Plasty pro stavebnictví a architekturu 16 Styrenové polymery 8. 5. 2008, IVANA VEJRAŽKOVÁ Pod pojmem polystyren si většina lidí vybaví pouze jeho nadouvanou podobu pěnový polystyren. Přitom polystyren je jedním z nejrozšířenějších plastů. Je to ona obyčejná umělá hmota, ze které se vyrábějí jednorázové kelímky na nápoje, příbory, vnitřní skříně ledniček, skříně domácích elektrospotřebičů, hračky, stínítka na lampičky, obaly na CD a DVD apod. Je to materiál, který se nejen dobře zpracovává, ale na rozdíl od jiných plastů se také dobře lepí běžnými rozpouštědly. Vývoj polystyrenu má dlouhou historii. Už v roce 1839 německý lékárník Eduard Simon vydestiloval z přírodní pryskyřice ambroně orientální (Liquidambar orientalis) olejovitou látku styren. Styren po několika dnech samovolně zhoustl a vytvořil jakési želé. Simon si tento jev vysvětloval oxidací styrenu. Až na začátku 20. století vědci zjistili, že se jednalo o samovolnou polymeraci, a začali tento jev zkoumat. V té době panovala představa, že polymery jsou jen jakési shluky mnoha malých molekul nebo koloidních částic. Teprve německý vědec Hermann Staudinger (1881 1965) v roce 1924 publikoval svoji převratnou teorii, podle které molekuly polymerů mají tvar lineárních řetězců. Význam Staudingerova objevu spočíval nejen v pochopení struktury polymerů, ale především ukázal možnosti syntézy polymerů nových. Za svoje objevy v oblasti makromolekulární chemie získal v roce 1953 Nobelovu cenu. Termín styrenové polymery je používán k popisu velké skupiny plastů, které obsahují styren jako hlavní stavební jednotku. Do této skupiny patří: Obr. 1: ARCEL pevná a odolná pěna z kopolymeru EPS a PE umožňuje snížit objem přepravního obalu až o 40 %
Obr. 2: ZYLAR krevní filtr z kopolymeru styrenu a akrylátu polystyren (PS) termoplast, z granulí mohou být vyráběny polotovary (desky nebo filmy) nebo celé řada konečných produktů; expandovaný polystyren (EPS) lehký a pevný termoplast s vynikajícími termoizolačními vlastnostmi, ideální materiál pro stavebnictví a obalový průmysl; akrylonitrilbutadienstyren (ABS) opakní termoplast, který je pevný a houževnatý i při nízkých teplotách, s dobrou teplotní a chemickou odolností a snadnou zpracovatelností; Kopolymer styrenu s akrylonitrilem (SAN) transparentní termoplast s amorfní strukturou. Výhody styrenových polymerů Styrenové polymery mají vlastnosti, které je předurčují k využití v řadě průmyslových odvětví. Jsou to: nízká hustota, odolnost vůči vodě a vynikající tepelněizolační charakteristiky; dobré elektrické izolační vlastnosti; snadné zpracování a barvení; snadná recyklace; jako obalový materiál na potraviny poskytují vysokou míru ochrany před kažením potravin. Výroba polystyrenu Polystyren patří k nejlépe prozkoumaným polymerům, protože příprava monomeru styrenu je snadná získává se reakcí benzenu a ethenu. Nejpoužívanější metodou polymerace je bloková kontinuální polymerace. Při této metodě se používají vysoké věže vyhřáté na určitou teplotu. Průchodem věží styren postupně polymeruje. Ve spodní části se roztavený polystyren odtahuje rovnou do granulovacího stroje, který taveninu rozseká na malé granule. Ty jsou připraveny pro další zpracování. Využití polystyrenu
Polystyren je jedním z nejrozšířenějších termoplastů. Objemem zpracování ho předstihují jen polyethylen (PE), polypropylen (PP) a polyvinylchlorid (PVC). V Evropě bylo v roce 2001 spotřebováno asi 2,7 miliónů tun polystyrenu, což je asi 26 % celosvětové produkce (graf 1). Graf 1: Rozdělení evropského trhu s polystyrenem Polystyren s obecným použitím (GPPS) je čirý polymer s velmi snadnou zpracovatelností, ale je poměrně křehký. Pro některé typy výrobků je nutné polystyren modifikovat s kaučukem. Výsledkem je polystyren se zvýšenou houževnatostí (HIPS), který má jedinečnou kombinaci vlastností, jako jsou pevnost, lesklý povrch, odolnost a vynikající zpracovatelnost. Polystyren je velmi univerzální plast. Obě formy standardní i modifikovaná jsou využívány pro výrobu běžných produktů spotřební elektronika, chladničky, hračky, obaly, jednorázové potřeby ve zdravotnictví atd. Obalový materiál Největší množství polystyrenu (36 %) se spotřebuje jako obalový materiál, především v potravinářství (maso, ryby, nápoje, jogurty apod.). Výhodou polystyrenu je z hlediska konzumentů snadné otevírání těchto obalů a především vynikající ochrana před kažením potravin. Ve vyspělých státech se při kombinaci dobrého obalu, chlazení a rychlé dopravy zkazí pouze 2 % potravin, zatímco v rozvojových státech až 50 %. Obr. 3: Nápojové obaly z EPS vyrobené technologií IMx dovolují kvalitní potisk
Obr. 4: Obaly na CD a DVD disky jsou téměř výhradně vyráběny injekčním vstřikováním polystyrenu Domácí elektrospotřebiče Až 26 % styrenových polymerů se využívá na výrobu širokého spektra domácích spotřebičů (chladniček, mrazáků, mikrovlnných trub, vysavačů). Tyto polymery jsou bezpečné, cenově výhodné, mají vynikající vzhled a snadno se zpracovávají. Spotřební elektronika Polystyren se používá na výrobu skříní televizorů a výpočetní techniky, je téměř výhradním materiálem na výrobu obalů na CD a DVD. Stavebnictví Polystyrenové polymery patří díky poměru mezi cenou a vlastnostmi spolu s dobrou zpracovatelností mezi nejpoužívanější materiály ve stavebnictví. Kromě termoizolace se nejčastěji používá na výrobu van, sprchových koutů a zástěn, výrobu stínítek osvětlovacích těles apod. Zdravotnictví Polystyren má vynikající čirost a zpracovatelnost a i po sterilizaci dokonalý vzhled. Proto je stále častěji využíván na výrobu jednorázových zdravotnických potřeb Petriho misek, zkumavek, diagnostických komponent a testovacích kitů. Graf 2: Rozdělení evropského trhu s pěnovým polystyrenem Pěnový polystyren (EPS)
EPS je lehká tuhá kompaktní hmota, která byla poprvé vyrobena před více než 50 lety. Pěnový polystyren je tvarově stálý, není citlivý na vlhkost, je odolný proti hnilobě i proti stárnutí a dobře se zpracovává. Používá se především jako tepelná a zvuková izolace. Díky dobré rázové houževnatosti v kombinaci s velmi nízkou hmotností je EPS také vynikajícím obalovým materiálem. V roce 2001 bylo v Evropě spotřebováno 840 kilotun EPS, tj. asi 30 % celosvětové produkce (graf 2). Obr. 5: Model letounu Lockheed F-80C z roku 1963 (Airfix) vyrobený injekčním vstřikováním houževnatého polystyrenu (HIPS) Výroba expandovaného polystyrenu (EPS) Výroba pěnového polystyrenu probíhá v jednoduchých výrobních krocích, při kterých jsou tuhé polystyrenové perličky obsahující nadouvadlo ohřívány vodní párou. Vlivem teploty nadouvadlo zvětšuje svůj objem (20x až 50x) a uvnitř perlí se vytváří uzavřená buněčná struktura. Nabobtnalé kuličky se vkládají do uzavřené formy, kde se znovu zahřívají vodní parou. Kuličky už nemohou zvětšovat svůj objem a spojují se do homogenního bloku, jednotlivé kuličky jsou však stále rozeznatelné. Po vychlazení jsou bloky rozřezány horkým drátem na desky. Výroba extrudovaného polystyrenu (XPS) Granule zahřátého polystyrenu s přídavkem nadouvadel jsou vytlačovány (extrudovány) tryskou. Nadouvadla způsobí vypěnění hmoty do nekonečného pásu požadované tloušťky, který se dále délkově a šířkově upravuje na desky. Vzniká tak jemná struktura relativně malých polystyrenových buněk, která výrazně redukuje difuzní propustnost a prakticky eliminuje vzlínavost. Extrudovaný polystyren je tak možné používat i v místech s trvalou
vlhkostí (izolace stěn pod úrovní terénu). Součinitel tepelné vodivosti λ = 0,030 až 0,035 W/m.K je mírně lepší než u polystyrenu expandovaného. Nadouvadla Jako nadouvadla se dříve používaly freony, které však výrazně přispívají k poškozování ozonové vrstvy. Bez ohledu na jejich dobré vlastnosti a snadnou zpracovatelnost bylo používání freonů zakázáno. Jejich alternativou jsou inertní plyny CO 2 a dusík nebo uhlovodíky, např. izobutan a pentan. S uhlovodíkovými nadouvadly se pracuje v uzavřeném cyklu, tím se také minimalizuje jejich vliv na životní prostředí. Recyklace EPS EPS se dá snadno recyklovat. Neznečištěný odpad z EPS je možné podrtit a smíchat s čerstvým EPS a pak vyrobit nové tvarované výrobky. EPS se dá alternativně i roztavit a vytlačovat jako kompaktní polystyren na výrobky, jako jsou květináče, ramínka na šaty a náhražky dřeva. Jako část směsného plastového odpadu může být EPS recyklován na výrobu např. parkových laviček, sloupků plotů a na dopravní značky. Obr. 6: Příklady dekorů PS a SAN desek z produkce firmy Quinn Plastics, určených na zasklívání sprchových koutů a zástěn Obr. 7: Příklady dekorů PS a SAN desek z produkce firmy Quinn Plastics, určených na zasklívání sprchových koutů a zástěn Pěnový polystyren jako účinný a efektivní materiál na tepelné izolace může hrát svoji roli v redukci emisí oxidu uhličitého. Energie použitá na jeho výrobu (zabudovaná energie) se vrátí během 6 měsíců ve formě energie uspořené v budovách, kde se instaloval. Po zbytek životnosti budovy EPS snižuje její energetické požadavky, což umožňuje spalovat méně
fosilních paliv a produkovat méně CO 2. Polystyren tak může velmi pozitivně přispět k boji s globálním oteplováním. foto archiv firmy Novachem (1 3), archiv Happy Materiále (4 5) a archiv Happy Materials (6, 7) Zdroj: www.plasticseurope.com, www.eps.co.uk, www.quinn-plastics.com Ing. Ivana Vejražková (*1967) absolvovala VŠCHT v Praze. Pracuje ve firmě Happy Materials, která se zabývá konzultační činností v oblasti polymerních materiálů a která vytváří databáze materiálů.