Polystyren je syntetický aromatický polymer, utvářený monomerem styrenem, petrochemickou kapalinou. Polystyren (PS) vzniká jako produkt polymerace styrenu. Je to jeden z nejrozšířenějších tepelně zpracovatelných plastů, tzv. termoplastů. Polystyrenové hmoty patří mezi nejpoužívanější plasty na světě. V celosvětovém měřítku výroby plastů tvoří objem cca 9-10 %.
Historie a vznik polystyrenu
Prvopočátky historie styrenových plastů začal psát roku 1839 Eduard Simon, který objevil monomer styrenu. Základem všech druhů polystyrenových plastů je styren - velmi hořlavá látka. Styren se začal synteticky vyrábět od roku 1920 za použití procesu katalytické dehydrogenace ethylbenzenu. V současnosti patří styren mezi nejvýznamnější monomery a nachází velmi široké uplatnění v chemické výrobě; používá se jako rozpouštědlo a základní surovina pro výrobu polymerů. V celém světě je vyprodukováno mnoho miliard tun této chemické látky. Katalyzátorem polymerace jsou i peroxidy vznikající při oxidaci styrenu.
Vlastnosti styrenu
Styren je bezbarvá, těkavá kapalina s charakteristickým sladkým zápachem. Za normálních podmínek je styren bezbarvou až nažloutlou, těkavou (VOC), olejovitou kapalinou. Čistý styren je nasládlého zápachu, ve směsích mu ale ostatní složky často propůjčují až štiplavý a nepříjemný odér. Bod tání styrenu je - 30, 65 °C, bod varu pak 145, 3 °C. Styren působí korozivně na měď a měděné slitiny. Při hoření styrenových plastů mohou vznikat nebezpečné produkty, například oxid uhelnatý. Jako celosvětově nejvýznamnější monomer je styren hojně používaným rozpouštědlem a výchozí surovinou pro výrobu dalších polymerů (polystyren apod.).
Druhy polystyrenu
Rozlišujeme 3 základní druhy polystyrenů:
- Standardní polystyren (PS, GPPS)
- Houževnatý polystyren (HIPS)
- Expandovatelný/zpěňovatelný polystyren (EPS)
Mezi polystyrenové hmoty také řadíme kopolymery (s akrylonitrilem či dalšími monomery), mezi jejichž benefity patří zejména odolnost vůči teplu. Řadíme tam také kopolymery, například polyetylénu.
Čtěte také: Sanace solných výkvětů na fasádách
Standardní polystyren (PS, GPPS)
Polystyren pro běžné užití je vzhledově podobný plexisklu - je čirý a křehký, skvěle formovatelný. Současně je teplotně stabilní, má nízkou hmotnost, proto je ideální na výrobu prostřednictvím vstřiku do forem. Tento druh polystyrenu je používán především pro svoje optické vlastnosti - má vynikající průhlednost, vysoký lesk, proto se mu někdy říká krystalický. Polystyren je pevný, snadno lámavý a levný plast. Standardní polystyren je tuhá křehká hmota, v přirozeném stavu dokonale bezbarvá a průsvitná. Pevnost standardního polystyrenu ovlivňuje teplota a čas expozice, není náchylný na vzdušnou vlhkost, odolává teplotám do cca 60 °C (až 90 °C). Má dobré elektrické a dielektrické vlastnosti, má sklon ke korozi za napětí. Nepodléhá působení běžných neoxidujících kyselin, louhů, alkoholů, roztoků solí a některých olejů a tuků. Naopak podléhá působení organických rozpouštědel - např. benzínu, aromatických a chlorovaných uhlovodíků, ale také ketonům a esterům. Polystyren je málo odolný proti kyslíku, vodním parám a má relativně nízký bod měknutí. Polystyren se vyrábí čirý, ale může být obarven barvivy. Polystyren dobře odolává kyselinám a zásadám. Při stárnutí křehne a vytvářejí se v něm trhliny. Neodolává organickým rozpouštědlům, zejména benzénu, aldehydům a ketonům. Nevýhodou polystyrenu je jeho křehkost a malá tepelná odolnost (při teplotě kolem 70 °C se výrobky z polystyrenu deformují).
Využití: Z polystyrenu se zhotovují kuchyňské potřeby − jako jsou misky a struhadla, hračky atd. Ze standardního polystyrénu se vyrábějí např. čiré výrobky, které vzhledem připomínají plexisklo - příkladem mohou být různé obaly, zkumavky používané ve zdravotnictví a v laboratořích, Petriho misky, spektrofotometrické kyvety atd. Jeho použití známe z praxe jako součást obalů (cédéčka a DVDéčka, přepravky, víka, láhve, podnosy, štamprlata, kelímky, nože.). Polystyren se používá k výrobě modelů, vyložených tašek, nebo obalů.
Houževnatý polystyren (HIPS)
Houževnatý polystyren (HPS, IPS, HIPS) je zpravidla zakalený (vliv přidaného kaučuku). Z hlediska optických vlastností není průhledný, zato je průsvitný. Jedná se o kopolymer styrenu a butadienu - při výrobě se do makromolekuly polystyrenu vloží molekuly kaučuku (procesem roubování nebo směšování). Jeho výsledné vlastnosti značně ovlivňuje podíl kaučukové složky, která tvoří 5-15 %. Čím více je v materiálu kaučuku, tím nižší je jeho pevnost a tuhost a naopak se zvyšuje tažnost a rázová houževnatost, a to i při nízkých teplotách (až -90 °C). Kaučuk pohlcuje mechanickou energii způsobenou např. úderem - dodávanou energii pohltí. Houževnatý polystyren je méně odolný působení chemických látek a zhoršují se dielektrické vlastnosti a odolnost vůči povětrnostním vlivům, nasákavost je u něj vyšší. Z hlediska využití je tento plast velmi populární právě pro svou lehkou opracovatelnost, nízké náklady a vysokou životnost. Výroba probíhá vstřikováním, extruzí či tvarováním za tepla.
Využití: Z houževnatého polystyrenu se vyrábějí např. vnitřní části chladniček, hračky nebo krabičky na cédéčka.
Expandovatelný/zpěňovatelný polystyren (EPS)
Expandovaný pěnový polystyren - EPS je stále ještě nejrozšířenějším tepelným izolantem. Polystyren vzniká jako produkt polymerace styrenu. Následně je materiál tepelně zpracován a vypěňován do forem. Bloky se pak řežou na desky požadovaného rozměru. V základním polymeru se působením přehřáté vodní páry v předpěňovacím zařízení iniciuje napěnění nadouvadla, které způsobí zvětšení objemu kuliček základního polymeru o 20 až 50 % oproti jejich původnímu objemu. Kuličky z předpěňovače se přemístí do zrajících zásobníků vyrobených z perforované tkaniny. V zásobnících se struktura kuliček stabilizuje a zpevňuje. Doba zrání závisí na množství sypké hmoty a druhu zpracovávané suroviny. Výroba bloků - pomocí pneumatické dopravy se perle dopravují do blokové formy, kde se působením páry a tlaku po určitou dobu “svařují” do tvaru formy - bloku. Po vyjmutí z formy musí být blok stabilizován v závislosti na objemové hmotnosti. EPS perličky vyráběla firma BASF, která získala v roce 1949 patent. EPS kuličky se vyrábějí v několika velikostech dle účelu použití, jsou skladovány v zásobnících a dopravních silech. K jejich finální úpravě dochází dle konkrétních požadavků u výrobce. V roce 2001 vynalezl Fritz Stastny, brněnský rodák, EPS kuličky. Tento druh polystyrenu rozlišujeme dále dle různých výrobních metod. EPS má výborné izolační vlastnosti, proto je hojně využíván ve stavebnictví.
Čtěte také: Objevte rozmanité využití vápenné vody
Využití: EPS slouží např. k výrobě podnosů, talířů, misek, termoboxů či kelímků na nápoje. Používá se k výrobě speciálních stavebních desek k zateplení fasád. Ve stavitelství se používá polystyren zejména v deskách o plošném rozměru 0,5 x 1,0 metru. Tloušťky jsou různé - dle potřeby (cca od jednoho do několika centimetrů). Osvědčil se takto například v tepelných izolacích domů (fasád) nejčastěji EPS 70 F, nebo EPS 100 F - kontaktní zateplovací systém. Polystyren je ve podobě kuliček používán při výrobě sedacích pytlů jako výplň. Výhodou materiálu je, že díky neschopnosti vázat na sebe vlhkost se v nich nedrží roztoči.
Typy EPS a jejich vlastnosti:
Typ polystyrenu se označuje např. EPS 70 S. Číslo značí pevnost v tlaku v kPa. Běžně jsou k dostání polystyreny tříd 50, 70, 100, 150, 200 a 250. Materiál běžně dosahuje hodnot deklarovaného součinitele tepelné vodivosti λD = 0,036 W/(m.K) pro EPS 100. V současné době je již na trhu polystyren s příměsí grafitu (tzv. „šedý EPS“), který dosahuje výborných hodnot λD až 0,031 W/(m.K). Výhodou je vyšší izolační schopnost při menší tloušťce. F - fasádní - pro kontaktní zateplování. Zde se požaduje maximální přesnost rozměrů desek (tolerance v úhlopříčkách desky max. 2 mm).
Aplikace EPS:
U novostaveb se EPS upevňuje při dostatečně soudržném podkladním materiálu, rovinatosti a výšky objektu do 8 m nejčastěji celoplošným lepením bez mechanického kotvení. V ostatních případech a u rekonstrukcí je nutné desky mechanicky kotvit hmoždinkami. Běžné talířové hmoždinky procházející izolantem jsou dražší a díky nutnosti zapouštět je do izolantu a následně překrýt izolační zátkou i pracnější. Vhodnější je pak použít speciální talířové hmoždinky tzv. lepící kotvy na, které se izolační desky nalepí. Izolace se aplikuje v jedné vrstvě, i když jde o tloušťky třeba 30 cm. V takovém případě nehrozí kondenzace vlhkosti, která by v případě vrstvené izolace mohla vznikat. Expandovaný polystyren nelze dlouhodobě vystavit vlhku ani účinkům UV záření a je omezená i jeho pevnost.
Čtěte také: Využití lehčeného betonu s polystyrenem
Tabulka: Přehled typů polystyrenu a jejich vlastností
| Typ polystyrenu | Vzhled | Pevnost v tlaku (kPa) | Tepelná vodivost λD (W/(m.K)) | Odolnost | Hlavní využití |
|---|---|---|---|---|---|
| Standardní polystyren (PS/GPPS) | Čirý, křehký, průsvitný | N/A | N/A | Do 60-90 °C, odolný kyselinám/zásadám, neodolný organickým rozpouštědlům | Obaly, zkumavky, nádobí, modely |
| Houževnatý polystyren (HIPS) | Průsvitný, zakalený | N/A | N/A | Zvýšená rázová houževnatost i při nízkých teplotách, méně odolný chemikáliím | Vnitřní části chladniček, hračky, krabičky na CD |
| Expandovaný polystyren (EPS) | Pěnový, bílé desky/kuličky | 50, 70, 100, 150, 200, 250 | 0,036 (EPS 100), až 0,031 (šedý EPS) | Citlivý na vlhkost a UV záření, omezená pevnost | Tepelná izolace (fasády), obaly, jednorázové nádobí |
| Extrudovaný polystyren (XPS) | Pěnový, desky, nenasákavý | Vysoká odolnost v tlaku | N/A | Vysoká odolnost v tlaku, proti mechanickému zatížení, styku s vodou/zeminou | Izolace spodní části staveb, sokly, střechy |
Vytlačovaný pěnový polystyren (XPS)
Pěnový tepelně izolační polymerní materiál, který vzniká díky tepelné úpravě zpěňovatelného polystyrenu (EPS). Tento polystyren lze tvarovat a dopěňovat při extruzi v extrudéru. Vyrábí se extruzí (vytlačováním) taveniny krystalového polystyrenu za současného sycení vzpěňovadlem, které po uvolnění tlaku umožní na konci vytlačovací hubice napěnění materiálu. Extrudovaný polystyren (XPS) je podobný deskám, vyrobeným ze zpěňovatelného polystyrenu (EPS). Technologie výroby desek je ale odlišná. Další výhodou XPS je hladká plocha po opracování, což je dána homogenní strukturou desek. XPS se používá hlavně tam, kde vyniknou jeho vlastnosti - vyšší pevnost a hladký řez.
Využití: Používá se hojně ve stavebnictví např. jako izolace spodní části stavby - má vysokou odolnost v tlaku a proti mechanickému zatížení, nevadí mu styk s vodou ani zeminou. Nenasákavý, různé barevné provedení. Pro použití na sokl se zdrsněným povrchem pro lepší přilnutí lepidla (Styrodur).
Nadouvadla
Nadouvadla jsou přísady - látky přidávané při výrobě do polymerů. Obecně se různé přísady přidávají proto, aby zlepšovaly vlastnosti polymerů, jako je zpracovatelnost, ochrana materiálu před degradačními procesy (např. při výrobě izolačních desek se přidávají látky pro snížení hořlavosti - prostřednictvím tzv. tepelných stabilizátorů), snížení hmotnosti apod., ale mohou také snižovat náklady na výrobu a výslednou cenu. Jednou z přísad jsou tzv. nadouvadla, která se používají při přípravě tzv. lehčených hmot.
Recyklace polystyrenu
Polystyrenové hmoty patří do skupiny termoplastů, což znamená, že je možné je recyklovat. Přesné informace o správném třídění odpadů v daném místě najdeme na samolepkách umístěných na barevných kontejnerech. Stavební polystyren do nádob určených pro třídění plastů nepatří! Neznečištěný polystyren můžeme znovu použít k výrobě nových obalů a izolací. Odpad, který je znečištěný, je možné využít k výrobě lehčeného betonu, izolačních omítek nebo zásypů. Dále se může použít k odlehčení zahradních substrátů, ale také např. k odlehčení půdy.
Vliv styrenu na životní prostředí a zdraví
Znečištění životního prostředí
Bioakumulační potenciál styrenu je nízký. Do prostředí je styren uvolňován při samotné výrobě, mezi další zdroje patří chemický a petrochemický průmysl, spalování organické hmoty a odpadů, styren těká do ovzduší z výrobků, ve kterých je obsažen. Přirozeně se styren nachází např. v míze některých stromů. V atmosféře existuje pouze v plynné fázi, reaguje s hydroxylovými radikály a ozónem, poločas rozpadu je odhadován na 7 až 16 hodin. Styren přispívá ke vzniku fotochemického smogu. V půdě je nepohyblivý, snadno těká do ovzduší a podléhá mikrobiálnímu rozkladu. V roce 2013 uniklo do ovzduší České republiky přes 144 tun styrenu. Úniky ohlašovaly společnosti, které se zabývají výrobou pryžových a plastových výrobků. Styren můžeme nalézt v ovzduší, ale také ve vodě a v půdě. V ovzduší podléhá poměrně rychlému rozkladu a rovněž z povrchové vody a půdy se dobře odpařuje, nebo je biodegradován. Nemá sklony k bioakumulaci. Největší množství emisí styrenu pochází z chemických výrob, kde dochází k jeho zpracování. V roce 1992 úřad Public Health Service US uvedl, že jen na území Spojených států přesáhly emise styrenu do ovzduší hranici 15 tisíc tun za období jednoho roku. Nezanedbatelný podíl styrenu, který se uvolňuje do prostředí, ovšem také pochází z nejrůznějších spalovacích procesů. Styren není v ovzduší příliš stálý. Jeho poločas rozpadu zpravidla nepřesahuje 12 hodin. V atmosféře je odbouráván prostřednictvím fotochemických reakcí a dobu jeho setrvání značně ovlivňuje množství přízemního ozonu a hydroxylových radikálů v ovzduší a také intenzita slunečního záření. Reakční cyklus výše zmíněných látek pak může vést ke zvýšenému výskytu fotochemického smogu. Dalším významným zdrojem emisí styrenu do prostředí jsou odpadní vody z chemických procesů. Z vod se po určitém čase styren uvolňuje do ovzduší. Styren náleží podle vyhl. č. 356/2002 Sb. do skupiny 6 "těkavé organické látky". Obecný emisní limit pro styren společně s 1,4-dichlorbenzenem, benzaldehydem, butylaldehydem, ethylbenzenem, furfuralem, chrombenzenem, chloroprenem, izopropylbenzenem, methylacetátem, methylmetakrylátem, kyselinou octovou, toluenem, vinylacetátem a xyleny vyjádřené jako celkový organický uhlík (TOC) při hmotnostním toku emisí všech těchto znečišťujících látek vyšším než 3 kg/h, nesmí být překročena úhrnná hmotnostní koncentrace 150 mg/m3 těchto znečišťujících látek v odpadním plynu.
Vliv na lidské zdraví
Člověk může být styrenu vystaven vdechnutím, pozřením a kožním kontaktem. Při akutní expozici styren dráždí oči, dýchací cesty i trávicí soustavu. Styren má negativní vliv na nervový systém. Ve vyšších dávkách vyvolává bolesti hlavy, deprese, poruchy vidění, křeče. U zvířat bylo sledováno podráždění kůže, ztráta sluchu, poškození krve, jater, imunitního a nervového systému a výskyt rakoviny. Negativní účinky na zdraví byly pozorovány především u pracovníků chemických provozů, kteří byli vystaveni vysokým krátkodobým koncentracím styrenu v ovzduší. Poměrně často byl zaznamenán vliv na nervový systém, který se projevoval výskytem depresí, problémy se soustředěním, svalovou slabostí, celkovou únavou, nebo žaludeční nevolností. Z akutních projevů bylo dále pozorováno podráždění očí a sliznic nosu a krku. Vliv chronického působení styrenu není zatím dobře popsán, nicméně některé studie na zaměstnancích, kteří byli dlouhodobě vystaveni zvýšeným koncentracím, vypovídá o negativním působení na nervový systém. Výsledky výzkumů o vlivu styrenu na embryonální vývoj se různí. Některé studie neprokázaly teratogenní působení, nicméně jiné studie zaznamenaly zvýšený výskyt potratů a nižší porodní hmotnost u novorozenců, kteří se narodili zaměstnankyním odpovídajích provozů. Bylo však obtížné odlišit vliv styrenu od působení jiných látek na sledovanou skupinu. Kromě inhalace se může styren dostávat do organismu orální, nebo dermální cestou (povrchem těla). Výzkumy provedené na zvířatech ukazují, že požití styrenu může nepříznivě ovlivnit játra, ledviny, krev, imunitní a nervový systém. Z dermálních účinků bylo zaznamenáno podráždění očí a kůže u pokusných králíků. Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) zařadila styren mezi možné lidské karcinogeny. Některé studie prokázaly, že vdechování styrenu u pracovníků v chemickém průmyslu, může vést ke vzniku leukemie. Studie prováděná na zvířatech, která byla vystavena inhalaci i orálnímu podávání styrenu prokázaly nízkou karcinogenitu v určité míře. Vědecká studie publikovaná v červenci 2001 v americkém časopise Environmental Health Perspectives prokázala, že některé styrenové látky uvolňující se z umělohmotných obalů na potraviny lze zařadit k estrogenním látkám. Lidé jsou vystaveni působení styrenu zejména ve vnitřním prostředí, které bývá negativně ovlivněno například úniky této látky ze stavebního materiálu, nejrůznějších spotřebních produktů, ale také z tabákového kouře. Nejvyšším koncentracím jsou vystaveni zaměstnanci chemických provozů, kde se s touto chemickou látkou pracuje (např. výrobny plastů nebo polystyrenu). Styren se do organismu dostává zejména inhalací. Mezi další expoziční cesty patří přímé požití, případně vstřebání kůží. Hodinová koncentrace pro styren ve vnitřním prostředí dle vyhlášky č. 6/2003 sb. nemá překročit hodnotu 40 µg/m3. Přípustný expoziční limit (PEL) a nejvyšší přípustná koncentrace (NPK-P) pro styren v ovzduší pracovišť činí dle nařízení vlády č. 178/2001 Sb.
tags: #vznik #polystyren #vzorec #informace