پلی استایرن چیست؟
خواص پلی استایرن
پلی استایرن توسط پلیمریزاسیون استایرن مونومر، که از مشتقات نفت خام است تولید می‌شود. اگر شما به ساختار شیمیایی پلی استایرن نگاه کنید، خواهید دید که این پلیمر تنها از اتم‌های کربن و هیدروژن تشکیل شده است. بنا بر این در گروه هیدرو کربن‌ها قرار می‌گیرد. اگر پیوندهای موجود در ساختار شیمیایی آن را مشاهده کنید، می‌بینید که اتم‌های کربن توسط پیوند کووالانسی به یک دیگر متصل شده‌اند. در زنجیره‌ی پلی استایرن به هر اتم کربن متناوب، یک گروه فنیل (حلقه‌ی بنزن) متصل شده است. پلی استایرن هیدرو کربنی با زنجیره‌ی بلند است و فرمول شیمیایی آن C8H8)n می‌باشد. آن چه که در زیر مشاهده می‌کنید ساختار شیمیایی پلی استایرن است.
خواص پلی استایرن
استایرن یک مونومر آروماتیک (معطر) است که به صورت تجاری از نفت مشتق می‌شود. پلی استایرن یک پلیمر وینیل می‌باشد که از طریق پلیمریزاسیون رادیکال آزاد وینیل، از مونومرهای استایرن ساخته می‌شود.
ویژگی‌های پلی استایرن
حالا که با ساختار پلی استایرن آشنا شدیم، بیایید کمی در ویژگی‌های آن عمیق‌تر شویم. در این جا باید نکاتی را در مورد خصوصیات فیزیکی، مکانیکی، بصری، حرارتی، الکتریکی و شیمیایی پلی استایرن بیاموزیم.
خصوصیات فیزیکی
• چگالی پلی استایرن می‌تواند از 10 تا 50 کیلو گرم بر متر مکعب متغیر باشد.
• پلی استایرن پر نشده آمورف (ساختاری بی‌نظم) است و ظاهری شیشه‌ای و درخشان دارد. این پلیمر هم چنین به نام استایرن کریستالی شناخته می‌شود.
• یکی از ویژگی‌های مهم پلی استایرن اکسترود شده (حجم داده شده) توانایی شناور ماندن آن روی آب است. به این ترتیب این ماده انتخاب مناسبی برای ساخت تخته‌های شناور است. اگر تا کنون به استخر شنا رفته و تخته‌های رنگارنگ شنا را دیده باشید، منظور ما را به خوبی متوجه شده‌اید.
• ویسکوزیته‌ی (گران رَوی) پلی استایرن، همانند تمامی سیالات غیر نیوتونی دیگر به نرخ کرنش بستگی دارد (کرنش در اصطلاح فیزیک به تغییر در طول جسم جامد در هر جهت نسبت به طول آن جسم در همان جهت که در اثر اعمال نیرو پدید می‌آید گفته می‌شود). گران رَوی آن عبارت است از نسبت فشار کرنشی به نرخ کرنش.
هدف کلی پلی استایرن(GPPS)، با مقادیر تعیین شده برای خواص فیزیکی آن تعریف می‌شود. این مقادیر را در زیر مشاهده می‌کنید.
خواص فیزیکی
ویژگی واحد مقدار
وزن مخصوص g/cm3 1.03 تا 1.06
چگالی ظاهری g/cm3 0.60 تا 0.65
جذب آب ٪ 0.03 تا 0.10
خواص فیزیکی پلی استایرن، از وجود پیوندهای ضعیف واندرولس میان زنجیره‌های پلیمر نشأت می‌گیرند. با افزایش دما، این پیوندها به مراتب ضعیف‌تر شده و زنجیره‌ها به روی یک دیگر می‌لغزند. به این دلیل است که پلی استایرن در دمای بالاتر از انتقال شیشه‌ای‌اش، بسیار الاستیک و نرم می‌شود.
خصوصیات مکانیکی
خواص مکانیکی یک پلیمر شامل مقاومت، استحکام کششی، مدول‌ها، استحکام ضربه و استحکام فشاری آن است. اشکال کریستالی پلیمر پلی استایرن استحکام ضربه‌ای کمی دارند. پلیمرهای پلی استایرن، در معرض نور آفتاب به علت اکسیداسیون نوری تخریب می‌شوند چرا که خواص مکانیکی آنها تحت تأثیر قرار می‌گیرد. جدول زیر مقادیر خواص فیزیکی پلی استایرن عمومی (GPPS) را نشان می‌دهد.
مشخصات مکانیکی
مشخصه واحد مقدار
مدول های کششی یا مگا پاسکال 3000-3600
مدول یانگ (الاستیسیته)
استحکام کششی مگاپاسکال 30-60
تغییر شکل کششی % 1.0 تا 5.0
مدول کرنشی مگا پاسکال 1400
استحکام خمشی مگا پاسکال 76
مدول خمشی مگا پاسکال 3200
خواص بصری
GPPS شفاف است در حالی که پلی استایرنِ مقاوم به ضربه (HIPS) (کوپلمیری که از افزودن لاستیک به پلی استایران به هنگام پلیمریزاسیون تشکیل شده) مات می‌باشد. با این حال HIPS ظاهری براق دارد که میزان براق بودن آن با در صد باز تاب نور از سطح پلیمر اندازه گیری می‌شود. آن چه که در جدول زیر آمده مقادیر مشخصات بصری پلی استایرن معمولی است.
مشخصات بصری
مشخصه واحد مقدار
ضریب شکست - 1.58 تا 1.59
پراکنش ٪ 88 تا 90
میزان ماتی ٪ 0.10 تا 1.1
خواص حرارتی
خواص حرارتی به ویژگی‌هایی گفته می‌شود که ماده به هنگام قرار گرفتن در معرض گرما از خود نشان می‌دهد. از این دست می‌توان دمای اعوجاج گرمایی، دمای انتقال شیشه‌ای، رسانایی گرمایی و غیره را نام برد. پلی استایرن، ماده‌ی ترمو پلاستیک سختی است (با افزایش دما بدون تغییر شیمیایی ذوب می‌شود) که در دمای معمولی به شکل جامد یا شیشه‌ای است. اما هنگامی که به میزان بیش از دمای انتقال شیشه‌ای‌اش گرم می‌شود، به حالت مایع تبدیل شده و جاری می‌شود؛ در این حالت می‌توان آن را برای قالب گیری یا اکستروژن استفاده نمود. با سرد کردن دو باره، ماده جامد می‌شود. از این ویژگی پلی استایرن برای ریخته گری آن در قالب با جزئیات دقیق استفاده می‌شود. مقادیری که در جدول زیر آمده خواص حرارتی پلی استایرن طبیعی است.
خواص حرارتی
مشخصه واحد مقدار
دمای انتقال شیشه‌ای درجه c 100
ظرفیت گرمایی ویژه J/Kg-K 1250
هدایت گرمایی W/m-K 0.14
انبساط حرارتی (25 تا 100 درجه c ) μm/m-K 120
دمای نرم شدگی ویکت درجه c 100
خواص الکتریکی
خواص الکتریکی ویژگی‌هایی هستند که پاسخ ماده را به یک میدان الکتریکی تعیین می‌کنند. در جدول زیر مقادیر این خواص را برای پلی استایرن معمولی مشاهده می‌کنید.
خواص الکتریکی
مشخصه واحد مقدار
قدرت دی الکتریک MV/m 20
ثابت دی الکتریک (در1MHz ) - 2.5
مقاومت الکتریکی حجمی ohm-cm >1016
مقاومت قوس الکتریکی sec 70
خواص شیمیایی
• پلی استایرن از نظر شیمیایی بی اثر بوده و با بسیاری از مواد واکنش نشان نمی‌دهد.
• این ماده در برخی از حلال‌های آلی حل می‌شود. پلی استایرن در حلال‌هایی که حاوی استن هستند، مانند اغلب اسپری‌های رنگ آئروسل و چسب‌های ساینو اکریلات حل می‌شود.
• دلیل اصلی ثبات شیمیایی پلی استایرن تبدیل اتصالات دوگانه‌ی کربن - کربن به پیوندهای واحدی است که واکنش پذیری کم‌تری دارند. بسیاری از خواص شیمیایی پلی استایرن در نتیجه‌ی خواص منحصر به فرد عنصر کربن است.
• پلی استایرن به شدت اشتعال زا بوده و با شعله‌ای به رنگ زرد نارنجی می‌سوزد. این ماده طی سوختن همانند تمامی هیدرو کربن‌های آروماتیک، ذرات کربن یا دوده تولید میکند. در اکسیداسیون کامل پلی استایرن، تنها دی اکسید کربن و بخار آب تولید می‌شود.
اشکال دیگر پلی استایرن
پلی استایرن پر نشده، به نام پلی استایرن کریستالی (ps) یا پلی استایرن معمولی (GPPS) نیز شناخته شده است. با این حال به علت ترد و شکنندگی پلی استایرن کریستالی، پلیمرهای دیگری به آن افزوده می‌شود تا استحکامش بهبود یابد؛ در نتیجه‌ی این کار کوپلیمر تشکیل می‌شود. این کوپلمیر، پلی استایرن با مقاومت بالا است (HIPS) که با افزودن لاستیک پلی بوتادین به پلی استایرن در طی فرآیند پلیمریزاسیون، تولید می‌شود. HIPS سخت‌تر از پلی استایرن پر نشده بوده و در مقایسه مقاومت بیش‌تری در برابر ضربه دارد.
پلی استایرن انواع مختلفی دارد. پلی استایرن اکسترود شده (XPS) یکی از انواع این پلیمر است که استحکام کششی و انعطاف پذیری مناسبی دارد. این ماده عموماً به نام استایروفوم شناخته می‌شود. شکل رایج دیگر پلی استایرن، نوع انبساط یافته‌ی آن است (EPS). پلی استایرن انبساطی و استایروفوم هر دو از مواد یک سانی ساخته شده‌اند اما با یک دیگر تفاوت دارند. استایروفوم نسبت به پلی استایرن انبساطی چگالی بالاتری داشته و میان سلول‌های این ماده گذرگاه هوا وجود ندارد. تراکم بالاتر باعث می‌شود که استایروفوم سخت‌تر و مستحکم‌تر باشد. هم چنین استایروفوم ضد آب و عایق حرارتی مناسبی است.
موارد استفاده
پلی استایرن اولین بار در آلمان و در سال 1930، توسط آی جی فاربن تولید شد. این ماده از آن زمان تا کنون راهی طولانی را پشت سر گذاشته و امروزه بعد از پلی اتیلن یکی از پر مصرف‌ترین پلیمرهای جهان به شمار می‌رود. یکی از دلایل اصلی پر کار برد بودن این پلیمر، خواص گرما نرمی (ترمو پلاستیسیتی) آن است. مزیت این گونه مواد این است که به راحتی می‌توان با قالب گیری آنها، محصولات کار آمدی تولید کرد. هم چنین به علت شفافیت این ماده، می‌توان از رنگ‌های مختلف در ترکیب آن استفاده نمود. این رنگ‌ها در حالت مایع ماده به آن افزوده می‌شوند. یکی از موارد اصلی کار برد پلی استایرن، تولید فوم پلی استایرن برای بسته بندی اشیاء قبل از حمل و نقل است. هم چنین در تولید انواع ظروف و کارد و چنگال یک بار مصرف از این ماده استفاده می‌شود. این پلیمر در تولید تجهیزات پزشکی و دارویی نیز به کار گرفته می‌شود.
پلی استایرن در بازار به شکل‌های گلوله‌ای و ورقی یافت می‌شود. پلی استایرن اکسترود شده (XPS) خاصیت عایق دارد و در ساخت لوازم خانگی و اسباب بازی به کار گرفته می‌شود. پلی استایرن محصولی سمّی نبوده و مورد تأیید سازمان FDA برای استفاده در تولید ظروف غذا می‌باشد. با این حال مانند تمامی انواع پلاستیک‌ها، در محیط زیست قابل تجزیه نیست؛ اما به راحتی می‌توان این ماده را بازیافت نمود.
