Polistirenul expandat este un material umplut cu gaz obținut din polistiren și derivații săi, precum și din copolimeri de stiren . Polistirenul expandat este un tip larg răspândit de polistiren , care este de obicei numit în viața de zi cu zi. Tehnologia obișnuită pentru producerea polistirenului expandat este asociată cu umplerea inițială a granulelor de stiren cu gaz, care este dizolvat în masa polimerului. Ulterior, masa este încălzită cu abur. În acest proces, are loc o creștere multiplă a volumului granulelor inițiale până când ocupă întreaga formă de bloc și sinterizează împreună. În spuma tradițională de polistiren, gazul natural , care este foarte solubil în stiren, este utilizat pentru a umple granulele; în versiunile rezistente la foc ale spumei de polistiren, granulele sunt umplute cu dioxid de carbon [1] . Există și o tehnologie de obținere a polistirenului expandat în vid , în care nu există niciun gaz.
Primul polistiren expandat a fost fabricat în Franța în 1928 [2] . Producția industrială de polistiren expandat a început în 1937 în Germania [3] . În URSS, producția de polistiren expandat (gradul PS-1) a fost stăpânită în 1939 [4] , gradele PS-2 și PS-4 - în 1946 [5] , gradele PSB - în 1958 [6] În 1961 în URSS, tehnologia de producere a spumei de polistiren auto-stingere (PSB-S) a fost stăpânită [7] . În scopuri de construcție, polistirenul expandat al mărcii PSB a început să fie produs în 1959 la fabrica Mytishchi Stroyplastmass.
Polistirenul este cel mai adesea folosit pentru a produce polistiren expandat. Alte materii prime sunt polimonoclorostirenul, polidiclorstirenul, precum și copolimerii stirenului cu alți monomeri: acrilonitril și butadienă . Agenții de expandare sunt hidrocarburi cu punct de fierbere scăzut ( pentan , izopentan , eter de petrol , diclormetan ) sau agenți de expandare ( diaminobenzen , azotat de amoniu , azobisizobutironitril ). În plus, plăcile de polistiren spumă includ substanțe ignifuge (clasa de combustibilitate G1), coloranți, plastifianți și diverse materiale de umplutură.
O proporție semnificativă din polistirenul expandat rezultat este produsă prin spumarea materialului cu vapori de lichide cu punct de fierbere scăzut. Pentru aceasta, se utilizează un proces de polimerizare în suspensie în prezența unui lichid care este solubil în stirenul original și insolubil în polistiren, cum ar fi pentanul, izopentanul și amestecurile acestora. În acest caz, se formează granule în care lichidul cu punct de fierbere scăzut este distribuit uniform în polistiren. În plus, aceste granule sunt supuse încălzirii cu abur, apă sau aer, drept urmare cresc semnificativ în dimensiune - de 10-30 de ori. Granulele volumetrice rezultate sunt sinterizate cu turnarea simultană a produselor.
Polistirenul expandat, care a fost obținut prin spumarea unui lichid cu punct de fierbere scăzut, este un material format din granule celulare fine sinterizate împreună. În interiorul granulelor de polistiren expandat sunt micropori, între granule sunt goluri. Proprietățile mecanice ale materialului sunt determinate de densitatea sa aparentă: cu cât este mai mare, cu atât rezistența este mai mare și absorbția de apă, higroscopicitatea, permeabilitatea la vapori și aer mai scăzută.
Polistirenul expandat este cel mai adesea folosit ca material termoizolant și structural. Domenii de aplicare: constructii, constructii de masini si nave, constructii de avioane. O cantitate destul de mare de polistiren expandat este folosită ca ambalaj și material de izolare electrică.
Polistirenul expandat este capabil să absoarbă apa la contact direct [22] . Pătrunderea apei direct în plastic este mai mică de 0,25 mm pe an [23] ; prin urmare, absorbția de apă a polistirenului expandat depinde de caracteristicile sale structurale, densitatea, tehnologia de fabricație și durata perioadei de saturație a apei. Absorbția de apă a spumei de polistiren extrudat, chiar și după 10 zile de stat în apă, nu depășește 0,4% (în volum), ceea ce duce la utilizarea pe scară largă a acesteia ca încălzitor pentru structuri subterane și îngropate (drumuri, fundații) [24] .
Polistirenul expandat este un material slab permeabil la vapori [25] [26] .
GOST 15588-2014 stabilește o permeabilitate la vapori de cel puțin 0,05 mg / mchPa. În realitate, depinde de densitatea spumei de polistiren. Marca de polistiren expandat PSB-15 (PSB-S-15) are o permeabilitate la vapori de 0,035 mg/(m•h•Pa), iar PSB-35 ca 0,03 mg/(m•h•Pa). În cele mai multe cazuri, acest lucru permite structurii termice să elimine umezeala din ea și să o usuce în prezența unei membrane de barieră de vapori pe partea laterală a încăperii, dar fiecare astfel de model specific necesită calcul pe un calculator termic cu simulare de umidificare precum SmartCalc sau a acestuia. echivalent.
În ciuda faptului că polistirenul expandat nu este afectat de ciuperci, microorganisme și mușchi, în unele cazuri ele își pot forma colonii pe suprafața sa [27] [28] [29] [30] .
Polistirenul este capabil să mănânce și să digere viermii de făină [31] [32] [33] .
Insectele se pot așeza în spumă de polistiren, se pot echipa cuiburi de păsări și rozătoare. Problema deteriorării structurilor din spumă de polistiren de către rozătoare a făcut obiectul a numeroase studii. Conform rezultatelor testelor de polistiren expandat pe șobolani cenușii, șoareci de casă și șoareci de câmp, s-au stabilit următoarele:
Rezultatele experimentelor cu șobolani și șoareci au arătat, de asemenea, o dependență de modificarea spumei de polistiren, în special, spuma de polistiren extrudat este deteriorată într-o măsură mai mică de rozătoare.
O modalitate de a determina durabilitatea polistirenului expandat este să alternați încălzirea la +40 °C, răcirea la -40 °C și înmuierea în apă. Fiecare astfel de ciclu este considerat egal cu un an condiționat de funcționare. Se susține că durabilitatea produselor din polistiren expandat conform acestei metode de testare este de cel puțin 60 de ani [34] , 80 de ani [35] .
Polistirenul expandat nu este foarte rezistent la solvenți. Este ușor solubil în stirenul original, hidrocarburi aromatice ( benzen , toluen , xilen ), hidrocarburi clorurate ( 1,2-dicloretan , tetraclorura de carbon ), esteri , acetonă , disulfură de carbon . În același timp, este insolubil în alcooli , hidrocarburi alifatice și eteri .
Faza de înaltă temperatură a distrugerii polistirenului expandat este bine și amănunțit investigată. Începe la +160 °C. Odată cu creșterea temperaturii la +200 °C, începe faza de degradare termo-oxidativă. Peste +260 °C predomină procesele de degradare termică și depolimerizare. Datorită faptului că căldura de polimerizare a polistirenului și a poli-'''α''-metilstirenului este una dintre cele mai scăzute dintre toți polimerii, procesele de degradare ale acestora sunt dominate de depolimerizarea la monomerul inițial, stirenul [36] .
Polistirenul expandat modificat cu aditivi speciali diferă în gradul de distrugere la temperatură înaltă în funcție de clasa de certificare. Polistirenul expandat modificat, certificat în clasa G1, nu se descompune cu mai mult de 65% sub influența temperaturilor ridicate. Clasele de spume de polistiren modificate sunt date în tabelul din secțiunea privind rezistența la foc.
Polistirenul expandat, ca și alte hidrocarburi, este capabil să se autooxideze în aer pentru a forma peroxizi. Reacția este însoțită de depolimerizare. Viteza de reacție este determinată de difuzia moleculelor de oxigen. Datorită suprafeței dezvoltate semnificativ a polistirenului expandat, acesta se oxidează mai repede decât polistirenul în bloc [37] . Pentru polistiren sub formă de produse dense, factorul de temperatură acționează ca un început reglator al distrugerii. La temperaturi mai scăzute, distrugerea sa este posibilă teoretic, deși este posibilă în conformitate cu legile termodinamicii proceselor de polimerizare, dar datorită permeabilității extrem de scăzute la gaz a polistirenului, presiunea parțială a monomerului se poate modifica numai pe suprafața exterioară a produsul. În consecință, sub Tpred = 310 °C, depolimerizarea polistirenului are loc numai de la suprafața produsului și poate fi neglijată în scopurile aplicării practice.
D. x. Sc., profesor al Departamentului de Prelucrare a Materialelor Plastice al Universității Tehnice de Chimie din Rusia, numit după Mendeleev L. M. Kerber, despre eliberarea stirenului din polistirenul expandat modern:
„În condiții normale de funcționare, stirenul nu se va oxida niciodată. Se oxidează la temperaturi mult mai ridicate. Depolimerizarea stirenului poate avea loc într-adevăr la temperaturi de peste 320 de grade, dar este imposibil să vorbim serios despre eliberarea stirenului în timpul funcționării blocurilor de spumă de polistiren în intervalul de temperatură de la minus 40 la plus 70 °C. Există dovezi în literatura științifică că practic nu are loc oxidarea stirenului la temperaturi de până la +110 °C.”
Experții mai afirmă că scăderea rezistenței la impact a materialului la +65 °C nu a fost observată la un interval de 5000 de ore, iar scăderea rezistenței la impact la +20 °C nu a fost observată timp de 10 ani.
Natura toxică a stirenului și capacitatea polistirenului expandat de a elibera stiren sunt considerate nedovedite de experții europeni. Experții, atât din industria construcțiilor, cât și din industria chimică, fie neagă însăși posibilitatea oxidării spumei de polistiren în condiții normale, fie subliniază absența precedentelor, fie se referă la lipsa lor de informații cu privire la această problemă.
În plus, pericolul însuși al stirenului este inițial adesea exagerat. Conform unor studii științifice la scară largă efectuate în 2010 în legătură cu trecerea procedurii obligatorii de reînregistrare a substanțelor chimice în Agenția Europeană pentru Produse Chimice în conformitate cu regulamentul REACH, s-au făcut următoarele concluzii:
În plus, rețineți că stirenul se găsește în mod natural în cafea, scorțișoară, căpșuni și brânzeturi.
Astfel, principalele preocupări asociate cu toxicitatea specială a stirenului, despre care se presupune că eliberată în timpul utilizării polistirenului expandat, nu sunt confirmate [36]
Până în 2018, nicio dovadă a carcinogenității stirenului nu a depășit ipotezele teoretice conform cărora reacțiile chimice care implică stirenul ar putea deteriora teoretic ADN-ul. [38] Cu toate acestea, practic nicio mutație nu a putut fi detectată la oamenii expuși la stiren, chiar și atunci când stirenul a fost găsit în sângele oamenilor. Experimentele pe animale cu supradozaj cu stiren au arătat de mii de ori că acesta acționează la fel ca hormonul estrogen și chiar și la animale, efectele cancerigene nu au fost evidente. Singura dovadă directă a unui posibil efect carcinogen al stirenului la om a fost obținută în 2018, ceea ce a determinat OMS și Agenția Internațională pentru Cercetarea Cancerului (IARC) să reclasifice stirenul din „probabil” în „posibil” cancerigen. Au fost studiați 73.036 de muncitori care au lucrat în contact direct cu stirenul într-o uzină chimică. Numărul normal de leucemie mieloidă (o formă rară de leucemie ) este de aproximativ 10 persoane pentru acel număr de persoane, au fost găsite 25 de cazuri de leucemie mieloidă. Pe baza acestui fapt, au fost introduse noi standarde pentru lucrul cu stiren la întreprinderile chimice. De menționat că riscul normal de cancer pe parcursul vieții este de aproximativ 20%, în acest caz se discută un risc ipotetic de cancer de aproximativ 0,01% și este exclusiv pentru lucrătorii din industria chimică. [39] Pentru uz casnic al produselor pe bază de polistiren, emisia este de peste 10.000 de ori mai mică și nu există dovezi sau restricții privind utilizarea produselor din polistiren în uz casnic. După cum au menționat FDA și Consiliul pentru Cancer, mult mai important pentru reducerea riscului de cancer nu este isteria în jurul stirenului, ci evitarea fumatului, arsurilor solare, alcoolului și consumului de alimente nesănătoase. [40]
Polistirenul expandat nemodificat (clasa de combustibilitate G4) este un material inflamabil care se poate aprinde de la flacăra chibriturilor, a pistolului, de la scânteile de sudare cu oxicombustibil. Polistirenul expandat nu este aprins de un fir de fier calcinat, de o țigară care arde sau de scântei care apar într-un punct din oțel [41] . Polistirenul expandat se referă la materialele sintetice care se caracterizează printr-o inflamabilitate crescută. Este capabil să stocheze energie dintr-o sursă externă de căldură în straturile de suprafață, răspândind focul și inițiind intensificarea focului [42] .
Punctul de aprindere al polistirenului variază de la 210°C la 440°C, în funcție de aditivii utilizați de producători [43] [44] . Temperatura de aprindere a unei anumite modificări a polistirenului expandat este determinată în funcție de clasa de certificare.
Când polistirenul expandat obișnuit se aprinde (clasa de ardere G4), se dezvoltă în scurt timp o temperatură de 1200 °C [41] , la utilizarea aditivilor speciali (ignifuge), temperatura de ardere poate fi redusă în funcție de clasa de ardere (clasa de ardere G3). ). Arderea polistirenului are loc cu formarea de fum toxic de diferite grade și intensitate, în funcție de impuritățile adăugate în polistiren pentru a reduce generarea de fum. Emisia de fum de substanțe toxice este de 36 de ori mai mare în volum decât cea a lemnului.
Arderea spumei obișnuite de polistiren (clasa de combustibilitate G4) este însoțită de formarea de produse toxice: acid cianhidric , bromură de hidrogen și așa mai departe [45] [46] .
Din aceste motive, produsele din polistiren expandat netratat (clasa de inflamabilitate G4) nu au certificate de aprobare pentru utilizare în lucrări de construcții.
Producătorii folosesc polistiren expandat modificat cu aditivi speciali (ignifugă), datorită căruia materialul are diferite clase de aprindere, combustibilitate și formare de fum.
Astfel, cu instalarea corectă, în conformitate cu GOST 15588-2014 „Plăci termoizolante din polistiren. Specificații”, polistirenul expandat nu reprezintă o amenințare pentru siguranța la incendiu a clădirilor. Tehnologia „fațadă umedă” (WDVS, EIFS, ETICS), care implică utilizarea polistirenului expandat ca încălzitor în anvelopa clădirii, este utilizată pe scară largă în construcții.
Pentru a reduce riscul de incendiu al polistirenului expandat, i se adaugă substanțe ignifuge atunci când este primit. Materialul rezultat se numește spumă de polistiren cu auto-stingere (clasa de combustibil G3) și este desemnat de un număr de producători ruși cu o litera suplimentară „C” la sfârșit (de exemplu, PSB-S) [47] .
La 1 mai 2009, a intrat în vigoare noua lege federală FZ-123 „Regulamente tehnice privind cerințele de siguranță la incendiu”. S-a schimbat metodologia de determinare a grupei de combustibilitate a materialelor de construcție combustibile. Și anume, la articolul 13, paragraful 6, a apărut o cerință, excluzând formarea picăturilor de topitură în materiale cu grupa G1-G2 [48]
Având în vedere că punctul de topire al polistirenului este de aproximativ 220 ° C, atunci toate încălzitoarele pe bază de acest polimer (inclusiv spuma de polistiren extrudat) din 01.05.2009 vor fi clasificate într-o grupă de inflamabilitate nu mai mare de G3.
Înainte de intrarea în vigoare a Legii federale 123, grupul de clase de inflamabilitate cu adaos de ignifugă era caracterizat ca G1.
Reducerea combustibilității polistirenului expandat în majoritatea cazurilor se realizează prin înlocuirea gazului combustibil pentru „umflarea” granulelor cu dioxid de carbon [49] .