کاربرد پلیمر پلی‌استایرن انبساط‌ یافته در لوازم خانگی

ساختمان شیمیایی و برخی از خواص فیزیکی-مکانیکی پلیمرهای PS در زیر آمده است.

 

پلی‌استایرن (PS)، قریب به یک قرن است که به‌خوبی شناخته‌شده است ولیکن ماهیت مولکولی آن تا حدود سال 1920، مشخص نشده بود تا این‌که در همین سال اشتاودینگر (Staudiger)، ساختار مولکولی این ماده را توصیف کرد. در اواخر دهه 1930، به‌طور تجاری تولید شد. پلی‌استایرن، یکی از متداول‌ترین رزین‌های ترموپلاستیک آمورف تجاری و اقتصادی است که محدوده وسیعی از خواص متعادل فیزیکی-مکانیکی را داراست و قیمت جذابی هم دارد که نظر فروشندگان و سرمایه‌گذاران را برای تولید به خود جلب می‌کند.

پلی‌استایرن به سه نوع تقسیم‌ می‌شود.

1. پلی‌استایرن با کاربرد عام (General Purpose Polystyrene: GPPS)
2. پلی‌استایرن با مقاومت ضربه‌ای بالا (HIPS)
3. پلی‌استایرن قابل انبساط (EPS)

مواد اولیه لازم برای سنتز مونومر پلی‌استایرن، اتیلن و بنزن می‌باشند که در فرآیند سنتز با هم واکنش می‌دهند تا اتیل‌بنزن تشکیل شود که در ادامه فرآیندهای بیش‌تری (دیهروژناسیون) بر روی آن انجام می‌شود تا به مونومر وینیل بنزن یا همان استایرن (Styrene) تبدیل شود، مواد اضافی دیگر، اکریلونیتریل (AN) و لاستیک بوتا‌دی‌ان هست.
با استفاده از واکنش گرمایی یا کاتالیز شده مونومر استایرن، فرآیند پلیمریزاسیون آن آغاز می‌شود تا پلیمری آمورف تولید شود. برای بخشیدن و ایجاد خواص مطلوب در PS، افزودنی‌های گوناگونی به آن اضافه می‌شود، همانند لاستیک‌ها، نرم‌کننده‌ها، عوامل آزادکننده یا رها کننده و پایدار کننده‌ها. همچنین در فرمولاسیون‌های بر پایه PS از گروه‌های مختلف افزودنی دیگر همچون رنگین سازها، تأخیراندازهای شعله (FRs)، پایدارکننده‌های UV، یا اصلاح‌کننده‌های ضربه، استفاده می‌شود. نوعاً GPPS، به علت شفافیت، صلب و سخت بودن و مناسب بودن با کاربردهای گوناگون انتخاب می‌شود. وقتی‌که به انعطاف‌پذیری بیش‌تر یا مقاومت ضربه‌ای زیاد نیاز باشد، از HIPS استفاده می‌شود. این ماده شامل پلی‌بوتا‌دی‌ان به عنوان عامل کوپلیمریزاسیون به منظور افزایش چقرمگی می‌باشد که سبب مات و کدر شدن رنگ محصول می‌گردد.

مزایای پلی‌استایرن

• شفافیت بالا
• جلا و برق بالا
• انواع تأییدشده توسط اداره غذا و داروی آمریکا در دسترس می‌باشند.
• از طریق تمام روش‌های فرآیند نمودن ویژه بسپارهای گرمانرم، می‌توان آن‌ها را فرآیند نمود و شکل داد.
• قیمت پائینی دارند
• پایداری ابعادی خوب
• صلبیت و عدم انعطاف‌پذیری خوب

معایب و محدودیت‌های پلی‌استایرن

• قابل اشتعال ولی انواع FR از آن در دسترس می‌باشند.
• مقاومت ضعیف در برابر حلال و از طریق بیش‌تر مواد شیمیایی تحت حمله قرار می‌گیرند.
• هموپلیمرها شکننده می‌باشند.
• در معرض ایجاد ترک‌ها و شکاف‌های ناشی از تنش و محیط عمل قرار دارند
• پایداری حرارتی ضعیف

 کاربردهای نوعی پلی‌استایرن

• ظروف مصرفی تنها، همانند بشقاب‌ها، لیوان‌ها، فنجان‌ها
• کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی و قوطی‌ها یا مخازن نگه‌دارنده ویژه مواد آرایشی
• ورقه‌های جامد اکسترود شده، ورقه‌های فوم شده یا جهت داده‌شده در دو سو برای شکل دادن حرارتی، از آمیزه‌های مخلوط شده با کوپلیمر دسته‌ای استایرن‌بوتادی‌ان‌رابر درجاهایی که شفافیت و چقرمگی مطلوب است استفاده می‌شود.
• ورق‌های پلاستیکی در نقش پرده مقابل دوش حمام یا سطح قابل چاپ به راحتی رنگ می‌شود.
• کالاهای بسته‌بندی فوم شده ویژه مواد غذایی همانند سینی‌ها، مخازن قابل تعویض، عایق‌بندی ساختمان و مواد به‌کاررفته در مصالح ساختمانی و صنعت ساختمان
• کالاهایی که در تماس مستقیم با مواد غذایی هستند و از PS جهت داده‌شده ساخته‌شده‌اند، همانند قوطی‌های نگه‌داری کلوچه و سبدها یاسینی‌های سبزیجات
• قطعات قالب‌گیری شده و اجزای داخلی یخچال‌ها و لوازم‌خانگی دیگر، کالاهای مقاوم مصرفی همانند ظروف خانگی

پلی استایرن انبساط یافته

پلی‌استایرن سلولی ابتدا در سال 1935 توسط Munters و Tandberg معرفی شد. Ray McIntire محقق جوان در شرکت Dow تلاش کرد ماده‌ای شبیه لاستیک تهیه و از این ماده به‌عنوان نارسانای الکتریکی استفاده کند. پلی‌استایرن عایق الکتریکی خوب، اما بسیار شکننده است. McIntire، استایرن را با ایزوبوتن (مایع فرار) در فشار کم ترکیب کرد. تا پلیمری جدید شبیه لاستیک بسازد. او هنگام ترکیب استایرن و ایزوبوتن به‌طور تصادفی مقدار اضافی از ایزوبوتن اضافه کرد و با تعجب مشاهده کرد که ایزوبوتن حباب‌های ریزی تشکیل می‌دهد. بنابراین پلی‌استایرن اسفنجی با ساختار ریز سلولی حاصل شد که 30 برابر سبک‌تر از پلی‌استایرن منظم بود. کلمه Styrofoam هنوز نام تجاری به رفته توسط شرکت Dow است و برای نوعی عایق به‌کاررفته برای مواد ساختمانی استفاده می‌شود.
در اوایل دهه 1940، تولید تجاری پلی‌استایرن سلولی آغاز شد. در سال 1942، شرکت Dow تحقیق روی فرآیند اکستروژن برای تهیه اسفنج پلی‌استایرن را با استفاده از متیلن کلراید (کلرو کربن با دمای جوش کم) به‌عنوان عامل پف زا آغاز به کارکرد. محصول به کنده‌های اسفنج بزرگی اکسترود شد. سپس به تخته‌هایی بریده شدند. این مواد در سال 1943 با تجاری استیروفوم معرفی شدند. این اسفنج‌ به‌عنوان محیط شناوری و مواد عایق استفاده شد.
در اوایل دهه 1940، شرکت BASF فرآیند تولید پلی‌استایرن اسفنجی را توسعه داد. این فرآیند بعدها به‌وسیله فرآیند پلیمر شدن تعلیقی اصلاح شد که دانه‌های پلی‌استایرن اسفنجی را تولید کرد. عامل پف زا (مثلاً پنتان) حین پلیمر شدن استایرن یا در مرحله آغشته‌سازی جداگانه در فشار گرم می‌شود.
مهم‌ترین عامل برای رشد تجاری سریع پلی‌استایرن قابل انبساط، قابلیت قالب‌گیری بخاری درون اسفنج‌های سبک‌وزن، سلول بسته باقیمت کم، مناسب برای فنجان‌های آشامیدنی، بسته‌بندی‌ها، سطل‌های یخ، جعبه پیک‌نیک و تخته عایق است. در اواخر دهه 1960، تقاضا برای پلی‌استایرن اسفنجی به دلیل استفاده گسترده در طبق‌های گوشت، جعبه‌های میوه و کارتن‌های تخم‌مرغ افزایش یافت. در سال 1969، فروش اسفنج‌ پلی‌استایرن به‌ویژه برای انواع خود اطفایی رشد فزاینده‌ای یافت. کاربردهای عمده این پلیمر شامل تخته عایق در یخچال‌های مخزن سرما و عایق‌بندی خانه‌ها بودند.

دانه‌های پلی‌استایرن اسفنج شدنی به‌وسیله دو فرآیند پایه‌ای تولید می‌شوند:

1. پلیمر شدن تعلیقی استایرن درون‌دانه‌های کروی حاوی عامل پف زا و درنهایت فرآیندی چندمرحله‌ای
2. ورود عامل پف زا حین فرآیند اکستروژن پلی‌استایرن توده، با رشته‌های پلیمر که برای جلوگیری از پف‌زایی در حمام آب به طور ناگهانی سرد شده‌اند (quenched) و سپس بریدن رشته‌ها.

ماده خام به شکل مهره یا دانه، پلی‌استایرن انبساط پذیر نامیده می‌شود. روش معمول برای تهیه مهره‌ها یا دانه‌های پلی‌استایرن انبساط پذیر به‌این‌ترتیب است که آن‌ها در محلی تولیدشده و به مکان دیگری برای انبساط یافتن یا قالب‌گیری درون شکل‌های نهایی انتقال داده می‌شوند. در این فرآیند، هزینه حمل‌ونقل اسفنج سنگین با کشتی به حداقل می‌رسد و شکل‌های پیچیه قالب‌گیری می‌توانند به طور غیرمستقیم بدون پس‌فرآورش ایجاد شوند.
ذرات اسفنج انبساط پذیر بر پایه پلیمر شدن تعلیقی در سه مرحله به اسفنج تبدیل می‌شوند که عبارت‌اند از: پیش‌پف‌زایی، ذخیره‌سازی موقتی و پف‌زایی نهایی. کاربردهای عمده برای ذرات پلی‌استایرن قابل انبساط برپایه پلیمرشدن تعلیقی در عایق گرمایی و در بخش بسته‌بندی است. بر طبق برآوردی در سال 199، مصرف جهانی پلی‌استایرن انبساط یافته حدود 35/2 میلیون تن در هرسال است.
نوع انبساط یافته هموپلیمر استایرن برای ساخت محصولات اسفنجی استفاده می‌شود که معمولاً در جای مصرف اسفنجی می‌شوند. دانه‌های پلی‌استایرن انبساط‌یافته به‌وسیله پلیمر شدن تعلیقی مونومر استایرن در مجاورت عامل پف‌زای آلی فرار تهیه می‌شوند. عامل پف‌زا از قبیل پنتان یا هگزان به طور عادی در شرایط پلیمر شدن مایع است. اما پس از گرما دادن فرار می‌شود تا پلیمر را نرم کند و به این ترتیب محصول اسفنجی تولید شود. نیاز برای تولید انواع مختلف محصولات به‌وسیله تغییر اندازه دانه، مقدار و ترکیب عامل پف‌زا، وزن مولکولی پلیمر و توزیع وزن مولکولی فراهم می‌شود. دانه‌های بزرگ‌تر که کم‌ترین چگالی را دارند در عایق گرمایی استفاده می‌شوند و دانه‌های کوچک‌تر که خواص مکانیکی و اتمام سطح بهتری دارند، در بسته‌بندی‌های مرسوم فنجان‌های نوشیدنی عایق‌بندی شده به کار می‌روند. گستره استفاده از این پلی‌استایرن در حال افزایش است. به‌عنوان‌مثال اخیراً در سقف‌های تیرچه‌بلوک به‌جای بلوک سیمانی از بلوک‌های پلی‌استایرن انبساط‌یافته استفاده می‌شود. دانه‌های انبساط پذیر پلی‌استایرن را نیز می‌توان به شکل صفحاتی برای نما در ساختما‌ن‌سازی به کار برد.
پلیمر شدن تعلیقی برای تولید پلی‌استایرن انبساط‌‌یافته در راکتور ناپیوسته پوشیده شده دارای همزن و دو یا بیش‌تر مانع انجام می‌شود که حجم ظروف بین 20 و 100 مترمکعب است. در شروع فرآیند پلیمر شدن فاز آبی و فاز مونومر در ظرف قرارگرفته و افزودنی‌ها بیش از پلیمر شدن یا حین آن اضافه می‌شوند. این افزودنی‌ها آب و اجزای محلول در مونومر هستند که پیش از شروع واکنش یا حین آن اضافه می‌شوند.
این افزودنی‌ها آب و اجزای و اجزای محلول در مونومر هستند که پیش از شروع واکنش در ظروف جدا حل یا پخش‌شده‌اند. نسبت فاز متانول به آب معمولاً بین 60/40 و 40/60 است. رآکتور پرشده گرم می‌شود، دما به‌تدریج افزایش می‌یابد و حین پلیمر شدن رادیکالی عامل پف‌زا در زیر فشار اضافه می‌شود. پس از تبدیل قطره‌های مونومر استایرن به دانه‌های پلی‌استایرن انبساط‌یافته رآکتور سرد شده و تعلیق به ظرف مخلوط‌کن در حال هم خوردن منتقل می‌شود. دانه‌های قابل انبساط نیز از آب به‌وسیله سانتریفوژ یا غربال‌های چرخاندن جدا می‌شوند.
از دو نوع پراکسید برای تولید پلی‌استایرن انبساط‌یافته می‌شود. دی‌بنزوییل پراکسید برای مرحله اول پلیمر شدن در دمای 90 درجه سانتی‌گراد و ترشیوبوتیل‌پروکسی‌بنزوات برای دومین مرحله در گستره دمایی 15 تا 130 درجه سانتی‌گراد کاربرد دارد.
یکی از مهم‌ترین کاربردهای پلی‌استایرن، استفاده از آن به‌عنوان اسفنج پلی‌استایرن است، دانه‌های ریز پلی‌استایرن اسفنج‌پذیر و قطعات ساخته‌شده از این دانه‌ها، کاملاً شناخته‌شده‌اند. مزایای عمده قطعات اسفنج پلی‌استایرن عبارت‌اند از:

• انتقال گرمای کم برای استفاده در عایق‌ها
• جاذب خوب انرژی برای بسته‌بندی مواد ظریف با شناوری زیاد
• زیاد بودن نسبت سفتی به وزن به‌طوری‌که قطعات ساخته‌شده، وزن کم و استحکام خوبی دارند.
• هزینه کم به ازای واحد حجم با توجه به مزایای ذکرشده برای اسفنج پلی‌استایرن

یکی از معضلات پلی‌استایرن، اشتعال‌پذیری آن است که لازم است برای بعضی از کاربردها، مواد آن به حالت کندسوز درآیند. در این پژوهش پس از پلیمر شدن مونومر استایرن به روش تعلیقی تا حدود 80%-70% و تثبیت اندازه ذرات، در مرحله نفوذ پنتان به‌عنوان عامل اسفنجی کننده و افزودنی مناسب انحلال‌پذیر در پنتان استفاده شد. افزودنی کندسوزکننده (ترکیبات برم) پیش از وارد شدن به رآکتور به طور کامل در پنتان در دمای محیط حل‌شده و محلول یکنواخت به هنگام شروع مرحله نفوذ به رآکتور شارژ شد. با افزایش دما تا 120-110 درجه سانتی‌گراد در این مرحله ضمن تکمیل پلیمر شدن، عمل نفوذ پنتان و افزودنی حل‌شده در آن در دانه‌های پلی‌استایرن انجام شد. نتایج آزمایش‌های UL94 و اکسیژن  برای ارزیابی خاموش شدن شعله نشان داد که ماده افزودنی به مقدار 10% وزنی پنتان نتایج بسیار مطلوبی را می‌دهد.
پلی‌استایرن انبساط‌یافته اصطلاح کلی برای پلی‌استایرن و کوپلیمرهای آن است که به انواع مختلفی از محصولات مفید گسترش می‌یابند. این نوع پلی‌استایرن در قالب‌های به شکل دانه پلی‌استایرن تولید می‌شوند. خواص قطعات ضربه‌گیر و سایر مشخصه‌های اسفنج پلی‌استایرن انبساط‌یافته هم‌زمان با قیمت کم، خواص عایق زیاد، قابلیت قالب‌گیری معمولی و سهولت فرآورش، این پلیمر را به‌عنوان ماده بسته‌بندی مهمی در صنایع مختلف تبدیل کرده است. بیش از 50 سال است که کارایی پلی‌استایرن انبساط‌یافته در کاربردهای بسته‌بندی بی‌شمار در صنایع مختلف، کالاهای مصرفی و تولیدکنندگان محصولات ثابت‌شده است. پلی‌استایرن انبساط‌یافته سبک‌وزن به دلیل داشتن خواص فیزیکی ویژه مانند نرمی، پایداری ابعادی و مقاومت گرمایی و رطوبتی برای کاربردهای بسته‌بندی مفید است.
پلی‌استایرن انبساط‌یافته با قالب‌گیری معمولی برای بسته‌بندی درونی به‌ویژه در حفاظت از اجزای الکترونیکی حساس، کالاهای مصرفی و تجهیزات دفتری بسیار حائز اهمیت است. قابلیت قالب‌گیری این پلیمر، بسته‌بندی درونی مطمئن و امنی را برای اشیا فراهم می‌کند. خواصی چون عایق بودن زیاد و مقاومت در برابر رطوبت، پلی‌استایرن انبساط‌یافته را انتخابی مناسب برای صنایع بسته‌بندی غذایی، پزشکی و دارویی کرده است. یک مزیت مهم پلی‌استایرن انبساط یافته، قابلیت بازیافت آن است. اجزای این پلیمر می‌تواند مجدداً فرآیند شده و به محصولات بسته‌بندی یا کالاهای بادوام قالب‌گیری شوند.