Plasty pro stavebnictví a architekturu 16

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.