paisutettu polystyreeni on kaasutäytteinen materiaali, jota saadaan polystyreenistä ja sen johdannaisista sekä styreenikopolymeereistä . Paisutettu polystyreeni on laajalle levinnyt polystyreenityyppi , jota tavallisesti kutsutaan jokapäiväisessä elämässä. Tavallinen teknologia paisutetun polystyreenin valmistamiseksi liittyy styreenirakeiden alkutäyttöön kaasulla, joka liuotetaan polymeerimassaan. Sen jälkeen massaa kuumennetaan höyryllä. Tässä prosessissa alkurakeiden tilavuus kasvaa moninkertaisesti, kunnes ne täyttävät koko lohkomuodon ja sintraavat yhdessä. Perinteisessä styroksissa käytetään erittäin liukenevaa maakaasua styreeniinrakeiden täyttämiseksi paisutetun polystyreenin palonkestävissä versioissa rakeet täytetään hiilidioksidilla [1] . On olemassa myös tekniikka tyhjiöpolystyreenin saamiseksi , jossa ei ole yhtään kaasua.
Ensimmäinen paisutettu polystyreeni valmistettiin Ranskassa vuonna 1928 [2] . Vaahdotetun polystyreenin teollinen tuotanto aloitettiin vuonna 1937 Saksassa [3] . Neuvostoliitossa paisutetun polystyreenin (laatu PS-1) tuotanto hallittiin vuonna 1939 [4] , laatuja PS-2 ja PS-4 - vuonna 1946 [5] , laatuja PSB - vuonna 1958 [6] Vuonna 1961 Neuvostoliitossa hallittiin itsestään sammuvan polystyreenivaahdon (PSB-S) valmistustekniikka [7] . Rakennustarkoituksiin PSB-brändin paisutettua polystyreeniä alettiin valmistaa vuonna 1959 Mytishchin tehtaalla Stroyplastmassissa.
Polystyreeniä käytetään useimmiten polystyreenin valmistukseen. Muita raaka-aineita ovat polymonoklooristyreeni, polydiklooristyreeni sekä styreenin kopolymeerit muiden monomeerien kanssa: akryylinitriili ja butadieeni . Vaahdotusaineet ovat matalalla kiehuvia hiilivetyjä ( pentaani , isopentaani , petrolieetteri , dikloorimetaani ) tai vaahdotusaineita ( diaminobentseeni , ammoniumnitraatti , atsobisisobutyronitriili ). Lisäksi vaahtopolystyreenilevyt sisältävät palonestoaineita (palavuusluokka G1), väriaineita, pehmittimiä ja erilaisia täyteaineita.
Merkittävä osa tuloksena olevasta polystyreenistä valmistetaan vaahdottamalla materiaali matalalla kiehuvien nesteiden höyryillä. Tätä varten käytetään suspensiopolymerointiprosessia nesteen, joka on liukoinen alkuperäiseen styreeniin ja liukenematon polystyreeniin, kuten pentaanin, isopentaani ja niiden seokset, läsnä ollessa. Tällöin muodostuu rakeita, joissa matalalla kiehuva neste jakautuu tasaisesti polystyreeniin. Lisäksi näitä rakeita kuumennetaan höyryllä, vedellä tai ilmalla, minkä seurauksena niiden koko kasvaa merkittävästi - 10-30 kertaa. Tuloksena saadut tilavuusrakeet sintrataan samalla, kun tuotteita muovataan.
Vaahdotettu polystyreeni, joka saatiin vaahdottamalla matalalla kiehuvaa nestettä, on materiaali, joka koostuu yhteen sintratuista hienosoluisista rakeista. Paisutettujen polystyreenirakeiden sisällä on mikrohuokosia, rakeiden välissä on aukkoja. Materiaalin mekaaniset ominaisuudet määräytyvät sen näennäisen tiheyden perusteella: mitä suurempi se on, sitä suurempi on lujuus ja sitä pienempi veden imeytyminen, hygroskooppisuus, höyryn ja ilman läpäisevyys.
Paisutettua polystyreeniä käytetään useimmiten lämpöä eristävänä ja rakennemateriaalina. Sen käyttöalueet: rakentaminen, auto- ja laivarakennus, lentokonerakennus. Pakkaus- ja sähköeristemateriaalina käytetään melko paljon polystyreenivaahtoa.
Paisutettu polystyreeni pystyy imemään vettä suorassa kosketuksessa [22] . Veden tunkeutuminen suoraan muoviin on alle 0,25 mm vuodessa [23] , joten paisutetun polystyreenin veden imeytyminen riippuu sen rakenteellisista ominaisuuksista, tiheydestä, valmistustekniikasta ja veden kyllästymisjakson kestosta. Suulakepuristetun polystyreenivaahdon vedenabsorptio jopa 10 päivän vedessä olon jälkeen ei ylitä 0,4 tilavuusprosenttia, mikä johtaa sen laajaan käyttöön maanalaisten ja haudattujen rakenteiden (tiet, perustukset) lämmittimenä [24] .
Paisutettu polystyreeni on vähän höyryä läpäisevä materiaali [25] [26] .
GOST 15588-2014 määrittää höyrynläpäisevyyden vähintään 0,05 mg / mchPa. Todellisuudessa se riippuu polystyreenivaahdon tiheydestä. Paisutetun polystyreenimerkin PSB-15 (PSB-S-15) höyrynläpäisevyys on 0,035 mg/(m•h•Pa) ja PSB-35:n 0,03 mg/(m•h•Pa). Useimmissa tapauksissa tämä mahdollistaa lämpörakenteen poistamisen kosteudesta ja kuivaamisen huoneen kyljessä olevan höyrysulkukalvon läsnäollessa, mutta jokainen tällainen malli vaatii laskennan kostutussimulaatiolla varustetulla lämpölaskimella, kuten SmartCalc tai sen vastaava.
Huolimatta siitä, että sienet, mikro-organismit ja sammalet eivät vaikuta paisutettuun polystyreeniin, joissain tapauksissa ne pystyvät muodostamaan pesäkkeitä sen pinnalle [27] [28] [29] [30] .
Polystyreeni pystyy syömään ja sulattamaan jauhomatoja [31] [32] [33] .
Hyönteiset voivat asettua polystyreenivaahtoon, varustaa lintujen pesiä ja jyrsijöitä. Jyrsijöiden aiheuttama polystyreenivaahtorakenteiden vaurioituminen on ollut lukuisten tutkimusten kohteena. Harmailla rotilla, kotihiirillä ja peltohiirillä tehtyjen polystyreenin testien tulosten mukaan todettiin seuraava:
Rotilla ja hiirillä tehtyjen kokeiden tulokset osoittivat myös riippuvuutta polystyreenivaahdon modifikaatiosta, erityisesti ekstrudoitua polystyreenivaahtoa vahingoittavat jyrsijät vähemmässä määrin.
Yksi tapa määrittää paisutetun polystyreenin kestävyys on vuorotellen lämmittää +40 °C:een, jäähdyttää -40 °C:seen ja liottaa vedessä. Jokainen tällainen sykli on yhtä ehdollista toimintavuotta. Väitetään, että polystyreenistä valmistettujen tuotteiden kestävyys tämän testimenetelmän mukaan on vähintään 60 vuotta [34] , 80 vuotta [35] .
Paisutettu polystyreeni ei kestä kovin liuottimia. Se liukenee helposti alkuperäiseen styreeniin, aromaattisiin hiilivetyihin ( bentseeni , tolueeni , ksyleeni ), kloorattuihin hiilivetyihin ( 1,2-dikloorietaani , hiilitetrakloridi ), estereihin , asetoniin , hiilidisulfidiin . Samalla se on liukenematon alkoholeihin , alifaattisiin hiilivetyihin ja eettereihin .
Paisutetun polystyreenin tuhoutumisen korkean lämpötilan vaihe on hyvin ja perusteellisesti tutkittu. Se alkaa +160 °C:ssa. Lämpötilan noustessa +200 °C:seen alkaa lämpöhapettava hajoamisvaihe. Yli +260 °C lämpötilassa lämpöhajoaminen ja depolymerointi ovat vallitsevia. Koska polystyreenin ja poly-'''α''-metyylistyreenin polymerointilämpö on yksi alhaisimmista kaikista polymeereistä, niiden hajoamisprosesseja hallitsee depolymerointi alkuperäiseksi monomeeriksi, styreeniksi [36] .
Modifioitu polystyreeni, jossa on erityisiä lisäaineita, eroaa korkean lämpötilan tuhoutumisasteelta sertifiointiluokan mukaan. Modifioidut paisutetut polystyreenit, jotka on sertifioitu luokkaan G1, eivät hajoa enempää kuin 65 % korkeiden lämpötilojen vaikutuksesta. Modifioitujen polystyreenivaahtojen luokat on esitetty palonkestävyyttä käsittelevän osan taulukossa.
Paisutettu polystyreeni, kuten jotkut muut hiilivedyt, pystyy itsehapettumaan ilmassa muodostaen peroksideja. Reaktioon liittyy depolymerointi. Reaktionopeus määräytyy happimolekyylien diffuusion perusteella. Paisutetun polystyreenin merkittävästi kehittyneen pinnan ansiosta se hapettuu nopeammin kuin lohkossa oleva polystyreeni [37] . Tiheiden tuotteiden muodossa olevalle polystyreenille lämpötilatekijä toimii säätelevänä tuhon alkuna. Alemmissa lämpötiloissa sen tuhoutuminen on teoriassa mahdollista, vaikka se on mahdollista polymerointiprosessien termodynamiikan lakien mukaisesti, mutta polystyreenin erittäin alhaisen kaasunläpäisevyyden vuoksi monomeerin osapaine voi muuttua vain sen ulkopinnalla. tuote. Vastaavasti alle Tpred = 310 °C polystyreenin depolymeroitumista tapahtuu vain tuotteen pinnalta, ja se voidaan jättää huomiotta käytännön sovellusten kannalta.
D. x. Sc., Mendeleev L. M. Kerberin mukaan nimetyn Venäjän kemiantekniikan yliopiston muovinkäsittelyn laitoksen professori styreenin vapautumisesta nykyaikaisesta polystyreenistä:
"Normaaleissa käyttöolosuhteissa styreeni ei koskaan hapetu. Se hapettuu paljon korkeammissa lämpötiloissa. Styreenin depolymerointi voi todellakin tapahtua yli 320 asteen lämpötiloissa, mutta on mahdotonta puhua vakavasti styreenin vapautumisesta polystyreenivaahtolohkojen käytön aikana lämpötila-alueella miinus 40 - plus 70 °C. Tieteellisessä kirjallisuudessa on näyttöä siitä, että styreenin hapettumista ei käytännössä tapahdu +110 °C:n lämpötiloissa.
Asiantuntijat toteavat myös, että materiaalin iskulujuuden laskua +65 °C:ssa ei havaittu 5000 tunnin välein ja iskulujuuden laskua +20 °C:ssa ei havaittu 10 vuoteen.
Eurooppalaiset asiantuntijat pitävät styreenin myrkyllistä luonnetta ja paisutetun polystyreenin kykyä vapauttaa styreeniä todistamattomina. Sekä rakennus- että kemianteollisuuden asiantuntijat joko kiistävät styroksihapettumisen mahdollisuuden normaaleissa olosuhteissa tai viittaavat ennakkotapausten puuttumiseen tai viittaavat tiedon puutteeseen tästä asiasta.
Lisäksi styreenin vaara on aluksi usein liioiteltu. Vuonna 2010 tehtyjen laajamittaisten tieteellisten tutkimusten perusteella, jotka liittyivät REACH-asetuksen mukaisen pakollisen kemikaalien uudelleenrekisteröintimenettelyn läpiviemiseen Euroopan kemikaalivirastossa, tehtiin seuraavat johtopäätökset:
Lisäksi muista, että styreeniä löytyy luonnostaan kahvista, kanelista, mansikoista ja juustoista.
Näin ollen paisutetun polystyreenin käytön aikana väitetysti vapautuvan styreenin erityiseen myrkyllisyyteen liittyviä suuria huolenaiheita ei ole vahvistettu [36]
Vuoteen 2018 asti mikään todiste styreenin syöpää aiheuttavuudesta ei ylittänyt teoreettisia oletuksia, joiden mukaan styreeniä sisältävät kemialliset reaktiot voisivat teoreettisesti vahingoittaa DNA:ta. [38] Styreenille altistuneilla ihmisillä ei kuitenkaan havaittu käytännöllisesti katsoen yhtään mutaatiota, vaikka styreeniä löydettiin ihmisten verestä. Eläinkokeet styreenin yliannostuksella ovat osoittaneet tuhansia kertoja, että se toimii paljon kuin estrogeenihormoni, ja edes eläimillä karsinogeeniset vaikutukset eivät olleet ilmeisiä. Ainoa suora todiste styreenin mahdollisesta syöpää aiheuttavasta vaikutuksesta ihmisiin saatiin vuonna 2018, mikä johti WHO :n ja Kansainvälisen syöväntutkimuskeskuksen (IARC) luokittelemiseen uudelleen styreenistä "todennäköisesti" "mahdollisesti" karsinogeeniseksi. Tutkittiin 73 036 työntekijää, jotka työskentelivät suorassa kosketuksessa styreenin kanssa kemiantehtaassa. Myelooisen leukemian (harvinainen leukemian muoto ) normaalilukumäärä on noin 10 henkilöä tälle ihmismäärälle, 25 myelooista leukemiatapausta on löydetty. Tämän perusteella kemianalan yrityksissä otettiin käyttöön uudet standardit styreenin kanssa työskentelylle. On huomattava, että normaali elinikäinen syöpäriski on noin 20 %, tässä tapauksessa keskustellaan hypoteettisesta noin 0,01 %:n syöpäriskistä ja se koskee puhtaasti kemianteollisuuden työntekijöitä. [39] Polystyreenipohjaisten tuotteiden kotitalouskäytössä päästöt ovat yli 10 000 kertaa pienemmät, eikä polystyreenituotteiden kotikäytössä ole näyttöä tai rajoituksia. Kuten FDA ja Cancer Council ovat todenneet, paljon tärkeämpää syöpäriskin vähentämiseksi ei ole styreenin ympärillä oleva hysteria, vaan tupakoinnin, auringonpolttaman, alkoholin ja epäterveellisten ruokien syöminen. [40]
Modifioimaton polystyreeni (palavuusluokka G4) on syttyvä materiaali, joka voi syttyä tulitikkujen liekistä, puhalluspolttimesta, happipolttoainehitsauksen kipinöistä. Polystyreenivaahto ei syty kalsinoidusta rautalangasta, palavasta savukkeesta tai teräksen kohdassa esiintyvistä kipinöistä [41] . Paisutettu polystyreeni viittaa synteettisiin materiaaleihin, joille on ominaista lisääntynyt syttyvyys. Se pystyy varastoimaan ulkopuolisesta lämmönlähteestä tulevaa energiaa pintakerroksiin levittämään tulta ja käynnistämään palon voimistumisen [42] .
Styrofoamin leimahduspiste vaihtelee välillä 210°C - 440°C riippuen valmistajien käyttämistä lisäaineista [43] [44] . Tietyn polystyreenin muunnelman syttymislämpötila määräytyy sertifiointiluokan mukaan.
Kun tavallinen polystyreeni syttyy (palavuusluokka G4), 1200 °C:n lämpötila kehittyy lyhyessä ajassa [41] , erityisiä lisäaineita (palonsuoja-aineita) käytettäessä palamislämpötilaa voidaan alentaa palamisluokan (palavuusluokka G3) mukaan. ). Styrofoamin palaminen tapahtuu eriasteisen ja voimakkuuden myrkyllisen savun muodostuessa riippuen siitä, mitä epäpuhtauksia styroksi on lisätty savun muodostumisen vähentämiseksi. Myrkyllisten aineiden savupäästöt ovat tilavuudeltaan 36 kertaa suuremmat kuin puun.
Tavallisen polystyreenivaahdon (palavuusluokka G4) palamiseen liittyy myrkyllisten tuotteiden muodostumista: syaanivetyä , bromivetyä ja niin edelleen [45] [46] .
Näistä syistä käsittelemättömästä polystyreenistä (sytytysluokka G4) valmistetuilla tuotteilla ei ole lupatodistuksia rakennustöissä käytettäväksi.
Valmistajat käyttävät paisutettua polystyreeniä, joka on modifioitu erityisillä lisäaineilla (palonestoaineilla), minkä ansiosta materiaalilla on eri syttymis-, palamis- ja savunmuodostusluokat.
Siten oikealla asennuksella GOST 15588-2014 "Polystyreenilämpöeristyslevyt" mukaisesti. Tekniset tiedot”, polystyreenivaahto ei uhkaa rakennusten paloturvallisuutta. Rakentamisessa käytetään laajalti "märkä julkisivu" -tekniikkaa (WDVS, EIFS, ETICS), jossa käytetään polystyreeniä lämmittimenä rakennuksen vaipassa.
Paisutetun polystyreenin palovaaran vähentämiseksi siihen lisätään palonestoaineita sen vastaanoton yhteydessä. Saatua materiaalia kutsutaan itsestään sammuvaksi polystyreenivaahdoksi (palavuusluokka G3), ja useat venäläiset valmistajat ovat osoittaneet sen ylimääräisellä C-kirjaimella lopussa (esimerkiksi PSB-S) [47] .
1. toukokuuta 2009 tuli voimaan uusi liittovaltion laki FZ-123 "Tekniset määräykset paloturvallisuusvaatimuksista". Palavien rakennusmateriaalien palavuusryhmän määritysmenetelmä on muuttunut. Nimittäin 13 artiklan 6 kohdassa esitettiin vaatimus, joka sulkee pois sulapisaroiden muodostumisen G1-G2-ryhmän materiaaleihin [48]
Koska polystyreenin sulamispiste on noin 220 °C, kaikki tähän polymeeriin perustuvat lämmittimet (mukaan lukien suulakepuristettu polystyreenivaahto) 01.05.2009 alkaen luokitellaan syttyvyysluokkaan, joka ei ole korkeampi kuin G3.
Ennen liittovaltion lain nro 123 voimaantuloa palosyvyysluokkaa, johon on lisätty palonestoaineita, luonnehdittiin G1:ksi.
Paisutetun polystyreenin palavuuden vähentäminen saavutetaan useimmissa tapauksissa korvaamalla rakeiden "täyttämiseen" tarkoitettu palava kaasu hiilidioksidilla [49] .