Полистирол ( PS ) / ˌpɒl iˈst aɪr iːn / — синтетический полимер , изготовленный из мономеров ароматического углеводорода стирола . [5] Полистирол может быть твердым или вспененным . Полистирол общего назначения прозрачный, твердый и хрупкий. Это недорогая смола на единицу веса . Он является плохим барьером для воздуха и водяного пара и имеет относительно низкую температуру плавления. [6] Полистирол является одним из наиболее широко используемых пластиков , масштабы его производства составляют несколько миллионов тонн в год. [7] Полистирол от природы прозрачен , но может быть окрашен красителями. Применение включает в себя защитную упаковку (например, упаковку арахиса и футляры для хранения оптических дисков, таких как CD и иногда DVD ), контейнеры, крышки, бутылки, подносы, стаканы, одноразовые столовые приборы , [6] при изготовлении моделей и в качестве альтернативного материала для граммофонных пластинок . [8]
Как термопластичный полимер, полистирол находится в твердом (стеклообразном) состоянии при комнатной температуре, но течет при нагревании выше примерно 100 °C, его температура стеклования . Он снова становится жестким при охлаждении. Это температурное поведение используется для экструзии (как в пенополистироле ), а также для формования и вакуумного формования , поскольку его можно отливать в формы с мелкими деталями. Температурное поведение можно контролировать с помощью фотосшивания. [9]
Согласно стандартам ASTM , полистирол считается не биоразлагаемым . Он накапливается как мусор во внешней среде , особенно вдоль берегов и водных путей, особенно в форме пены, и в Тихом океане. [10]
Полистирол был открыт в 1839 году Эдуардом Саймоном , аптекарем из Берлина. [11] Из стиракса , смолы восточного дерева ликвидамбар восточный , он выделил маслянистое вещество, которое назвал стиролом, теперь называемым стиролом . Несколько дней спустя Саймон обнаружил, что оно загустело в желе, которое, как теперь известно, было полимером , который он окрестил оксидом стирола («Стиролоксид»), поскольку предположил, что он образовался в результате окисления ( оксид стирола — это отдельное соединение). К 1845 году химик ямайского происхождения Джон Баддл Блит и немецкий химик Август Вильгельм фон Хофманн показали, что то же самое превращение стирола происходит в отсутствие кислорода. [12] Они назвали продукт «метастирол»; анализ показал, что он химически идентичен стиролоксиду Саймона. [13] В 1866 году Марселен Бертело правильно определил образование метастирола/стиролоксида из стирола как процесс полимеризации . [14] Примерно 80 лет спустя было установлено, что нагревание стирола запускает цепную реакцию, которая производит макромолекулы , следуя тезису немецкого химика-органика Германа Штаудингера (1881–1965). Это в конечном итоге привело к тому, что вещество получило свое нынешнее название — полистирол. [ необходима цитата ]
Компания IG Farben начала производство полистирола в Людвигсхафене около 1931 года, надеясь, что он станет подходящей заменой литого цинка во многих областях применения. Успех был достигнут, когда они разработали реакторный сосуд, который экструдировал полистирол через нагретую трубку и резак, производя полистирол в форме гранул. [15]
Рэй Макинтайр (1918–1996), инженер-химик компании Dow Chemical, заново открыл процесс, впервые запатентованный в начале 1930-х годов шведским изобретателем Карлом Мунтерсом . [16] По данным Института истории науки, «Dow купила права на метод Мунтерса и начала производить легкий, водостойкий и плавучий материал, который, казалось, идеально подходил для строительства доков и плавучих средств, а также для изоляции домов, офисов и курятников». [17] В 1944 году был запатентован пенополистирол . [18]
До 1949 года инженер-химик Фриц Штастни (1908–1985) разработал предварительно расширенные шарики PS, включив алифатические углеводороды, такие как пентан. Эти шарики являются сырьем для формования деталей или экструзии листов. BASF и Штастни подали заявку на патент, который был выдан в 1949 году. Процесс формования был продемонстрирован на выставке Kunststoff Messe 1952 в Дюссельдорфе. Продукция получила название Styropor. [19]
Кристаллическая структура изотактического полистирола была описана Джулио Наттой . [20]
В 1954 году компания Koppers Company в Питтсбурге , штат Пенсильвания, разработала вспененный полистирол (EPS) под торговой маркой Dylite. [21] В 1960 году компания Dart Container , крупнейший производитель пенопластовых стаканчиков, отгрузила свой первый заказ. [22]
В химическом отношении полистирол представляет собой длинноцепочечный углеводород, в котором чередующиеся углеродные центры присоединены к фенильным группам (производное бензола ). Химическая формула полистирола (C
8ЧАС
8)
н; он содержит химические элементы углерод и водород . [ необходима ссылка ]
Свойства материала определяются ближними силами Ван-дер-Ваальса между полимерными цепями. Поскольку молекулы состоят из тысяч атомов, кумулятивная сила притяжения между молекулами велика. При нагревании (или деформации с высокой скоростью из-за сочетания вязкоупругих и теплоизоляционных свойств) цепи могут приобретать более высокую степень подтверждения и скользить мимо друг друга. Эта межмолекулярная слабость (по сравнению с высокой внутримолекулярной прочностью из-за углеводородной основы) придает гибкость и эластичность. Способность системы легко деформироваться выше температуры стеклования позволяет полистиролу (и термопластичным полимерам в целом) легко размягчаться и формоваться при нагревании. Экструдированный полистирол примерно такой же прочный, как нелегированный алюминий , но гораздо более гибкий и гораздо менее плотный (1,05 г/см 3 для полистирола против 2,70 г/см 3 для алюминия). [23]
Полистирол — это аддитивный полимер , который получается при полимеризации (взаимосоединении) стирольных мономеров . При полимеризации π-связь углерод-углерод винильной группы разрывается и образуется новая σ-связь углерод-углерод , присоединяющаяся к углероду другого стирольного мономера в цепи. Поскольку при его получении используется только один вид мономера, он является гомополимером. Вновь образованная σ-связь прочнее разорванной π-связи, поэтому полистирол трудно деполимеризовать. Около нескольких тысяч мономеров обычно составляют цепь полистирола, что дает молярную массу 100 000–400 000 г/моль. [ необходима цитата ]
Каждый углерод остова имеет тетраэдрическую геометрию , а те углероды, которые имеют присоединенную фенильную группу (бензольное кольцо), являются стереогенными . Если бы остов был уложен в виде плоской вытянутой зигзагообразной цепи, каждая фенильная группа была бы наклонена вперед или назад по сравнению с плоскостью цепи. [ необходима цитата ]
Относительное стереохимическое соотношение последовательных фенильных групп определяет тактику , которая влияет на различные физические свойства материала. [24]
В полистироле тактичность описывает степень, в которой фенильная группа равномерно выровнена (расположена с одной стороны) в полимерной цепи. Тактичность оказывает сильное влияние на свойства пластика. Стандартный полистирол атактичен. Диастереомер, в котором все фенильные группы находятся с одной стороны, называется изотактическим полистиролом, который не производится в промышленных масштабах. [ необходима цитата ]
Единственная коммерчески важная форма полистирола — атактическая , в которой фенильные группы случайным образом распределены по обеим сторонам полимерной цепи. Это случайное расположение не позволяет цепям выстраиваться с достаточной регулярностью для достижения какой-либо кристалличности. Пластик имеет температуру стеклования Tg ~ 90 ° C. Полимеризация инициируется свободными радикалами . [7]
Полимеризация Циглера-Натта может производить упорядоченный синдиотактический полистирол с фенильными группами, расположенными на чередующихся сторонах углеводородного остова. Эта форма является высококристаллической с T m (температурой плавления) 270 °C (518 °F). Синдиотактическая полистирольная смола в настоящее время производится под торговой маркой XAREC корпорацией Idemitsu, которая использует металлоценовый катализатор для реакции полимеризации. [25]
Полистирол относительно химически инертен. Хотя он водонепроницаем и устойчив к разрушению многими кислотами и основаниями, он легко подвергается воздействию многих органических растворителей (например, он быстро растворяется при воздействии ацетона ), хлорированных растворителей и ароматических углеводородных растворителей. Благодаря своей устойчивости и инертности он используется для изготовления многих предметов торговли. Как и другие органические соединения, полистирол горит, выделяя углекислый газ и водяной пар , а также другие побочные продукты термического разложения. Полистирол, будучи ароматическим углеводородом , обычно сгорает не полностью , на что указывает коптящее пламя. [ необходима цитата ]
Процесс деполимеризации полистирола в его мономер , стирол , называется пиролизом . Он включает в себя использование высокой температуры и давления для разрушения химических связей между каждым стирольным соединением. Пиролиз обычно происходит при температуре до 430 °C. [26] Высокая стоимость энергии для этого процесса сделала коммерческую переработку полистирола обратно в стирол мономер сложной. [ необходима цитата ]
Полистирол обычно считается небиоразлагаемым. Однако некоторые организмы способны его разлагать, хотя и очень медленно. [27]
В 2015 году исследователи обнаружили, что мучные черви , личинки жука-чернотелки Tenebrio molitor , могут переваривать пищу и существовать на диете из EPS. [28] [29] Около 100 мучных червей могут потреблять от 34 до 39 миллиграммов этой белой пены в день. Было обнаружено, что экскременты мучных червей безопасны для использования в качестве почвы для сельскохозяйственных культур. [28]
В 2016 году также сообщалось, что суперчерви ( Zophobas morio ) могут питаться пенополистиролом (EPS). [30] Группа старшеклассников в Университете Атенео де Манила обнаружила, что по сравнению с личинками Tenebrio molitor личинки Zophobas morio могут потреблять большее количество EPS в течение более длительных периодов времени. [31]
В 2022 году ученые идентифицировали несколько родов бактерий, включая Pseudomonas , Rhodococcus и Corynebacterium , в кишечнике суперчервей, которые содержат закодированные ферменты, связанные с деградацией полистирола и продукта распада стирола. [32]
Бактерия Pseudomonas putida способна преобразовывать стирольное масло в биоразлагаемый пластик PHA . [33] [34] [35] Это может когда-нибудь пригодиться для эффективной утилизации пенополистирола. Стоит отметить, что полистирол должен пройти пиролиз, чтобы превратиться в стирольное масло. [ необходима цитата ]
Полистирол обычно формуют литьем под давлением , вакуумным формованием или экструдируют, в то время как вспененный полистирол либо экструдируют, либо формуют специальным способом. Также производятся сополимеры полистирола; они содержат один или несколько других мономеров в дополнение к стиролу. В последние годы также производятся композиты вспененного полистирола с целлюлозой [39] [40] и крахмалом [41] . Полистирол используется в некоторых полимерно-связанных взрывчатых веществах (PBX). [ необходима цитата ]
Полистирол (PS) используется для производства одноразовых пластиковых столовых приборов и посуды , коробок для компакт-дисков "jewel" , корпусов детекторов дыма , рамок номерных знаков , наборов для сборки пластиковых моделей и многих других объектов, где требуется жесткий, экономичный пластик. Методы производства включают термоформование ( вакуумное формование ) и литье под давлением .
Чашки Петри из полистирола и другие лабораторные контейнеры, такие как пробирки и микропланшеты, играют важную роль в биомедицинских исследованиях и науке. Для этих целей изделия почти всегда изготавливаются методом литья под давлением и часто стерилизуются после формования, либо облучением, либо обработкой оксидом этилена . Поверхностная модификация после формования, обычно с использованием плазмы , богатой кислородом , часто выполняется для введения полярных групп. Большая часть современных биомедицинских исследований основана на использовании таких продуктов; поэтому они играют решающую роль в фармацевтических исследованиях. [42]
Тонкие листы полистирола используются в полистирольных пленочных конденсаторах , поскольку он образует очень стабильный диэлектрик , но в настоящее время его использование в значительной степени прекращено в пользу полиэстера .
Пенополистирол на 95–98% состоит из воздуха. [43] [44] Пенополистирол является хорошим теплоизолятором и поэтому часто используется в качестве строительного изоляционного материала, например, в изоляционных бетонных формах и структурных изоляционных панельных строительных системах. Серый пенополистирол, включающий графит , обладает превосходными изоляционными свойствами. [45]
Карл Мунтерс и Джон Гудбранд Тандберг из Швеции получили патент США на пенополистирол в качестве изоляционного продукта в 1935 году (патент США номер 2 023 204). [46]
Пенопласты PS также обладают хорошими демпфирующими свойствами, поэтому широко используются в упаковке. Торговая марка Styrofoam компании Dow Chemical Company неофициально используется (в основном в США и Канаде) для всех вспененных полистирольных продуктов, хотя строго говоря, ее следует использовать только для «экструдированных закрытых ячеистых» пенополистирольных пен, производимых компанией Dow Chemicals.
Пены также используются для ненесущих архитектурных конструкций (например, декоративных колонн ).
.jpg/1280px-Microscopic_Section_of_Thermocol_block_(Under_light-microscope,_bright-field,_Objective_10_X,_Eyepiece_10_X).jpg)
Вспененный полистирол (EPS) представляет собой жесткую и прочную пену с закрытыми ячейками с нормальной плотностью от 11 до 32 кг/м 3 . [47] Обычно он белого цвета и изготавливается из предварительно вспененных полистирольных шариков. Процесс производства EPS обычно начинается с создания небольших полистирольных шариков. Мономеры стирола (и потенциально другие добавки) суспендируются в воде, где они подвергаются свободнорадикальной полимеризации. Полистирольные шарики, образованные этим механизмом, могут иметь средний диаметр около 200 мкм. Затем шарики пропитываются «вспенивателем», материалом, который позволяет шарикам расширяться. В качестве вспенивателя обычно используется пентан . Шарики добавляются в непрерывно перемешиваемый реактор с вспенивателем, среди других добавок, и вспениватель просачивается в поры внутри каждого шарика. Затем шарики расширяются с помощью пара. [48]
EPS используется для пищевых контейнеров , формованных листов для изоляции зданий и упаковочного материала, либо в виде твердых блоков, сформированных для размещения защищаемого предмета, либо в виде сыпучих «арахисов» , смягчающих хрупкие предметы внутри коробок. EPS также широко используется в автомобильной промышленности и дорожной безопасности, например, в мотоциклетных шлемах и дорожных ограждениях на гоночных трассах . [49] [50] [51]
Значительная часть всех изделий из EPS производится методом литья под давлением. Инструменты для форм, как правило, изготавливаются из сталей (которые могут быть закалены и покрыты гальваническим покрытием) и алюминиевых сплавов. Формы контролируются посредством разделения через систему каналов литников и направляющих. [52] EPS в разговорной речи называют «стиропором» в англосфере , что является обобщением бренда экструдированного полистирола компании Dow Chemical . [53]
Листы EPS обычно упаковываются в жесткие панели (в Европе распространен размер 100 см x 50 см, обычно в зависимости от предполагаемого типа соединения и методов склеивания, это, по сути, 99,5 см x 49,5 см или 98 см x 48 см; реже встречается 120 x 60 см; размер 4 на 8 футов (1,2 на 2,4 м) или 2 на 8 футов (0,61 на 2,44 м) в Соединенных Штатах). Обычная толщина составляет от 10 мм до 500 мм. Часто добавляются многочисленные настройки, добавки и тонкие дополнительные внешние слои с одной или обеих сторон, чтобы улучшить различные свойства. Примером этого является ламинирование цементной плитой для формирования структурной изолированной панели .
Теплопроводность измеряется в соответствии с EN 12667. Типичные значения варьируются от 0,032 до 0,038 Вт/(м⋅К) в зависимости от плотности плиты EPS. Значение 0,038 Вт/(м⋅К) было получено при 15 кг/м3, а значение 0,032 Вт/(м⋅К) было получено при 40 кг/м3 согласно техническому описанию K-710 от StyroChem Finland. Добавление наполнителей (графитов, алюминия или углерода) недавно позволило достичь теплопроводности EPS около 0,030–0,034 Вт/(м⋅К) (всего 0,029 Вт/(м⋅К)), и, как таковой, имеет серый/черный цвет, который отличает его от стандартного EPS. Несколько производителей EPS выпустили различные виды EPS с повышенным тепловым сопротивлением для использования в этом продукте в Великобритании и ЕС.
Сопротивление диффузии водяного пара ( μ ) EPS составляет около 30–70.
ICC-ES ( International Code Council Evaluation Service) требует, чтобы плиты EPS, используемые в строительстве, соответствовали требованиям ASTM C578. Одним из таких требований является то, что предельный кислородный индекс EPS, измеренный по ASTM D2863, должен быть больше 24 об. %. Типичный EPS имеет кислородный индекс около 18 об. %; поэтому в процессе формирования EPS в стирол или полистирол добавляется антипирен.
Плиты, содержащие антипирен, при испытании в туннеле с использованием метода испытаний UL 723 или ASTM E84 будут иметь индекс распространения пламени менее 25 и индекс дымообразования менее 450. ICC-ES требует использования 15-минутного теплового барьера при использовании плит EPS внутри здания.
По данным организации EPS-IA ICF, типичная плотность EPS, используемого для форм из изолированного бетона ( пенополистиролбетон ), составляет от 1,35 до 1,80 фунтов на кубический фут (от 21,6 до 28,8 кг/м 3 ). Это EPS типа II или типа IX согласно ASTM C578. Блоки или плиты EPS, используемые в строительстве зданий, обычно режут с помощью горячих проводов. [54]
Экструдированный пенополистирол (XPS) состоит из закрытых ячеек. Он обеспечивает улучшенную шероховатость поверхности, более высокую жесткость и пониженную теплопроводность. Диапазон плотности составляет около 28–34 кг/м 3 . [55] [56]
Экструдированный полистирольный материал также используется в ремеслах и моделировании , в частности архитектурных моделей. Благодаря процессу производства методом экструзии XPS не требует облицовки для сохранения своих тепловых или физических свойств. Таким образом, он является более однородной заменой гофрированному картону . Теплопроводность варьируется от 0,029 до 0,039 Вт/(м·К) в зависимости от несущей способности/плотности, а среднее значение составляет ~0,035 Вт/(м·К).
Сопротивление диффузии водяного пара (μ) XPS составляет около 80–250.
К наиболее распространенным материалам из экструдированного пенополистирола относятся:
Хотя это пена с закрытыми ячейками, как вспененный, так и экструдированный полистирол не являются полностью водонепроницаемыми или паронепроницаемыми. [58] В вспененном полистироле есть промежуточные зазоры между расширенными гранулами с закрытыми ячейками, которые образуют открытую сеть каналов между связанными гранулами, и эта сеть зазоров может заполняться жидкой водой. Если вода замерзает в лед, она расширяется и может привести к тому, что гранулы полистирола откалываются от пены. Экструдированный полистирол также проницаем для молекул воды и не может считаться пароизоляцией. [59]
Заболачивание обычно происходит в течение длительного периода в полистирольных пенах, которые постоянно подвергаются воздействию высокой влажности или постоянно погружены в воду, например, в крышках джакузи, в плавучих доках, в качестве дополнительной плавучести под сиденьями лодок и для внешней изоляции зданий ниже уровня земли, постоянно подвергающейся воздействию грунтовых вод. [60] Обычно для предотвращения насыщения необходим внешний пароизоляционный барьер, такой как непроницаемая пластиковая пленка или напыляемое покрытие.
Ориентированный полистирол (OPS) производится путем растяжения экструдированной пленки PS, улучшая видимость через материал за счет уменьшения мутности и увеличения жесткости. Это часто используется в упаковке, где производитель хотел бы, чтобы потребитель видел упакованный продукт. Некоторые преимущества OPS заключаются в том, что его производство обходится дешевле, чем другие прозрачные пластики, такие как полипропилен (PP), (PET) и ударопрочный полистирол (HIPS), и он менее мутный, чем HIPS или PP. Главный недостаток OPS заключается в том, что он хрупкий и легко трескается или рвется.
Обычный ( гомополимерный ) полистирол имеет превосходный профиль свойств относительно прозрачности, качества поверхности и жесткости. Его область применения дополнительно расширяется за счет сополимеризации и других модификаций ( смесей , например, с ПК и синдиотактическим полистиролом). [61] : 102–104 Несколько сополимеров используются на основе стирола : Хрупкость гомополимерного полистирола преодолевается модифицированными эластомером сополимерами стирола и бутадиена. Сополимеры стирола и акрилонитрила ( САН ) более устойчивы к термическому напряжению, теплу и химикатам, чем гомополимеры, и также прозрачны. Сополимеры, называемые АБС, имеют схожие свойства и могут использоваться при низких температурах, но они непрозрачны .
Сополимеры стирола и бутана могут быть получены с низким содержанием бутена . Сополимеры стирола и бутана включают PS-I и SBC (см. ниже), оба сополимера ударопрочные . PS-I получают путем привитой сополимеризации , SBC путем анионной блочной сополимеризации, что делает его прозрачным в случае соответствующего размера блока. [62]
Если сополимер стирола и бутана имеет высокое содержание бутилена, образуется стирол-бутадиеновый каучук (SBR).
Ударная вязкость сополимеров стирола и бутадиена основана на разделении фаз, полистирол и полибутан не растворяются друг в друге (см. теорию растворов Флори–Хаггинса ). Сополимеризация создает пограничный слой без полного смешивания. Фракции бутадиена («резиновая фаза») собираются в частицы, внедренные в матрицу полистирола. Решающим фактором для улучшенной ударной вязкости сополимеров стирола и бутадиена является их более высокая способность поглощать работу деформации. Без приложенной силы резиновая фаза изначально ведет себя как наполнитель . Под действием растягивающего напряжения образуются крейзы (микротрещины), которые распространяются на частицы резины. Затем энергия распространяющейся трещины передается частицам резины по ее пути. Большое количество трещин придает изначально жесткому материалу слоистую структуру. Образование каждой пластинки способствует потреблению энергии и, таким образом, увеличению удлинения при разрыве. Гомополимеры полистирола деформируются при приложении силы до тех пор, пока не разорвутся. Сополимеры стирола и бутана не разрушаются в этой точке, а начинают течь, затвердевают до предела прочности на разрыв и разрушаются только при гораздо большем удлинении. [63] : 426
При высокой доле полибутадиена эффект двух фаз меняется на противоположный. Стирол-бутадиеновый каучук ведет себя как эластомер, но может обрабатываться как термопластик.
PS-I ( ударопрочный полистирен ) состоит из непрерывной полистирольной матрицы и диспергированной в ней каучуковой фазы. Изготавливается путем полимеризации стирола в присутствии растворенного (в стироле) полибутадиена. Полимеризация происходит одновременно двумя способами : [ 64 ]
При использовании статистического сополимера в этом положении полимер становится менее восприимчивым к сшивке и лучше течет в расплаве. Для производства SBS сначала стирол гомополимеризуется посредством анионной сополимеризации. Обычно в качестве катализатора используется металлоорганическое соединение, такое как бутиллитий. Затем добавляется бутадиен, а после стирола снова его полимеризация. Катализатор остается активным в течение всего процесса (для чего используемые химикаты должны быть высокой чистоты). Молекулярно-массовое распределение полимеров очень низкое ( полидисперсность в диапазоне 1,05, поэтому отдельные цепи имеют очень схожую длину). Длина отдельных блоков может регулироваться соотношением катализатора к мономеру. Размер резиновых секций, в свою очередь, зависит от длины блока. Производство небольших структур (меньше длины волны света) обеспечивает прозрачность. Однако, в отличие от PS-I, блок-сополимер не образует никаких частиц, а имеет пластинчатую структуру.
Стирол-бутадиеновый каучук (SBR) производится, как и PS-I, путем привитой сополимеризации, но с более низким содержанием стирола. Таким образом, стирол-бутадиеновый каучук состоит из резиновой матрицы с диспергированной в ней фазой полистирола. [65] В отличие от PS-I и SBC, это не термопластик , а эластомер . Внутри резиновой фазы фаза полистирола собирается в домены. Это вызывает физическое сшивание на микроскопическом уровне. Когда материал нагревается выше точки стеклования, домены распадаются, сшивание временно приостанавливается, и материал можно обрабатывать как термопластик. [66]
Акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) — материал, который прочнее чистого полистирола.
SMA представляет собой сополимер с малеиновым ангидридом . Стирол может быть сополимеризован с другими мономерами; например, дивинилбензол может быть использован для сшивания полистирольных цепей, чтобы получить полимер, используемый в твердофазном синтезе пептидов . Стирол-акрилонитрильная смола (SAN) имеет большую термическую стойкость, чем чистый стирол.
Полистирольные пены производятся с использованием вспенивающих агентов, которые образуют пузырьки и расширяют пену. В вспененном полистироле это обычно углеводороды, такие как пентан , которые могут представлять опасность воспламенения при производстве или хранении недавно изготовленного материала, но оказывают относительно умеренное воздействие на окружающую среду. [ необходима цитата ] Экструдированный полистирол обычно изготавливается с использованием гидрофторуглеродов ( HFC-134a ), [67] которые имеют потенциал глобального потепления примерно в 1000–1300 раз больше, чем у диоксида углерода. [68] Упаковка, особенно вспененный полистирол, является источником микропластика как от наземной, так и от морской деятельности. [69]
Полистирол не поддается биологическому разложению , но подвержен фотоокислению . [ 70] По этой причине коммерческие продукты содержат светостабилизаторы .
Животные не распознают пенополистирол как искусственный материал и могут даже ошибочно принять его за пищу. [71] Пенополистирол развевается на ветру и плавает на воде из-за своего низкого удельного веса. Он может иметь серьезные последствия для здоровья птиц и морских животных, которые проглатывают значительные количества. [71] Молодь радужной форели, подвергшаяся воздействию фрагментов полистирола, демонстрирует токсические эффекты в виде существенных гистоморфометрических изменений. [72]
Ограничение использования вспененного полистирола для упаковки еды на вынос является приоритетом многих организаций по защите окружающей среды от твердых отходов . [73] Были предприняты усилия по поиску альтернатив полистиролу, особенно пены в ресторанных помещениях. Первоначальным стимулом было исключение хлорфторуглеродов (ХФУ), которые раньше были компонентом пены.
В 1987 году Беркли, Калифорния , запретил контейнеры для пищевых продуктов с ХФУ. [74] В следующем году округ Саффолк, Нью-Йорк , стал первой юрисдикцией США, запретившей полистирол в целом. [75] Однако юридические иски Общества индустрии пластмасс [76] не позволили запрету вступить в силу, пока он, наконец, не был отложен, когда Республиканская и Консервативная партии получили большинство в законодательном собрании округа. [77] Тем временем Беркли стал первым городом, запретившим все контейнеры для пищевых продуктов из пенопласта. [78] По состоянию на 2006 год около ста населенных пунктов в Соединенных Штатах, включая Портленд, Орегон и Сан-Франциско , имели тот или иной запрет на использование пенополистирола в ресторанах. Например, в 2007 году Окленд, Калифорния , потребовал от ресторанов перейти на одноразовые контейнеры для пищевых продуктов, которые разлагались бы при добавлении в пищевой компост. [79] В 2013 году Сан-Хосе , как сообщается, стал крупнейшим городом в стране, запретившим контейнеры для пищевых продуктов из пенополистирола. [80] Некоторые сообщества ввели широкие запреты на пенополистирол, например, Фрипорт, штат Мэн , который сделал это в 1990 году. [81] В 1988 году первый запрет США на пенополистирол был введен в Беркли, штат Калифорния. [78]
1 июля 2015 года Нью-Йорк стал крупнейшим городом в Соединенных Штатах, который попытался запретить продажу, хранение и распространение одноразового пенополистирола (первоначальное решение было отменено после апелляции). [82] В Сан-Франциско надзорные органы одобрили самый жесткий запрет на «пенополистирол» (EPS) в США, который вступил в силу 1 января 2017 года. Департамент окружающей среды города может делать исключения для определенных видов использования, таких как доставка лекарств при предписанных температурах. [83]
Ассоциация зеленых ресторанов США не допускает использование пенополистирола в качестве части своего стандарта сертификации. [84] Несколько лидеров зеленых, включая Министерство окружающей среды Нидерландов , советуют людям уменьшить вред, наносимый окружающей среде, используя многоразовые кофейные чашки. [85]
В марте 2019 года Мэриленд запретил контейнеры для пищевых продуктов из пенополистирола и стал первым штатом в стране, который принял запрет на контейнеры для пищевых продуктов из пенополистирола через законодательный орган штата. Мэн был первым штатом, официально внесшим запрет на контейнеры для пищевых продуктов из пенополистирола. В мае 2019 года губернатор Мэриленда Хоган разрешил запрету на пену (законопроект Палаты представителей 109) стать законом без подписи, что сделало Мэриленд вторым штатом, в котором запрет на контейнеры для пищевых продуктов из пенополистирола был введен в действие, но первым, который вступил в силу 1 июля 2020 года. [86] [87] [88] [89]
В сентябре 2020 года законодательный орган штата Нью-Джерси проголосовал за запрет одноразовых пенопластовых контейнеров для пищевых продуктов и стаканчиков из пенополистирола. [90]
.jpg/1280px-%E7%81%AB%E6%B0%97%E5%8E%B3%E7%A6%81_%E7%A6%81%E7%85%99_(3715967341).jpg)
Китай запретил контейнеры и столовые приборы из вспененного полистирола для еды на вынос/на вынос примерно в 1999 году. Однако соблюдение запрета было проблемой, и в 2013 году китайская пластмассовая промышленность лоббировала отмену запрета. [91]
До 2007 года Индия и Тайвань также запретили использование в пищевой промышленности посуды из пенополистирола. [92]
Правительство Зимбабве через свое Агентство по управлению окружающей средой (EMA) запретило полистирольные контейнеры (в стране их часто называют «кайлит») в соответствии с Положением о пластиковой упаковке и пластиковых бутылках (поправка) 2012 года (№ 1) [93] [94]
Город Ванкувер , Канада, объявил о своем плане Zero Waste 2040 в 2018 году. Город внесет поправки в устав, запрещающие владельцам лицензий на ведение бизнеса подавать готовую еду в стаканчиках из пенополистирола и контейнерах для еды на вынос, начиная с 1 июня 2019 года. [95]
В 2019 году Европейский союз проголосовал за запрет упаковки пищевых продуктов и стаканчиков из вспененного полистирола, и закон официально вступит в силу в 2021 году. [96] [97]
В декабре 2020 года на Фиджи был принят Закон об управлении окружающей средой. Импорт изделий из полистирола был запрещён в январе 2021 года. [98]
В целом, полистирол не принимается в программах переработки отходов на обочине дороги и не сортируется и не перерабатывается там, где он принимается. В Германии полистирол собирается в соответствии с законом об упаковке (Verpackungsverordnung), который требует от производителей нести ответственность за переработку или утилизацию любого упаковочного материала, который они продают.
Большинство полистирольных изделий в настоящее время не перерабатываются из-за отсутствия стимулов для инвестирования в необходимые уплотнители и логистические системы. Из-за низкой плотности пенополистирола его сбор неэкономичен. Однако, если отходы проходят начальный процесс уплотнения, материал меняет плотность с типичных 30 кг/м3 до 330 кг/м3 и становится перерабатываемым товаром высокой ценности для производителей переработанных пластиковых гранул. Отходы вспененного полистирола можно легко добавлять в такие продукты, как изоляционные листы EPS и другие материалы EPS для строительных целей; многие производители не могут получить достаточного количества отходов из-за проблем со сбором. Когда они не используются для производства большего количества EPS, отходы пены можно превратить в такие продукты, как вешалки для одежды, парковые скамейки, цветочные горшки, игрушки, линейки, корпуса степлера, контейнеры для рассады, рамки для картин и архитектурные молдинги из переработанного PS. [99] По состоянию на 2016 год в Великобритании ежемесячно перерабатывается около 100 тонн EPS. [100]
Переработанный EPS также используется во многих операциях по литью металла. Rastra производится из EPS, который смешивается с цементом и используется в качестве изоляционной добавки при изготовлении бетонных фундаментов и стен. Американские производители выпускают изоляционные бетонные формы, изготовленные примерно на 80% из переработанного EPS с 1993 года.
Совместное исследование, проведенное в марте 2022 года учеными Севоном О и Эрин Стаче в Корнелльском университете в Итаке, штат Нью-Йорк, обнаружило новый метод переработки полистирола в бензойную кислоту . Процесс включал облучение полистирола хлоридом железа и ацетоном под белым светом и кислородом в течение 20 часов. [101] Ученые также продемонстрировали аналогичный масштабируемый коммерческий процесс переработки полистирола в ценные малые молекулы (например, бензойную кислоту), занимающий всего несколько часов. [101]
Если полистирол правильно сжигается при высоких температурах (до 1000 °C [102] ) и с большим количеством воздуха [102] (14 м 3 /кг [ требуется ссылка ] ), образующиеся химические вещества представляют собой воду, углекислый газ и, возможно, небольшое количество остаточных галогенных соединений из антипиренов. [102] Если сжигание выполняется только неполностью, также останется углеродная сажа и сложная смесь летучих соединений. [103] [ требуется лучший источник ] По данным Американского химического совета , когда полистирол сжигается на современных предприятиях, конечный объем составляет 1% от начального объема; большая часть полистирола превращается в углекислый газ, водяной пар и тепло. Из-за количества выделяемого тепла его иногда используют в качестве источника энергии для выработки пара или электроэнергии . [102] [104]
Когда полистирол сжигался при температурах 800–900 °C (типичный диапазон современной мусоросжигательной печи), продукты сгорания состояли из «сложной смеси полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) от алкилбензолов до бензоперилена. В отходах сгорания полистирола было идентифицировано более 90 различных соединений». [105] [ необходим лучший источник ] Центр исследований пожаров Американского национального бюро стандартов обнаружил 57 химических побочных продуктов, выделяющихся при сгорании вспененного полистирола (EPS). [106]
Американский химический совет , ранее известный как Ассоциация производителей химической продукции, пишет:
На основе научных испытаний, проведенных в течение пяти десятилетий, государственные органы безопасности определили, что полистирол безопасен для использования в продуктах общественного питания. Например, полистирол соответствует строгим стандартам Управления по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США и Европейской комиссии/Европейского агентства по безопасности пищевых продуктов для использования в упаковке для хранения и подачи продуктов питания. Департамент гигиены пищевых продуктов и окружающей среды Гонконга недавно рассмотрел безопасность подачи различных продуктов питания в продуктах общественного питания из полистирола и пришел к такому же выводу, что и FDA США. [107]
С 1999 по 2002 год международная экспертная группа из 12 человек, отобранная Гарвардским центром оценки рисков, провела всесторонний обзор потенциальных рисков для здоровья, связанных с воздействием стирола. Ученые имели опыт в токсикологии, эпидемиологии, медицине, анализе рисков, фармакокинетике и оценке воздействия. В исследовании Гарварда сообщалось, что стирол естественным образом присутствует в следовых количествах в таких продуктах питания, как клубника, говядина и специи, и естественным образом вырабатывается при переработке таких продуктов, как вино и сыр. В исследовании также были рассмотрены все опубликованные данные о количестве стирола, попадающего в рацион из-за миграции упаковки пищевых продуктов и одноразовых изделий, контактирующих с пищевыми продуктами, и сделан вывод о том, что риск для населения от воздействия стирола из пищевых продуктов или изделий, контактирующих с пищевыми продуктами (таких как упаковка из полистирола и контейнеры для общественного питания), был на уровне, слишком низком, чтобы вызвать неблагоприятные последствия. [108]
Полистирол обычно используется в контейнерах для еды и напитков. Мономер стирола (из которого производится полистирол) является предполагаемым канцерогеном. [109] Стирол «обычно содержится в таких низких концентрациях в потребительских товарах, что риски незначительны». [110] Полистирол, который используется для контакта с пищевыми продуктами, может содержать не более 1% (0,5% для жирных продуктов) стирола по весу. [111] Было обнаружено, что олигомеры стирола в контейнерах из полистирола, используемых для упаковки пищевых продуктов, мигрируют в пищу. [112] Другое японское исследование, проведенное на мышах дикого типа и AhR -нулевых мышах, показало, что тример стирола, который авторы обнаружили в приготовленных продуктах быстрого приготовления, упакованных в контейнеры из полистирола, может повышать уровень гормонов щитовидной железы. [ 113 ]
Вопрос о том, можно ли разогревать полистирол в микроволновой печи вместе с едой, является спорным. Некоторые контейнеры можно безопасно использовать в микроволновой печи, но только если на них есть соответствующая маркировка. [114] Некоторые источники предполагают, что следует избегать продуктов, содержащих каротин (витамин А) или кулинарные масла. [115]
Из-за повсеместного использования полистирола эти серьезные проблемы, связанные со здоровьем, остаются актуальными. [116] [ ненадежный источник? ]
Как и другие органические соединения , полистирол является горючим. Полистирол классифицируется в соответствии с DIN4102 как продукт «B3», что означает легковоспламеняющийся или «легко воспламеняющийся». Как следствие, хотя он является эффективным изолятором при низких температурах, его использование запрещено в любых открытых установках в строительстве зданий, если материал не является огнестойким . [ требуется ссылка ] Его необходимо скрыть за гипсокартоном , листовым металлом или бетоном. [117] Вспененные полистирольные пластиковые материалы случайно воспламенялись и вызывали огромные пожары и человеческие жертвы, например, в международном аэропорту Дюссельдорфа и в туннеле под Ла-Маншем (где полистирол находился внутри загоревшегося железнодорожного вагона). [118]
В этой статье использован текст из свободного контента . Лицензия Cc BY-SA 3.0 IGO (лицензионное заявление/разрешение). Текст взят из Drowning in Plastics – Marine Litter and Plastic Waste Vital Graphics, Программа ООН по окружающей среде.
