Polystyren

Rozbalit box

Obsah boxu

Polystyren (zkratka PS) je syntetický aromatický polymer vyráběný z monomeru styren. V pevné formě je to bezbarvý, tvrdý a křehký plast s omezenou flexibilitou. Může být průhledný nebo barvený do různých odstínů. Polystyren je jedním z nejrozšířenějších plastů na světě, s roční produkcí v řádech milionů tun.

Jeho nejznámější formou je pravděpodobně pěnový polystyren (EPS), který se používá jako obalový a izolační materiál. Kromě toho existuje ve formě pevného, krystalicky čirého plastu (GPPS) používaného na jednorázové kelímky či obaly na CD, a také ve formě houževnatého polystyrenu (HIPS), který je odolnější proti nárazu. Díky své nízké ceně, snadné zpracovatelnosti a izolačním vlastnostem nalezl uplatnění v široké škále odvětví, od stavebnictví přes obalový průmysl až po výrobu spotřebního zboží.

📜 Historie

Historie polystyrenu sahá až do roku 1839, kdy německý lékárník Eduard Simon náhodně izoloval látku ze styraxu, pryskyřice stromu Liquidambar orientalis. Destilací získal olejovitou látku, monomer, který pojmenoval styren. Simon zjistil, že když styren ponechal stát, po několika dnech zhoustl do želatinové podoby, kterou nazval "styrenoxid" (Styroloxyd), protože se mylně domníval, že došlo k oxidaci.

Teprve v roce 1845 chemici John Blyth a August Wilhelm von Hofmann prokázali, že stejná přeměna probíhá i bez přítomnosti kyslíku, a látku přejmenovali na "metastyren". Později, v roce 1866, Marcellin Berthelot správně identifikoval proces jako polymerace.

Komerční využití však bylo ještě daleko. V 80. letech 19. století se zjistilo, že zahříváním styrenu lze proces polymerace řídit, což otevřelo cestu k průmyslové výrobě. Klíčový průlom přišel ve 30. letech 20. století ve společnosti IG Farben v Německu, kde se podařilo vyvinout proces výroby komerčně využitelného polystyrenu. Krátce nato, kolem roku 1937, začala s výrobou i americká společnost Dow Chemical.

Vývoj pěnového polystyrenu (EPS) je spojen se jménem Raye McIntirea, vědce z Dow Chemical, který se v roce 1941 snažil vyvinout flexibilní elektrický izolátor. Místo toho náhodným smícháním styrenu s isobutanem vytvořil lehkou a pevnou pěnu. Společnost si tento proces patentovala a pod obchodní značkou Styrofoam jej uvedla na trh.

🔬 Fyzikální a chemické vlastnosti

Polystyren je amorfní, termoplastický polymer. Jeho vlastnosti se výrazně liší v závislosti na typu (pevný vs. pěnový) a přítomnosti aditiv.

Fyzikální vlastnosti

• Hustota: Standardní pevný polystyren má hustotu kolem 1,05 g/cm³, což je o něco více než hustota vody. Pěnový polystyren (EPS) má hustotu mnohem nižší, typicky mezi 10 a 50 kg/m³ (0,01–0,05 g/cm³), což mu dává vynikající vztlakové vlastnosti.
• Optické vlastnosti: Krystalový polystyren (GPPS) je vysoce průhledný s dobrým indexem lomu (kolem 1,59), což umožňuje jeho použití jako levné náhrady skla v nenáročných aplikacích.
• Mechanické vlastnosti: Základní polystyren je tvrdý, ale velmi křehký a má nízkou odolnost proti nárazu. Houževnatý polystyren (HIPS), modifikovaný přidáním polybutadienového kaučuku, je výrazně odolnější.
• Tepelné vlastnosti: Polystyren má nízkou tepelnou vodivost, což z něj, zejména v pěnové formě, činí vynikající tepelný izolant. Jeho teplota skelného přechodu (T_g) je přibližně 90-100 °C. Nad touto teplotou měkne a stává se tvárným, což umožňuje jeho tepelné tvarování. Je hořlavý.

Chemické vlastnosti

• Odolnost: Polystyren dobře odolává zředěným kyselinám a zásadám, alkoholům a vodě.
• Rozpustnost: Je nerozpustný ve vodě, ale rozpouští se v mnoha organických rozpouštědlech, jako jsou aceton, toluen, cyklohexan nebo dichlormethan. Tato vlastnost se využívá při výrobě lepidel na plastové modely.
• Degradace: Polystyren je velmi odolný vůči biologickému rozkladu a v přírodě přetrvává stovky let. Je však náchylný k degradaci působením ultrafialového (UV) záření, které způsobuje jeho žloutnutí a křehnutí.

⚙️ Výroba

Základní surovinou pro výrobu polystyrenu je monomer styren (vinylbenzen), který se vyrábí z ropy přes meziprodukty ethylbenzen a benzen. Samotný polystyren vzniká procesem zvaným polymerace, při kterém se molekuly styrenu spojují do dlouhých řetězců.

Nejčastěji se používá volně radikálová polymerace. Proces je iniciován iniciátorem (např. benzoylperoxid), který vytvoří volný radikál. Ten reaguje s molekulou styrenu, čímž se řetězec začne prodlužovat. Reakce probíhá, dokud se dva rostoucí řetězce nespojí nebo dokud není reakce ukončena jiným způsobem.

Výsledkem je pevný polystyren ve formě granulí, které jsou následně zpracovávány různými technologiemi, jako je vstřikování, extruze nebo tepelné tvarování, do finálních výrobků.

Při výrobě pěnového polystyrenu (EPS) se do granulí přidává nadouvadlo (např. pentan). Granule se následně zahřívají vodní párou, což způsobí, že nadouvadlo expanduje a granule se mnohonásobně zvětší. Tyto expandované "kuličky" se pak slisují a znovu zahřejí ve formě, kde se spojí do finálního bloku nebo tvarovky.

🧱 Typy polystyrenu

Existuje několik základních typů polystyrenu, které se liší svými vlastnostmi a použitím.

Krystalový polystyren (GPPS)

General-Purpose Polystyrene (GPPS) je základní, nemodifikovaná forma polystyrenu. Je tvrdý, křehký a dokonale průhledný. Používá se na výrobu jednorázových kelímků na pití, obalů na CD a DVD, Petriho misek, pravítek a dalších produktů, kde je vyžadována průhlednost a nízká cena.

Houževnatý polystyren (HIPS)

High-Impact Polystyrene (HIPS) je kopolymer polystyrenu a polybutadienového kaučuku. Příměs kaučuku (typicky 5-10 %) výrazně zvyšuje jeho houževnatost a odolnost proti nárazu. Na rozdíl od GPPS je neprůhledný (typicky mléčně bílý) a méně tvrdý. Používá se na výrobu hraček, vnitřních částí ledniček, obalů na potraviny (např. kelímky od jogurtů) a krytů elektroniky.

Pěnový polystyren (EPS)

Expanded Polystyrene (EPS) je lehký pěnový materiál tvořený z 95-98 % vzduchem. Vzniká expanzí polystyrenových perlí obsahujících nadouvadlo. Má vynikající tepelně izolační a tlumicí vlastnosti. Je široce používán ve stavebnictví jako tepelná izolace (fasádní desky, podlahová izolace) a v obalovém průmyslu pro ochranu křehkého zboží (tvarovky, výplňové "chipsy"). V Česku je často hovorově označován jako "bílý polystyren".

Extrudovaný polystyren (XPS)

Extruded Polystyrene (XPS) je další typ pěnového polystyrenu, který se vyrábí odlišnou technologií – extruzí. Výsledkem je pěna s uzavřenou buněčnou strukturou, která je homogennější, pevnější a má nižší nasákavost než EPS. Díky těmto vlastnostem je vhodný pro náročnější aplikace, jako je izolace základů, soklů, plochých střech nebo podlah s vysokým zatížením. XPS je často barevný (např. růžový, modrý, zelený) pro odlišení od EPS.

📦 Využití a aplikace

Polystyren je díky své všestrannosti a nízké ceně jedním z nejpoužívanějších plastů.

• Obalový průmysl: Největší spotřebitel polystyrenu. Používá se na výrobu obalů na potraviny (krabičky na jídlo s sebou, kelímky, tácky na maso), ochranných obalů pro elektroniku a spotřebiče (EPS, XPS) a jako výplňový materiál.
• Stavebnictví: EPS a XPS jsou klíčové materiály pro tepelnou izolaci budov. Používají se v kontaktních zateplovacích systémech (ETICS), pro izolaci podlah, střech a základů.
• Spotřební zboží: Z polystyrenu se vyrábí jednorázové nádobí a příbory, hračky, plastové modely, kancelářské potřeby, ramínka na šaty a mnoho dalšího.
• Elektronika: HIPS se používá na výrobu krytů a pouzder pro televizory, počítače a další elektronická zařízení.
• Zdravotnictví: Díky své čirosti a snadné sterilizaci se GPPS používá na výrobu laboratorního vybavení, jako jsou Petriho misky, zkumavky nebo pipety.

🌍 Environmentální dopady a recyklace

Polystyren je předmětem časté kritiky kvůli svému negativnímu dopadu na životní prostředí.

Perzistence a znečištění

Jako většina plastů je polystyren velmi odolný vůči přirozenému rozkladu. V přírodě se nerozkládá, ale fragmentuje na menší a menší kousky, tzv. mikroplasty. Tyto částice kontaminují půdu, vodu i potravní řetězec. Pěnový polystyren je obzvláště problematický, protože je lehký, snadno se láme a vítr a voda ho mohou přenášet na velké vzdálenosti. Často končí v oceánech, kde ho mořští živočichové mohou pozřít v domnění, že jde o potravu.

Recyklace

Polystyren je technicky recyklovatelný a nese recyklační symbol s číslem 6. Recyklace je však komplikovaná a ekonomicky náročná z několika důvodů:

• Nízká hustota: Pěnový polystyren je velmi objemný, což značně prodražuje jeho sběr a přepravu.
• Znečištění: Obaly od potravin jsou často znečištěné zbytky jídla, což komplikuje proces recyklace.
• Nízká hodnota: Recyklovaný polystyren má relativně nízkou tržní hodnotu ve srovnání s jinými plasty.

Recyklovaný polystyren se používá k výrobě izolačních desek, dekoračních lišt, květináčů nebo jako příměs do lehkého betonu. V mnoha zemích a městech je však používání jednorázových polystyrenových obalů na potraviny omezováno nebo zcela zakazováno.

Energetické využití

Alternativou k recyklaci je energetické využití ve spalovnách. Polystyren má vysokou výhřevnost, srovnatelnou s fosilními palivy. Při kontrolovaném spalování za vysokých teplot vzniká především oxid uhličitý a voda.

⚠️ Bezpečnost a zdravotní rizika

Samotný polymerovaný polystyren je považován za chemicky inertní a netoxický. Určité obavy však panují ohledně zbytkového monomeru styrenu, který může v malém množství zůstat v konečném produktu.

Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) klasifikuje styren jako "pravděpodobně karcinogenní pro člověka" (skupina 2A). Množství styrenu, které se může uvolnit z polystyrenových obalů do potravin, je však obecně považováno za velmi nízké a pod limity stanovenými regulačními úřady. Riziko se může mírně zvýšit při zahřívání polystyrenových nádob v mikrovlnné troubě, pokud k tomu nejsou výslovně určeny.

Další kontroverze se týká používání zpomalovačů hoření, zejména hexabromcyklododekanu (HBCD), který se dříve přidával do stavebního polystyrenu. HBCD je perzistentní organická znečišťující látka a jeho používání je dnes celosvětově regulováno Stockholmskou úmluvou.

🧑‍🏫 Pro laiky

Představte si polystyren jako extrémně dlouhý náhrdelník, kde každá jednotlivá perlička je molekula zvaná "styren". Když se tisíce těchto perliček spojí do jednoho řetězu, vznikne pevná a odolná hmota – polystyren.

• Krystalový polystyren (průhledný kelímek): To je ten "náhrdelník" v jeho nejčistší podobě. Je průhledný, ale protože jsou řetězce pevně uspořádané, je také křehký. Když ho ohnete, snadno praskne.
• Houževnatý polystyren (kelímek od jogurtu): Tady do směsi "náhrdelníků" přidáme malé gumové kuličky. Tyto kuličky fungují jako tlumiče nárazů. Když se do plastu udeří, gumové částice pohltí energii a zabrání prasknutí. Proto je tento typ polystyrenu ohebnější a odolnější, ale už není průhledný.
• Pěnový polystyren (izolační deska): Představte si, že vezmete malé granulky polystyrenu a smícháte je s látkou, která se při zahřátí mění v plyn (jako kypřicí prášek v těstě). Když tuto směs zahřejete párou, plyn se začne rozpínat a nafoukne každou granulku jako popcorn. Výsledkem je velmi lehký materiál, který je z velké části tvořen vzduchovými bublinami uvězněnými v tenké polystyrenové skořápce. Právě tento uvězněný vzduch z něj dělá skvělý izolant proti zimě i horku.

Šablona:Aktualizováno