Polisztirolhab
A polisztirol sztirolból tömbpolimerizációval előállított, hőre lágyuló műanyag, amelyhez hajtóanyagokat (pl. pentánt) és a késztermék egyes tulajdonságait (pl. éghetőség) módosító anyagokat adagolnak. A polisztirolhab termékeket gyártástechnológia és cellaszerkezet szerint két nagy csoportba sorolhatjuk. Az extrudálással nyert polisztirol zárt cellaszerkezetű, nagyobb szilárdságú, elhanyagolható vízfelvétellel rendelkezik, ezért nedvességnek kitett helyeken is (pl. pincefal, lábazat, fordított rétegrendű lapostető) is alkalmazható.
Az expandálással készülő polisztirolhab nyitott cellaszerkezetű, kisebb szilárdságú, nedvességhatásnak kevésbé ellenálló anyag. Három alapvetően eltérő expandált polisztirolhabból készülő terméket ismerünk. Léteznek a hagyományos expandált termékek, amelyek minőségüktől függően bárhol alkalmazhatók, ahol nincsenek kitéve nedvességhatásnak.
Adalékok, gyártás
A hagyományos termékek készülhetnek grafitpor vagy korom adalékanyaggal is, ami az anyagtulajdonságok közül egyedül a hőszigetelő képességre van pozitív hatással. A grafitpor vagy korom hatásmechanizmusa miatt ezekről a termékekről a nanotechnológiás hőszigetelő anyagok közt található bővebb ismertető.
Egyes expandált polisztirolhab termékek készülhetnek speciális, forma habosítási eljárással is. A for-mahabosított termékek anyagtulajdonságai sokkal inkább a zárt cellás, extrudált habokéhoz hasonlítanak. A hagyományos expandált termékekhez képest jobb a hőszigetelő képességük, nagyobb a szilárdságuk, valamint nedvességfelvételük is sokkal kisebb. Éppen ezért az extrudált habból készült szigetelések alkalmazhatók nedvességhatásnak kitett helyeken (pl. pincefalak, lábazatok, fordított rétegrendű lapostetők, zöldtetők stb.).
A sztirolt, amelynek polimerizációjával a polisztirol létrejön, szintén régen ismerték a kutatók a természetből. Neve biológiai eredetű. A Styrax növények trópusi vidékeken élő fák, egyikük, a Styrax officinalis termeli a styrax gyantát, amelyet az ókorban füstölőszerként, később gyógyszerként használtak. Elsőként 1839-ben Eduárd Simon figyelte meg, hogy a styrax-gyanta a szabad levegőre téve sűrű masszává alakul át.
- Ismerd meg az ezerarcú Japán építészetet!
- Számoljon a nedvességgel már az építkezéskor!
- Hőszigetelő anyagaink általánosságban
Ezek a cikkek is érdekelhetnek:
Simon vízgőz-desztilláció segítségével színtelen, kellemes szagú, erősen fénytörő, vízben oldhatatlan, szerves oldószerekben (alkohol, éter) jól oldódó folyadékot nyert belőle, amelyet sztirolnak nevezett el. Azt is megfigyelte, hogy a sztirol a szabad levegőn hagyva néhány nap alatt sűrű, kocsonyás anyaggá változik. Feltételezte, hogy a sztirol reakcióba lépett a levegő oxigénjével, így a kapott anyagot sztirol-oxidnak nevezte el. Ez az anyag valójában azonban nem volt más, mint természetes polimerizáció során létrejött polisztirol.
1845-ben John Blyih és August Wil-helm von Hoffmann kimutatták, hogy hasonló reakció oxigén jelenléte nélkül is végbemegy. Az így kapott vegyületet metasztirolnak nevezték el. A későbbi kutatások kimutatták a sztirol-oxid és a metasztirol kémiai egyezését, így 1866-ban Marcellin Pierre Eugéne Berthelot megállapította, hogy a metasztirol a sztirol egyfajta polimerizációs folyamata során jön létre.
1922-ben Hermann Staudinger ismerte föl, hogy a sztirolmolekulák között nagy hőmérséklet hatására láncreakció indul be, amelynek során a sztirol molekulái molekulaláncba rendeződnek, óriásmolekulákat létrehozva.
A polisztirol alapanyaga (monomere) mesterséges úton kőolajból is előállítható. A kőolaj iparosított kitermelése csak az 1850-es években indult meg, így nem csoda, hogy míg a természetes sztirolt már gyakorlatilag az ókorban ismerték, addig kétezer évet kellett várni, hogy 1929-ben Ludwigshafenben az IG Farbenindustrie AG – mai nevén Badische Anilin- und Sodafabrik – egyik kutatója, Hermann Franz Mark, mesterséges úton is előállítsa egy etil-benzol nevű kőolajszármazék katalitikus dehidrogénezésével.
Az etil-benzol aromás szénhidrogén, molekulája egy benzolgyűrűt tartalmaz, amelyhez egy etilcsoport kapcsolódik. Színtelen folyadék, szaga a benzoléhoz hasonló. A természetben a kőszénkátrányban fordul elő kis mennyiségben, iparilag etilénből és benzolból állítható elő. Ez a Friedel-Crafts-reakció (alkilezés) – amelyet 1877-ben Charles Ériedéi és James Mason Crafis fedezett fel -, ami általában alumínium-klorid katalizátor jelenlétében történik.
A dehidrogénezés – mint a sztirol előállításának legfontosabb módszere – elméleti alapjait elsőként 1868-ban Marcellin Pierre Eugéne Berthelot írta le. Az etil-benzol gőze ugyanis hevítés hatására 550-650 °C-on dehidrogéneződik (vagyis a kiindulási anyagból hidrogéngáz fejlődik) és sztirollá alakul. Annak érdekében, hogy a reakció gyorsabban és kisebb hő mérsékleten is végbemenjen, katalizátorként rendszerint valamilyen fém-oxidok keverékét használnak, ez általában 80% vas-oxidot, 10-15% kálium-oxidot, s kisebb mennyiségben alumíniumoxidot, bauxitot vagy króm-oxidot tartalmaz.
9.1. ábra. Az etil-benzol keletkezése
9.2. ábra. A sztirol keletkezése etil-benzol dehidrogénezésével
A polisztirol amorf, hőre lágyuló műanyag. Színtelen, üvegszerű, átlátszó és rideg anyag, könnyen préselhető formákba, és rendkívül jó szigetelő tulajdonságai vannak. Polimerizációs reakció segítségével állítható elő, ami valójában nem más, mint valamilyen alkán (kettős kötést tartalmazó szénhidrogén-vegyület) sorozatos önaddíciója.
A kiindulási anyag kettős kötései (monomer) megfelelő iniciátor segítségével felbomlanak, ezáltal kialakul egy instabilis származék, amely sorozatosan reagál további monomermolekulákkal. Eközben az egyre növekvő molekula instabilis (növekedésre képes) marad mindaddig, míg be nem következik valamilyen lánczáró lépés, melynek során stabilizálódik.
A láncnövekedés fokozatosan megy végbe, először két monomermolekulából dimer képződik, majd egy harmadik monomermolekulával egyesülve trimer, s a folyamat addig zajlik, míg a monomermolekulák el nem fogynak. A folyamatot gyorsítja a melegítés, az erős megvilágítás és bizonyos katalizátorok (pl. szerves peroxidok, ásványi savak, Lewis-savak).
Az első sikeres sztirolpolimerizációt 1930-ban a BASF vállalat két kutatója, Carl Wulffés Eugen Dörrer hajtotta végre, létrehozva a polisztirolt, amely szerkezetét tekintve valójában egy lineáris láncmolekula, amelyhez gyűrűs benzolgyökök csatlakoznak. Innentől kezdve meglehetősen gyorsan megindult a polisztirol ipari előállítása, s hamarosan felvetődött a polisztirol műanyaghabként való felhasználása.
9.3. ábra. A sztirol polimerizációja
A polimerizáció gépészeti megoldását tekintve sorba kapcsolt, álló hengeres keverőtartályokban, ún. kaszkádreaktor-rendszerben történik. A polisztirol három ilyen tartályreaktor lépcsőzetes egymás mögé kapcsolásával kialakított soron készül, homogén tömb polimerizációval. A sorba kapcsolt 20 m3-es reaktorok közül az elsőt kell csak felfűteni (1,5 – 3 bar nyomáson), a másik kettőből már jelentős exoterm polimerizációs hőt kell elvezetni ahhoz, hogy ott a hőmérsékletet tartani lehessen.
Az átalakulás (konverzió) három lépcsőben megy végbe. Először csak bizonyos fokú konverzióig jut el a rendszer, majd ennek elérésekor átvezetik az anyagot a következő tartályba, ahol már valamivel nagyobb hőmérsékleten, de már hőhozzávezetés nélkül folyik tovább a reakció. A következő reaktorokban még nagyobb hőmérsékleten éri el a konverzió a kívánt fokot. A reaktorok között az egyre viszkózusabb polimer oldatot fogaskerék-szivattyúk szállítják. Az átalakulatlan monomert természetesen visszavezetik.
Egy tipikus polisztirolgyártó soron ezek a lépcsők a következő paraméterekkel valósulnak meg:
- lépcső: 100-125 °C, konverzió: 25%,
- lépcső: 125-150 °C, konverzió: 50%,
- lépcső: 150-175 °C, konverzió: 75%.