Пінополістирол

Пінополістиролявляє собою газонаповнений матеріал, що отримується з полістиролу та його похідних, а також з кополімерів стиролу. Пінополістирол є широко поширеним різновидом пінопласту, яким зазвичай і називається в побуті. Звичайна технологія одержання пінополістиролу пов'язана з початковим заповненням гранул стиролу газом, який розчиняють у полімерній масі. Надалі проводиться нагрівання маси парою. У процесі цього відбувається багаторазове збільшення вихідних гранул обсягом, доки вони займають всю блок-форму і спікаються між собою. У традиційному пінополістиролі використовуються добре розчинний у стиролі природний газ для заповнення гранул, у пожежостійких варіантах пінополістиролу гранули наповнені вуглекислим газом [1] . Також існує технологія отримання вакуумного пінополістиролу, в якому відсутній будь-який газ.

Зміст

Перший пінополістирол був виготовлений у Франції в 1928 [2] . Промислове виробництво пінополістиролу почалося у 1937-х роках. [уточнити] у Німеччині [3] . У СРСР виробництво пінополістиролу (марки ПС-1) було освоєно в 1939 р. [4] , марок ПС-2 і ПС-4 - в 1946 [5] , марки ПСБ - в 1958 [6] У 1961 році в СРСР було освоєно технологію виробництва самозагасаючого пінополістиролу (ПСБ-С) [7] . Для будівельних цілей пінополістирол марки ПСБ почали випускати 1959 р. на комбінаті митищинського «Будпластмас».

Для отримання пінополістиролу найчастіше застосовується полістирол. Іншою сировиною є полімонохлорстирол, полідихлорстирол, а також сополімери стиролу з іншими мономерами: акрилонітрилом і бутадієном. Як спінювальні агенти служать легкокиплячі вуглеводні (пентан, ізопентан, петролейний ефір, дихлорметан)або газоутворювачі (діамінобензол, нітрат амонію, азобісізобутіронітрил). Крім того, до складу пінополістирольних плит входять антипірени (клас горючості Г1), барвники, пластифікатори та різні наповнювачі.

Значна частка одержуваного пінополістиролу проводиться спінюванням матеріалу парами низькокиплячих рідин. Для цього використовується процес суспензійної полімеризації в присутності рідини, яка здатна розчинятися у вихідному стиролі та нерозчинна в полістиролі, наприклад, пентану, ізопентану та їх суміші. При цьому утворюються гранули, в яких рідина, що легко кипить, рівномірно розподілена в полістиролі. Далі ці гранули піддають нагріванню парою, водою чи повітрям, у результаті вони значно збільшуються у розмірах — в 10-30 раз. Об'ємні гранули випікають з одночасним формуванням виробів.

Пінополістирол, який був отриманий методом спінювання легкокиплячої рідини, є матеріалом, що складається з тонко-комірчастих гранул, що спеклися між собою. Усередині гранул пінополістиролу є мікропори, між гранулами – порожнечі. Механічні властивості матеріалу визначаються його щільністю, що здається: чим вона вище, тим більша міцність і нижче водопоглинання, гігроскопічність, паро- і повітропроникність.

Безпресовий пінополістирол: EPS (Expanded Polystyrene); ПСБ (Пінополістирол суспензійний безпресовий); ПСБ-С (Пінополістирол суспензійний безпресовий самозагасаючий). Винайдено BASF у 1951 р.
Екструдований пінополістирол: XPS (Extruded Polystyrene); Екстрол, Піноплекс, Стірекс, Техноплекс, Техноніколь, URSA XPS
Пресовий пінополістирол: різні зарубіжні марки; ПС-1; ПС-4
Автоклавний пінополістирол: Styrofoam (Dow Chemical)
Автоклавно-екструзійний пінополістирол[8]

Пінополістирол найчастіше використовується як теплоізоляційний та конструкційний матеріал. Області його застосування: будівництво, вагоно- та суднобудування, авіабудування. Досить велика кількість пінополістиролу застосовується як пакувальний та електроізоляційний матеріал.

Водопоглинання

Пінополістирол здатний поглинати воду при безпосередньому контакті [22] . Проникнення води безпосередньо в пластмасу становить менше 0,25 мм за рік [23], тому водопоглинання пінополістиролу залежить від його структурних особливостей, щільності, технології виготовлення та тривалості періоду водонасичення. Водопоглинання екструзійного пінополістиролу навіть через 10 діб знаходження у воді не перевищує 0,4 % (за обсягом), що зумовлює його широке застосування як утеплювача для підземних та заглиблених споруд (дороги, фундаменти) [24] .

Паропроникність

Пінополістирол є низькопаропроникним матеріалом [25] [26] .

Особливістю паропроникності пінополістиролу є те, що вона не залежить від його ступеня спінювання та щільності пінополістиролу і завжди дорівнює 0,05 мг/(м*ч*Па) [джерело не вказано 2111 днів] , що не еквівалентно паропроникності дерев'яного зрубу із сосни, ялини чи дуба чи мінеральної вати (0,55 мг/(м*ч*Па)).

Біологічна стійкість

Незважаючи на те, що пінополістирол не схильний до дії грибків, мікроорганізмів і мохів, у ряді випадків вони здатні утворювати на його поверхні свої колонії [27] [28] [29] [30] .

Полістирол здатні їсти і перетравлювати борошняні черви [31] [32] [33] .

У пінополістиролі можуть селитися комахи, облаштовувати гнізда птиці та гризуни. Проблема ушкоджень конструкційпінополістиролу гризунами була предметом численних досліджень. За результатами проведених тестів пінополістиролу на сірих щурах, будинкових мишах та мишах-полівках встановлено таке:

Пінополістирол, як матеріал, що складається з вуглеводнів, не містить поживних речовин і не є живильним середовищем для гризунів (та інших живих організмів).
У примусових умовах гризуни впливають на екструзійний і гранульований пінополістирол так само, як і на будь-який інший матеріал, у тих випадках, коли він є перешкодою (перешкодою) для доступу до їжі та води або для задоволення інших фізіологічних потреб тварини.
В умовах вільного вибору гризуни впливають на пінополістирол меншою мірою, ніж в умовах примусу, і лише в тому випадку, якщо їм необхідний підстилковий матеріал або існує потреба в сточуванні різців.
За наявності вибору гніздового матеріалу (мішковина, папір), пінополістирол приваблює гризунів в останню чергу.

Результати експериментів з пацюками та мишами показали також залежність від модифікації пінополістиролу, зокрема екструзійний пінополістирол ушкоджується гризунами меншою мірою.

Довговічність

Одним із способів визначення довговічності пінополістиролу є чергуванням нагрівання до +40 °C, охолодження до -40 °C і витримуванням у воді. Кожен такий цикл приймається рівним 1 умовному року експлуатації. Стверджується, що довговічність виробів із пінополістиролу за цією методикою випробувань становить не менше 60 років [34] , 80 років [35] .

Стійкість до дії розчинників

Пінополістирол мало стійкий до розчинників. Він легко розчиняється у вихідному стиролі, ароматичних вуглеводнях.(бензол, толуол, ксилол), хлорованих вуглеводнях (1,2-дихлоретан, чотирихлористий вуглець), складних ефірах, ацетоні, сірковуглецю. У той же час він нерозчинний у спиртах, аліфатичних вуглеводнях та простих ефірах.

Високотемпературна деструкція

Високотемпературна фаза деструкції пінополістиролу добре та докладно досліджена. Вона починається за температури +160 °C. З підвищенням температури до +200 °C починається фаза термоокислювальної деструкції. Вище +260 °C переважають процеси термічної деструкції та деполімеризації. У зв'язку з тим, що теплота полімеризації полістиролу та полі-''α'''-метилстиролу одні з найнижчих серед усіх полімерів, у процесах їх деструкції переважає деполімеризація до вихідного мономеру - стиролу [36] .

Модифікований пінополістирол зі спеціальними добавками відрізняється за ступенем високотемпературної деструкції згідно з сертифікаційним класом. p align="justify"> Модифіковані пінополістироли, сертифіковані за класом Г1, не руйнуються більш ніж на 65% під впливом високих температур. Класи модифікованих пінополістиролів наведені в таблиці розділу з пожежостійкості.

Низькотемпературна деструкція

Спінений полістирол, як і деякі інші вуглеводні, здатний до самоокислення на повітрі з утворенням пероксидів. Реакція супроводжується деполімеризації. Швидкість реакції визначається дифузією молекул кисню. Через значно розвинену поверхню пінополістиролу він окислюється швидше, ніж полістирол у блоці [37] . Для полістиролу у формі щільних виробів, що регламентує початок деструкції виступає температурний фактор. При нижчих температурах його деструкція теоретично хоч і можлива відповідно до законів термодинаміки полімеризаційних процесів, але черезНадзвичайно низькою газопроникністю полістиролу парціальний тиск мономеру може змінюватися тільки на зовнішній поверхні виробу. Відповідно нижче Тпред = 310 ˚С деполімеризація полістиролу відбувається тільки з поверхні виробу, і нею можна знехтувати з метою практичного застосування.

Д.х.н., професор кафедри переробки пластмас РГТУ ім. Менделєєва Л. М. Кербер про виділення стиролу із сучасного пінополістиролу:

«В умовах звичайної експлуатації стирол окислюватись ніколи не буде. Він окислюється за набагато вищих температур. Деполімеризація стиролу дійсно може йти при температурах вище 320 градусів, але всерйоз говорити про виділення стиролу в експлуатації пінополістирольних блоків в інтервалі температур від мінус 40 до плюс 70 °C не можна. У науковій літературі є дані про те, що окиснення стиролу за температури до +110 °C практично не відбувається».

Також експерти стверджують, що падіння ударної в'язкості матеріалу при 65 °C не відзначено на інтервалі 5000 годин, а падіння ударної в'язкості при 20 °C не відмічено за 10 років.

Токсична природа стиролу та здатність пінополістиролу виділяти стирол вважається європейськими експертами недоведеною. Експерти, як у будівельній, так і в хімічній галузі або заперечують можливість окислення пінополістиролу в звичайних умовах, або вказують на відсутність прецедентів, або посилаються на відсутність у них інформації з цього питання.

Крім того, сама небезпека стиролу спочатку часто перебільшується. Згідно з великомасштабними науковими дослідженнями, проведеними у 2010 р. у зв'язку з проходженням обов'язкової процедури перереєстрації хімічних речовин у Європейському Хімічному Агентстві відповідно до регламенту REACH, було зробленотакі висновки:

мутагенність - немає підстав для класифікації;
канцерогенність - немає підстав для класифікації;
репродуктивна токсичність немає підстав для класифікації.

Більше того, необхідно мати на увазі, що стирол природним чином міститься в каві, кориці, полуниці та сирах.

Таким чином, основні побоювання, пов'язані з особливою токсичністю стиролу, що нібито виділяється під час використання пінополістиролу, не підтверджуються [36] .

Пожежанебезпека необробленого пінополістиролу

Немодифікований пінополістирол (клас горючості Г4) - легкозаймистий матеріал, займання якого може статися від полум'я сірників, паяльної лампи, від іскор автогенного зварювання. Пінополістирол не запалюється від прожареного залізного дроту, сигарети, що горить, і від іскор, що виникають при точці сталі [38] . Пінополістирол відноситься до синтетичних матеріалів, які характеризуються підвищеною горючістю. Він здатний зберігати енергію від зовнішнього джерела тепла в поверхневих шарах, розповсюджуючи вогонь та ініціюючи посилення пожежі [39] .

Температура спалаху пінополістиролу коливається від 210 °C до 440 °C залежно від добавок, що використовуються виробниками [40] [41] . Температура займання конкретної модифікації пінополістиролу визначається відповідно до сертифікаційного класу.

При запаленні звичайного пінополістиролу (клас горючості Г4) у короткий час розвивається температура 1200 °C [38], при використанні спеціальних добавок (антипірени) температура горіння може бути знижена згідно з класом горіння (клас горючості Г3). Горіння пінополістиролу проходить з утворенням токсичного диму різного ступеня та інтенсивності залежно від домішок, доданих допінополістиролу для зниження димоутворення. Димовиділення токсичних речовин у 36 разів більше за обсягом, ніж у деревини.

Горіння звичайного пінополістиролу (клас горючості Г4) супроводжується утворенням токсичних продуктів: ціановодню, бромоводню і т. д. [42] [43] .

З зазначених причин вироби з необробленого пінополістиролу (клас горючості Г4) не мають сертифікатів допуску для застосування у будівельних роботах.

Виробники використовують модифікований спеціальними добавками (антипіренами) пінополістирол, завдяки яким матеріал має різні класи із запалення, горючості та димоутворення.

Таким чином, при коректному монтажі, відповідно до ГОСТ 15588-2014 «Плити пінополістирольні теплоізоляційні. Технічні умови», пінополістирол не становить загрози для пожежної безпеки будівель. Технологія «мокрого фасаду» (WDVS, EIFS, ETICS), яка передбачає застосування пінополістиролу як утеплювач в огороджувальній конструкції, знаходить велике застосування в будівництві.

Модифікований пінополістирол для пожежної безпеки

Для зниження пожежонебезпечності пінополістиролу при отриманні до нього додають антипірени. Отриманий матеріал називається самозагасаючим пінополістиролом (клас горючості Г3) і позначається у ряду українських виробників додатковою літерою «С» наприкінці (наприклад, ПСБ-С) [44] .

До набрання чинності ФЗ 123, група горючості марок з додаванням антипіренів характеризувалася як Г1.

Зниження горючості пінополістиролу в більшості випадків досягається заміною палива для «надування» гранул на вуглекислий газ [46] .