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【转自石化科普知识】第十六讲 我们生活的好帮手——聚苯乙烯一家
发布时间:2018年06月11日   发布部门:区委办   浏览次数:719

  提到聚苯乙烯,大部分人可能都不熟悉。但说到一次性饭盒、塑料袋、包装箱用白色塑料,大家肯定都见过和接触过,它们就是由聚苯乙烯制造的。想想吧,日常生活中,没有聚苯乙烯制造的塑料在运输过程中充当减震缓冲的作用,我们用的瓷器、电器、玻璃等能从遥远的工厂完好无损地送到我们的手里吗?没有一次性饭盒,上班一族的外卖会变得多么的混乱?这些用聚苯乙烯制造的生活用品,便利了我们的日常工作,减轻了我们工作的运输和携带负担,提高了我们的工作效率。
  说到不好的地方,就是大家常说的白色污染。大部分的白色污染都是一次性饭盒或者泡沫等材料,因为质量较轻又不易被分解,因而漂浮在水面,形成污染。这些污染对生活环境造成很大的干扰和不便。可是,我们用聚苯乙烯制造这些日常用品最终为什么会流入到环境中破坏了生态?其实还是我们人类自己的问题,如果大家都养成良好的生活习惯,这些东西用完后,分类回收处理,没有随手乱丢乱扔,这些东西又怎会破坏环境呢?
  聚苯乙烯(英语polystyrene,简称PS)是一种无色透明的热塑性塑料,在日常生活中具有广泛的应用(如图16-1)。电气、仪表外壳、玩具、灯具、家用电器、文具、化妆品容器、室内外装饰品、果盘、光学零件(如三棱镜、透镜)透镜窗镜和模塑、车灯、电讯配件、电频电容器薄膜、高频绝缘材料,以及一次性饭盒和泡面的盒子都是用的聚苯乙烯,它在我们的日常生活的方方面面都扮演了重要的角色,是现代社会中不可或缺的重要材料(图16-1)。


图16-1 聚苯乙烯在现代工业中的应用

  纯净的聚苯乙烯化学稳定性比较差,在95C时就会释放出苯乙烯;耐强酸强碱腐蚀,却又可以被多种有机溶剂溶解,如:丙酮、乙酸乙酯,不抗油脂,可以通过与不同的染料混合形成各种颜色的聚苯乙烯。聚苯乙烯由于其苯环的支链使其受到紫外光照射后易变色。
  聚苯乙烯工业的发展是一个比较缓慢的过程,人类第一次得到聚苯乙烯,是在1839年,一个叫Eduard Simon的德国科学家,从天然树脂中提取出来的,但足足过了近一百年,直到1930年,第二次世界大战之前,巴斯夫(BASF)在德国才开始商业化生产聚苯乙烯。之后,聚苯乙烯的工业开始了迅速的发展;1934年,道( Dow)在美国建立了聚苯乙烯的生产线,1954年,Dow开始生产聚苯乙烯泡沫塑料;中国的聚苯乙烯工业发展起步较晚,20世纪60年代初开始引进国外的生产技术,直到20世纪末才开始迅速发展,根据中国产业信息网发布的研究报告,2010年,中国累计生产155万吨聚苯乙烯,而实际进口369万吨,进口量超过自主生产的两倍。
  聚苯乙烯主要是通过在一定条件下使苯乙烯发生聚合反应得到,聚合反应如图16-2所示:


图16-2 聚苯乙烯的分子结构及聚苯乙烯分子的3D图

  普通聚苯乙烯树脂有很多优异的特点。它为无毒、无臭、无色的透明颗粒,是一种脆性材料,像玻璃珠一样,其制品透明度非常高,透光率可达90%以上,而且不导电,容易掺杂各种染料,易加工,刚性好及抗腐蚀等。其缺点在于冲击强度低,易出现应力开裂,耐热性差及不耐沸水等。这是因为普通聚苯乙烯树脂属无定形高分子聚合物,苯环作为其侧基,导致了其内部分子的无规则排列,这样的微观结构,决定了聚苯乙烯的物理化学性质。为了克服聚苯乙烯的这些缺点,人们对聚苯乙烯进行了再开发,并发展了新的工艺。


图16-3 EPS在路基工程中的应用

  比较常见的是发泡聚苯乙烯(俗称保丽龙,EPS)(如图16-3),在聚苯乙烯中加入发泡剂,这样在加热时,发泡剂会软化并产生气体,使聚苯乙烯变成一种硬质闭孔结构的泡沫塑料。这种均匀而封闭的空腔结构使EPS具有吸水性小、介电性能优良、质量轻及力学强度较高等特点。EPS是一种轻型高分子材料。具吸音、隔音、隔热等效果,近来在建筑上使用的中空楼板(新工法)就是EPS。此外,为了增加其使用的安全性,在材料中加入卤代烃作为阻燃剂,形成阻燃级发泡聚苯乙烯,广泛用于建筑物隔音绝热层和工程上。
  经过改良成EPS的聚苯乙烯在生活和生产中得到了广泛的应用。EPS被制造成各种外包装用于仪器的包装及新鲜食品的运输;在工程上,挪威道路研究所为了抑制桥梁与桥头路堤间不均匀沉降的问题,在1971年首次应用EPS代替普通填料,成功地解决了这一问题,这使得EPS以新型工程材料的面貌出现在世界各国工程界,并受到人们的青睐,广泛应用到各类土木工程中,有效地解决了软基过度沉降,路堤与桥台连接处的差异沉降,建筑物的防潮、保温及水利设施的保温防冻、防渗等工程问题。近年来EPS在我国也受到相当的重视,并且逐步得到了一定发展和较为广泛的应用。


图16-4 改性聚苯乙烯的应用

  此外,科学家们还发展出了具有高抗冲性能的高抗冲聚苯乙烯( HIPS),是通过在聚苯乙烯中添加聚丁基橡胶颗粒的办法生产的一种抗冲击的聚苯乙烯产品(如图16-4),在家电产品外壳,电器用品、仪器仪表配件、冰箱内衬、板材、电视机、收录机、电话机壳体、文教用品、玩具、包装容器、日用品、家具、餐具、托盘、结构泡沫制品等方面都有广泛的应用。
  化学稳定性好而又透明度高的苯乙烯一丙烯腈(SAN),是一种无色透明的聚丙烯基工程塑料,具有较高的机械强度,广泛应用于电气(插座、壳体等),日用商品(厨房器械、冰箱装置、电视机底座、卡带盒等),汽车工业(车头灯盒、反光境、仪表盘等),家庭用品(餐具、食品刀具等),化妆品包装等方面。
  具有高强度低重量的优秀的工程塑料丙烯腈一丁二烯一苯乙烯(ABS),是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的共聚物。ABS树脂在很多领域都有应用,其中最大的应用领域是汽车、电子电器和建材。汽车仪表板、车身外板、内装饰板、方向盘、隔音板、门锁、保险杠、通风管等很多汽车部件都有使用ABS树脂。电器方面则广泛应用于电冰箱、电视机、洗衣机、空调器、计算机、复印机等电子电器中。建材方面,有ABS管材、ABS卫生洁具、ABS装饰板等。此外ABS在包装、家具、体育和娱乐用品、机械和仪表工业中也有很重要的应用。
  具有耐磨损的热塑性橡胶SBS橡胶,是一种三段嵌段共聚物,其分子结构是聚(苯乙烯一丁二烯一苯乙烯),这种材料同时具有聚苯乙烯和聚丁二烯的特点,因此具有一般橡胶不可比拟的优点,常常被用来制造轮胎等耐磨的橡胶器件。SBS主要用于橡胶制品、树脂改性剂、黏合剂和沥青改性剂这四大应用领域。
  聚苯乙烯的结构决定了它一旦被随意丢弃,就很难经由生物分解及光分解进入生物地质化学循环,而发泡聚苯乙烯(保丽龙)由于其低密度,会使其漂浮于水面或者随风飘移,造成主观的景观破坏和河道表面堵塞。根据美国加州海岸委员会的调查,聚苯乙烯已是主要的海洋漂流物,并会对海洋生物造成伤害,因为聚苯乙烯会被海洋生物误食(如图16-5)。


图16-5 大量的白色污染

  因此养成良好的使用和回收习惯,是对环境保护重要的方式,也是对资源的再利用的重要方式。
  塑胶分类标志中,PS代码是6(以顺时钟方向循环箭头构成三角形号码标志),塑料本体底部或包装上须列明,以便消费者及回收商能分类妥当,如图16-6所示。


图16-6 以聚苯乙烯为原料的一次性杯盖

  聚苯乙烯,特别是发泡型由于其质量小、残余价值低,采用常规的循环再生办法比较困难。但是,工业上也对发泡聚苯乙烯的再利用进行了很大的改进,出现了很多使其密化的新方法。可对使用后的聚苯乙烯进行回收。此外,近期的研究发现面包虫可以分解聚苯乙烯,未来似乎可以借助这样的方式达到自然分解该材料的目的。
  聚苯乙烯如今已经成为了人们日常生活中不可或缺的重要物质,未来聚苯乙烯将朝着功能化、多元化的方向发展,但国内聚苯乙烯工艺还比较滞后,民众的日常习惯还有待提高,尽管如此,聚苯乙烯工业的发展,对人类社会的影响是显而易见的,也是无法取代的,在发展的过程中,培养民众意识,提高对聚苯乙烯的回收利用,才是符合可持续发展的科学方法。