Polistirena (PS)

Polistirena (PS) ialah bahan polimer termoplastik yang disintesis melalui pempolimeran penambahan monomer stirena. Sebagai salah satu daripada lima plastik tujuan umum, ia telah menjadi bahan asas yang sangat diperlukan dalam industri moden dan kehidupan seharian sejak pengeluaran perindustriannya pada tahun 1930-an, berkat ketelusan yang sangat baik, kemudahan pemprosesan dan kelebihan kos. Daripada kotak pembungkusan makanan lutsinar kepada plastik buih kalis hentakan, daripada selongsong perkakas rumah kepada bahan penebat binaan, PS memainkan peranan penting dalam pelbagai bidang dengan ciri uniknya, sambil juga terus meneroka laluan pembangunan mampan dalam inovasi teknologi perlindungan alam sekitar.

1. Struktur molekul dan ciri teras

Struktur molekul polistirena adalah teras yang menentukan sifatnya. Unit berulangnya ialah -C₆H₅-CH-CH₂-, dan rantai molekul mengandungi kumpulan sisi gelang benzena tegar. Struktur ini memberikan PS dengan satu siri ciri yang berbeza.

Dari segi sifat mekanikal, polistirena tujuan am (GPPS) mempamerkan ketegaran dan kekerasan yang tinggi, dengan kekuatan tegangan mencapai 30-50 MPa dan modulus lenturan kira-kira 2800-3500 MPa. Walau bagaimanapun, ia tidak mempunyai keliatan, dengan pemanjangan putus hanya 1%-3%. Sebagai bahan rapuh biasa, ia terdedah kepada patah apabila hentaman. Untuk menangani kekurangan ini, polistirena berimpak tinggi (HIPS), yang diperoleh melalui kopolimerisasi atau pengubahsuaian campuran, memperkenalkan fasa getah ke dalam rantai molekul, meningkatkan kekuatan impak sebanyak 3-5 kali ganda dan meluaskan julat aplikasi PS.

Dari segi sifat terma, PS mempunyai suhu peralihan kaca (Tg) kira-kira 80-100 ℃, tanpa takat lebur yang berbeza (disebabkan sifat amorfusnya). Suhu penggunaan berterusannya biasanya berkisar antara 60-80 ℃. Di luar Tg, ia beransur-ansur melembut dan berubah bentuk. Kestabilan habanya adalah sederhana, dan ia terdedah kepada degradasi pada suhu tinggi (melebihi 250℃), melepaskan monomer stirena. Oleh itu, kawalan suhu yang ketat diperlukan semasa pemprosesan. PS mempamerkan pekali pengembangan linear yang tinggi (kira-kira 7×10⁻⁵/℃), dan kestabilan dimensinya dipengaruhi dengan ketara oleh suhu. Ciri ini harus dipertimbangkan semasa mereka bentuk produk ketepatan.

Prestasi optik adalah kelebihan utama PS. Polistirena tujuan am (GPPS) mempunyai ketransmisian cahaya 88%-92%, tahap jerebu di bawah 1%, dan berkilat tinggi, kedua selepas polymethylmethacrylate (PMMA). Ia membolehkan paparan kandungan yang jelas, menjadikannya bahan yang ideal untuk pembungkusan lutsinar dan komponen optik. Ketelusan tinggi ini berpunca daripada struktur molekul amorfus atau kristal rendahnya, yang mengelakkan penyerakan cahaya yang disebabkan oleh penghabluran.

Dari segi prestasi pemprosesan, PS mempamerkan kebolehlilir leburan yang sangat baik, dengan pelbagai indeks leburan (1-40g/10min). Ia mudah dibentuk melalui proses seperti pengacuan suntikan, penyemperitan, dan berbuih, dengan kitaran pengacuan pendek dan kecekapan pengeluaran yang tinggi. Kadar pengecutan acuannya yang kecil (0.4%-0.7%) dan ketepatan dimensi yang tinggi menjadikannya sesuai untuk menghasilkan komponen ketepatan. Selain itu, permukaan PS mudah dicetak, disalut dan dikimpal, membolehkan pemprosesan sekunder melalui pelbagai kaedah untuk meningkatkan nilai tambah produk.

Dari segi sifat kimia, PS tahan terhadap hakisan daripada larutan asid, alkali dan garam, tetapi ia mudah larut atau membengkak oleh pelarut organik seperti hidrokarbon aromatik dan hidrokarbon berklorin, menjadikannya tidak sesuai untuk mengandungi jenis bahan kimia ini. Rintangan cuacanya lemah, dan pendedahan jangka panjang kepada cahaya matahari boleh menyebabkan kemerosotan akibat sinaran ultraungu, yang membawa kepada kekuningan dan kekosongan. Penyerap UV perlu ditambah untuk meningkatkan prestasinya.

II. Proses Pengeluaran dan Sumber Bahan Mentah

Pengeluaran industri polistirena menggunakan stirena sebagai monomer tunggal, dan proses pengeluarannya adalah matang dan stabil. Teras proses melibatkan memulakan pempolimeran radikal stirena melalui pemula, dengan kaedah pempolimeran berbeza dipilih berdasarkan jenis dan keperluan prestasi produk.

Pengeluaran monomer stirena berfungsi sebagai asas rantaian industri polistirena (PS), terutamanya diperoleh daripada rantaian industri petrokimia. Dalam industri, etilbenzena biasanya digunakan sebagai bahan mentah untuk menghasilkan stirena melalui penyahhidrogenan. Etilbenzena pula dihasilkan melalui pengalkilasi benzena dan etilena di bawah pengaruh mangkin. Kedua-dua benzena dan etilena berasal daripada penapisan petroleum atau pemprosesan gas asli, oleh itu PS pada dasarnya adalah plastik berasaskan fosil. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kemajuan telah dicapai dalam penyelidikan dan pembangunan stirena berasaskan bio, yang melibatkan pengeluaran prekursor stirena (seperti fenilalanin) melalui penapaian biojisim, diikuti dengan penukaran kimia untuk mendapatkan stirena berasaskan bio. Ini menyediakan laluan baharu untuk pengeluaran hijau PS, tetapi aplikasi perindustrian berskala besar masih belum dicapai.

Proses pempolimeran polistirena terutamanya merangkumi empat jenis: pempolimeran pukal, pempolimeran ampaian, pempolimeran emulsi, dan pempolimeran larutan. Antaranya, pempolimeran pukal dan pempolimeran ampaian merupakan kaedah arus perdana dalam pengeluaran perindustrian.

Proses pempolimeran pukal sesuai untuk menghasilkan polistirena tujuan am (GPPS) dan polistirena berimpak tinggi (HIPS). Dalam proses ini, monomer stirena dicampur dengan pemula (seperti benzoil peroksida) dan secara beransur-ansur dipanaskan hingga 80-160°C dalam cerek tindak balas, di mana pempolimeran berlaku melalui pempolimeran radikal. Tindak balas dibahagikan kepada dua peringkat: prapolimerisasi dan pasca pempolimeran. Peringkat prapolimerisasi dijalankan pada suhu yang lebih rendah, dengan kadar penukaran 30%-50%, menghasilkan cair kelikatan tinggi. Peringkat pasca pempolimeran melengkapkan baki tindak balas pempolimeran pada suhu yang lebih tinggi, dengan kadar penukaran melebihi 95%. Produk pempolimeran pukal mempunyai ketulenan yang tinggi dan ketelusan yang baik, tanpa memerlukan penyingkiran pelarut, dan prosesnya mudah. Walau bagaimanapun, tindak balas adalah eksotermik dan pekat, memerlukan kawalan suhu yang ketat untuk mengelakkan pempolimeran letupan.

Proses pempolimeran ampaian digunakan terutamanya untuk pengeluaran polistirena tujuan am (PS) dan polistirena boleh kembang (EPS). Dalam proses ini, monomer stirena tersebar di dalam air untuk membentuk ampaian, yang mana pemula dan penyerap (seperti polivinil alkohol) ditambah. Pempolimeran berlaku pada 80-100°C dengan pengadukan. Dispersant berfungsi untuk menghalang penyatuan titisan monomer, menghasilkan zarah seperti manik seragam. Pempolimeran ampaian ialah tindak balas yang ringan dan mudah dikawal, menghasilkan produk berbutir yang mudah untuk diasingkan, mencuci dan mengeringkan, menjadikannya sesuai untuk pengeluaran besar-besaran PS kegunaan umum. Dengan memperkenalkan agen berbuih (seperti pentana) semasa proses pempolimeran, manik polistirena boleh dikembangkan (EPS) boleh dihasilkan.

Proses pempolimeran emulsi digunakan untuk menghasilkan polistirena berimpak tinggi (HIPS) atau PS jenis lateks. Ia melibatkan pengemulsi monomer stirena dalam fasa akueus dan memulakan pempolimeran dengan pemula larut air (seperti kalium persulfat) untuk membentuk zarah lateks. Proses ini mempunyai kadar tindak balas yang cepat dan menghasilkan produk dengan berat molekul yang tinggi. Walau bagaimanapun, ia memerlukan penyingkiran pengemulsi dan air, menjadikan prosesnya lebih kompleks. Ketulenan produk agak rendah, dan ia digunakan terutamanya dalam bidang khas.

Selepas tindak balas pempolimeran selesai, leburan atau zarah PS diekstrusi dan dibutirkan menjadi bahan mentah berbutir. Untuk GPPS, antioksidan, pelincir, dan bahan tambahan lain boleh ditambah semasa granulasi; untuk HIPS, fasa getah (seperti getah polibutadiena) perlu diperkenalkan semasa peringkat pempolimeran atau peringkat granulasi untuk membentuk struktur pulau-dalam-laut " melalui pengadunan, dengan zarah getah berfungsi sebagai pengubah impak untuk menyerap tenaga hentaman; untuk EPS, rawatan penuaan selepas granulasi diperlukan untuk memastikan agen berbuih diagihkan sama rata dalam zarah.

Semasa proses pengeluaran, kawalan tepat suhu pempolimeran, tekanan, kadar kacau, dan dos pemula adalah perlu untuk mengawal berat molekul dan pengagihan berat molekul PS, memastikan prestasi produk yang stabil. Sebagai contoh, berat molekul yang terlalu tinggi boleh menyebabkan penurunan kebolehaliran cair dan kesukaran pemprosesan; manakala berat molekul yang terlalu rendah boleh menjejaskan sifat mekanikal produk.

III. Teknologi pengelasan dan pengubahsuaian

Polistirena boleh dibahagikan kepada pelbagai kategori berdasarkan perbezaan struktur dan prestasi. Sempadan prestasinya boleh diperluaskan lagi melalui teknik pengubahsuaian fizikal atau kimia untuk memenuhi keperluan aplikasi yang pelbagai.

Polistirena tujuan am (GPPS) ialah jenis polistirena (PS) yang paling asas, yang merupakan homopolimer dengan rantai molekul biasa dan struktur amorf. Ia mempamerkan ketelusan dan kebolehprosesan yang sangat baik, tetapi ia juga sangat rapuh dan mempunyai rintangan hentaman yang lemah. Kelikatan intrinsik GPPS biasanya 0.6-0.8dL/g, dan indeks leburannya berjulat dari 5 hingga 20g/10min. Ia digunakan terutamanya untuk membuat produk lutsinar seperti bekas pembungkusan makanan, alat tulis, dan perumah lampu.

Polistirena berimpak tinggi (HIPS) ialah gabungan atau kopolimer cantuman GPPS dan fasa getah (biasanya getah polibutadiena), yang meningkatkan rintangan hentaman dengan ketara melalui penyebaran zarah getah dalam matriks PS. Kekuatan hentaman HIPS boleh mencapai 10-20 kJ/m², iaitu 3-5 kali ganda daripada GPPS, tetapi ketelusannya berkurangan (jerebu 10%-30%) dan ketegaran berkurangan sedikit. Bergantung pada kandungan getah (biasanya 5%-15%) dan kawalan saiz zarah, HIPS boleh dibahagikan kepada jenis terbahagi seperti jenis berimpak tinggi dan jenis berkilat tinggi, yang digunakan terutamanya dalam senario yang memerlukan rintangan hentaman, seperti selongsong perkakas rumah, mainan dan dalaman automotif.

Polistirena boleh dikembangkan (EPS) ialah manik PS yang mengandungi agen berbuih. Dengan pemanasan, agen berbuih (seperti pentana) tersejat, menyebabkan manik mengembang dan membentuk bahan berbuih dengan struktur sel tertutup. EPS mempunyai ketumpatan yang sangat rendah (10-50kg/m³), sifat penebat haba yang sangat baik (konduksi terma 0.03-0.04W/(m・K)) dan sifat kusyen dan penyerapan kejutan. Ia adalah penebat haba dan bahan pembungkusan yang penting, digunakan secara meluas dalam penebat bangunan, pembungkusan rantai sejuk, dan pembungkusan kusyen.

Varieti PS lain yang diubah suai termasuk: PS bertetulang (menambah bahan tetulang seperti gentian kaca dan gentian karbon untuk meningkatkan kekuatan dan rintangan haba), PS kalis api (menambah kalis api berasaskan bromin atau bebas halogen untuk memenuhi keperluan perlindungan kebakaran), PS antistatik (menambah pengisi konduktif untuk menghapuskan pengumpulan elektrik statik), PS kesan tinggi yang telus kepada keseimbangan dan sebagainya.

Teknologi pengubahsuaian adalah kunci untuk meningkatkan prestasi PS, terutamanya merangkumi pengubahsuaian kimia dan pengubahsuaian fizikal. Pengubahsuaian kimia mengubah struktur molekul melalui tindak balas kopolimerisasi atau cantuman, seperti kopolimerisasi stirena dan akrilonitril untuk menghasilkan resin SAN, dengan itu meningkatkan rintangan kimia dan ketegaran. Pengubahsuaian fizikal mengoptimumkan prestasi melalui pengadunan, pengisian, pengukuhan dan kaedah lain, seperti mengadun PS dengan PC untuk meningkatkan rintangan haba dan menggabungkan dengan tanah liat nano untuk meningkatkan sifat penghalang. Teknik pengubahsuaian ini telah mengubah PS daripada satu bahan rapuh kepada satu siri sistem bahan berprestasi tinggi.

IV. Bidang aplikasi yang pelbagai

Polistirena, dengan ciri-ciri asasnya dan ciri-ciri kepelbagaian selepas pengubahsuaian, telah mencapai aplikasi yang meluas dalam banyak bidang seperti pembungkusan, peralatan rumah, pembinaan, keperluan harian, elektronik, dan lain-lain, menjadikannya bahan yang sangat diperlukan dalam masyarakat moden.

Bidang pembungkusan adalah salah satu kawasan PS yang paling banyak digunakan. GPPS, kerana ketelusannya yang baik dan kos rendah, digunakan secara meluas untuk membuat kotak pembungkusan makanan, dulang, cawan, dan lain-lain, yang boleh memaparkan kandungannya dengan jelas dan mudah dibentuk ke dalam pelbagai bentuk. Ia digunakan secara meluas di pasar raya, restoran, dan isi rumah. EPS, selepas berbuih, mempunyai sifat ringan dan kusyen, menjadikannya bahan pembungkusan yang ideal untuk produk elektronik, instrumen ketepatan dan makanan segar. Ia berkesan boleh menyerap kejutan dan getaran semasa pengangkutan, melindungi produk daripada kerosakan. Filem PS boleh dijadikan filem susut dan filem komposit untuk pembungkusan dan pelabelan komoditi. Kebolehcetakan yang baik boleh meningkatkan estetika pembungkusan.

Dalam bidang peralatan rumah dan elektronik, HIPS sering digunakan untuk membuat cangkerang luar dan bahagian dalaman peralatan rumah yang besar seperti televisyen, mesin basuh, dan peti sejuk kerana rintangan hentaman dan kebolehprosesannya yang sangat baik, dan boleh mencapai penampilan yang pelbagai melalui salutan permukaan; GPPS digunakan untuk membuat bahagian lutsinar perkakas rumah, seperti penutup lampu dan panel paparan. Dalam bidang aksesori elektronik, PS mempunyai kestabilan dimensi yang baik dan boleh digunakan untuk membuat bahagian ketepatan seperti penyambung, perumah suis, dan kumparan gegelung. PS kalis api yang diubah suai juga boleh memenuhi keperluan perlindungan kebakaran peranti elektronik.

Dalam sektor pembinaan, EPS berfungsi sebagai bahan penebat haba yang penting. Ia dipotong dan ditampal untuk membentuk papan penebat, yang digunakan untuk penebat haba dinding luar bangunan, bumbung, dan lantai. Kekonduksian haba yang rendah mengurangkan penggunaan tenaga bangunan dengan ketara, dan sifat ringannya mengurangkan beban bangunan. Papan PS, selepas dibuih atau dikompaun, boleh dibuat menjadi acuan hiasan, siling dan sekatan, menawarkan daya tarikan dan ketahanan estetik. Tambahan pula, PS juga bekerja dalam pengeluaran templat pembinaan, papan saliran, dan seumpamanya, menawarkan nisbah prestasi kos yang luar biasa.

Dalam bidang keperluan harian dan mainan, alat tulis lutsinar (seperti pembaris dan folder) dan pinggan mangkuk (seperti cawan pakai buang dan kotak makan) yang diperbuat daripada GPPS adalah ringan dan tahan lama; HIPS, kerana keliatannya yang baik dan pewarnaan yang mudah, adalah salah satu bahan utama untuk mainan, seperti blok bangunan plastik dan cangkerang anak patung, dan sifatnya yang selamat dan tidak toksik (HIPS gred makanan) menjadikannya sesuai untuk kegunaan kanak-kanak. PS juga digunakan untuk membuat keperluan harian seperti sikat, pemegang berus gigi, dan penyangkut pakaian, yang kos rendah dan mudah untuk dihasilkan secara besar-besaran.

Dalam bidang lain, PS digunakan dalam bidang perubatan untuk membuat sarung picagari pakai buang, piring petri, pembungkusan perubatan, dsb., yang memerlukan PS gred perubatan (bukan toksik, bahan larut resap rendah); dalam bidang optik, komponen optik seperti kanta dan prisma yang diperbuat daripada GPPS mempunyai ketransmisian cahaya yang mencukupi untuk memenuhi keperluan pertengahan hingga rendah; dalam bidang automotif, HIPS digunakan untuk membuat bahagian dalaman (seperti panel instrumen dan panel pintu), dan PS yang diubah suai juga boleh digunakan untuk membuat bahagian kecil luaran; dalam bidang percetakan 3D, wayar PS boleh digunakan untuk mencetak model kompleks melalui teknologi SLS, mencapai ketepatan tinggi dan kos rendah.

V. Perlindungan Alam Sekitar dan Trend Pembangunan

Kemesraan alam sekitar polistirena telah lama menjadi subjek kebimbangan. Walaupun menghadapi cabaran pencemaran "white" disebabkan oleh kesukarannya dalam degradasi, ia secara beransur-ansur bergerak ke arah pembangunan mampan melalui kitar semula, inovasi teknologi dan transformasi hijau.

Isu alam sekitar polistirena (PS) terutamanya berpunca daripada ketidakbolehbiodegradasiannya. Jika dibuang sembarangan, sisa produk PS boleh kekal dalam persekitaran untuk tempoh yang lama. Ini adalah benar terutamanya untuk busa polistirena (EPS) kembang, yang besar dan ringan, mudah tersebar bersama angin, menyebabkan pencemaran visual dan kemudaratan ekologi. Tambahan pula, apabila PS dibakar, bahan berbahaya (seperti derivatif benzena) dibebaskan, memerlukan pemulihan tenaga dalam kemudahan pembakaran khusus.

Kitar semula ialah pendekatan teras untuk menangani isu alam sekitar yang berkaitan dengan PS. Pada masa ini, terdapat terutamanya tiga kaedah: kitar semula fizikal, kitar semula kimia, dan pemulihan tenaga. Kitar semula fizikal melibatkan pengasingan, pembersihan, penghancuran, dan peleburan granulasi sisa PS untuk menghasilkan PS kitar semula. GPPS kitar semula boleh digunakan untuk membuat aksesori pembungkusan, cengkerang produk kegunaan harian, dsb.; HIPS kitar semula boleh digunakan untuk menghasilkan produk plastik gred rendah seperti tong sampah dan najis plastik. Kitar semula kimia mengurai PS kepada monomer stirena melalui pirolisis atau penyahpolimeran pemangkin, yang kemudiannya digunakan semula dalam pengeluaran pempolimeran untuk mencapai kitaran gelung tertutup. Teknologi ini boleh mengendalikan bahan buangan PS yang sangat tercemar atau kompleks, dan ketulenan monomer kitar semula adalah tinggi, tetapi kosnya agak tinggi. Pemulihan tenaga melibatkan pembakaran bahan buangan PS yang tidak boleh dikitar semula untuk menjana elektrik atau haba, mencapai penggunaan semula tenaga. Ia memerlukan kemudahan perlindungan alam sekitar yang menyokong untuk mengawal pencemaran.

Untuk mengurangkan kesan alam sekitar pada sumbernya, penyelidikan dan pembangunan PS berasaskan bio telah dipercepatkan. Dengan menghasilkan monomer stirena daripada bahan mentah biojisim, pergantungan kepada sumber fosil dikurangkan, dan pelepasan karbon PS berasaskan bio semasa kitaran hayatnya dikurangkan lebih daripada 30% berbanding PS tradisional. Sementara itu, kemajuan telah dicapai dalam penerokaan PS yang boleh terdegradasi. Dengan menambahkan komponen terdegradasi seperti kanji dan selulosa kepada PS, atau memperkenalkan kumpulan boleh hidrolisis, PS secara beransur-ansur boleh merosot dalam persekitaran tertentu (seperti keadaan pengkomposan).

Promosi dasar adalah penting untuk pembangunan polistirena (PS) yang mesra alam. Negara-negara di seluruh dunia telah melaksanakan perintah had plastik "" dan perintah larangan "plastik untuk menyekat penggunaan produk PS pakai buang, seperti mengharamkan kotak makan tengah hari PS yang tidak boleh terurai. Pada masa yang sama, mereka telah menambah baik sistem kitar semula dan meningkatkan kadar kitar semula melalui subsidi, perundangan dan cara lain. Kesatuan Eropah memerlukan kadar kitar semula PS mencapai lebih 70% menjelang 2030.

Trend pembangunan masa depan PS memberi tumpuan kepada tiga arah: berprestasi tinggi, meningkatkan rintangan haba, rintangan cuaca, dan sifat mekanikal PS melalui pengubahsuaian yang tepat, seperti membangunkan bahan binaan PS tahan lama dan pembungkusan PS tahan cuaca; penghijauan, menggalakkan perindustrian bahan mentah berasaskan bio dan kitar semula kimia untuk mengurangkan jejak alam sekitar dan membangunkan varieti PS yang boleh terurai; dan kefungsian, mengembangkan aplikasi PS dalam bidang mewah, seperti PS antibakteria untuk pembungkusan perubatan, PS penghalang tinggi untuk pemeliharaan makanan dan PS responsif pintar (seperti perubahan warna sensitif suhu) untuk pembungkusan anti-pemalsuan.

Polistirena, sebagai plastik klasik dan serba boleh, merangkumi integrasi rapat sains material dan keperluan sosial dalam perjalanan pembangunannya. Daripada pembungkusan asas kepada produk mewah, PS menyokong pembangunan pelbagai industri dengan kelebihan kos efektifnya. Menghadapi cabaran alam sekitar, melalui inovasi teknologi dan pembinaan sistem, PS sedang beralih daripada plastik berasaskan fosil tradisional kepada sistem bahan hijau dan boleh dikitar semula, terus memainkan peranan penting dalam pembangunan mampan.