Benutzer:Shushushu/Polystyrol

Einleitung bleibt wie gehabt

Geschichte

Polystyrol wurde 1839 vom Apotheker Eduard Simon entdeckt, als die aus dem Harz des Baumes Liquamber orientalis gewonnene Flüssigkeit - es handelte sich um Styrol - unbeabsichtigt polymerisierte. Erst 1930 wurde von der BASF ein Grundlagenpatent eingereicht. Ab 1931 stellte die BASF Polystyrol im Spritzgussverfahren her, ab 1933 wurden Elektroisolierfolien mittels Extrusion gefertigt. In den folgenden Jahren wurde verschiedene Copolymere entwickelt, um die Eigenschaften von Polystyrol zu verbessern.

Herstellung

Polystyrol kann auf allen gängigen Wegen polymerisiert werden: Radikalisch, anionisch, kationisch und Übergangsmetall-katalysiert .
Die radikalische Polymerisation erfolgt technisch mittels Substanz-, Suspensions- oder Emulsionspolymerisation. Ab etwa 130°C polymerisiert Styrol thermisch, d.h. ohne Zugabe eines Initiators.

Polystyrol-Typen

Standard-Polystyrol

Standard-Polystyrol ist ein transparenter, harter und spröder Thermoplast, der zu Spannungsrissen neigt. Es hat eine ataktische Struktur, die Benzolreste sind also willkürlich am Rückgrat des Polymers angeordnet. Daher können sich die Polymerketten nicht regelmäßig ausrichten, weshalb Standard-Polystyrol als amorpher Feststoff vorliegt. Die Glasübergangstemperatur liegt bei 80-100°C. Die Herstellung erfolgt meist über radikalische Polymerisation. Wegen seiner Härte und Sprödigkeit kann Standard-Polystyrol nur für kurzlebige (z.B. Folien für Verpackungen, Einwegartikel in medizinischen Labors) oder steife Produkte eingesetzt werden.

Syndiotaktisches Polystyrol (PS-S)

Im syndiotaktischen Polystyrol sind die Benzolreste abwechselnd angeordnet. Durch diese Regelmäßigkeit in der Struktur können sich im Polymer kristalline Bereiche ausbilden. Die Glasübergangstemperatur liegt bei 100°C, die Schmelztemperatur bei 270°C. Durch die Verstärkung mit Glasfasern kann das Polymer oberhalb der Glasübergangstemperatur bis etwa 250°C verwendet werden. Es ist ein guter Isolator, nicht zuletzt wegen seiner geringen Wasseraufnahme. PS-S wird mit Metallocen-Katalysatoren hergestellt. Die Verarbeitung kann durch die guten Eigenschaften der Schmelze durch Spritzguß erfolgen. Da die Einführung von PS-S auf dem Markt erst nach 1990 erfolgte, gibt es noch relativ wenige Einsatzgebiete, diese liegen u.a. in der Elektrotechnik und in der Autoindustrie.

Expandierbares Polystyrol (PS-E)

Die wohl bekannteste Art von Polystyrol ist das expandierbare Polystyrol. Es besteht aus Polystyrol und kleinen Mengen niedrigsiedender Kohlenwasserstoffe als Treibmittel. Im geschäumten Zustand sind 98% Luft enthalten. Es ist geschlossenzellig und hat eine geringe Dichte und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Bei leichteren Stößen kehrt es in die ursprüngliche Form zurück, bei starker Krafteinwirkung wird der Stoff deformiert.

Die Herstellung erfolgt in mehreren Schritten: Das durch durch Suspensionspolymerisation hergestellte PS-Granulat wird im Vorschäumer mit Wasserdampf (100-120°C) erhitzt, das dann weiche PS wird durch den erhöhten Dampfdruck des Kohlenwasserstoffs (oft Pentan) auseinandergetrieben zu Perlen mit 3mm Durchmesser. Durch die zwischenzeitliche Lagerung für einige Tage entweichen Wasser und der Kohlenwasserstoff, gleichzeitig dringt Luft ein. Die Polystyrolperlen werden anschließend in die Form gebracht. Es wird Wasserdampf eingeblasen, wobei sich die Perlen über der Glasübergangstemperatur ausdehnen und zusammenbacken.

Durch Extrusionsschäumen wird druckfestes PS-E hergestellt, dabei wird in der Schmelze mit einem unter Druck stehenden Treibmittel geschäumt.

Geschäumtes Polystyrol wird vielfach verwendet, z.b. als Verpackung für Lebensmittel und Geräte, Fahrradhelme, im Bauwesen (zur Dämmung als Stück oder lose), bei der Zellziegelherstellung (Polystyrol wird hier in die zu entstehenden Hohlräume gefüllt, es zersetzt sich dann beim Brennen der Ziegel) und als PS-Leichtbeton.

Vernetztes Polystyrol (PS-X)

Vernetztes Polystyrol ist unlöslich und unschmelzbar. Die Vernetzung erfolgt mit Divinylbenzol. Das Polymernetzwerk kann bis zu einer gewissen Größe organische Moleküle aufnehmen, weshalb es in der Gelpermeationschromatographie angewendet wird. Wenn funktionelle Gruppen an das Polystyrol gebunden sind, kann es als Ionenaustauscher genutzt werden.

Copolymere und Blends

Polystyrol ist für die meisten Anwendungen zu spröde. Deshalb werden oftmals Blends und Copolymere mit Standard-Polystyrol eingesetzt.

Styrol und Polybutadien-Kautschuk

Hierbei bildet PS die Matrix (das Gerüst), in der Polybutadien dispergiert ist. Beide Phasen werden durch Copolymere aus Polystyrol und Polybutadien verbunden, die sich an der Phasengrenze befinden. Dabei bilden Polybutadien-Ketten das Rückgrat des Copolymers, die Seitenketten bestehen aus Polystyrol-Ketten.

Je nach Polybutadien- und PS-Anteil lassen sich zwei Typen untescheiden: Schlagzähes PS (PS-I) und Styrol-Butadien-Rubber (SBR).
PS-I ist ein schlagzäher, aber trotzdem noch steifer Thermoplast. Bei der Herstellung liegt ein Überschuss von PS vor. Es findet in Gehäusen von Elektrogeräten, Spielgeräten und Verpackungen Anwendung.
SBR ist ein Elastomer, aus dem vorwiegend dunkle Gummiprodukte gefertigt werden. Bei der Polymerisation wird Polybutadien im Überschuss eingesetzt.

Styrol-Butadien-Blockcopolymere (SBS)

Dieses Blockcopolymer wird durch anionische Polymerisation hergestellt. Die Abfolge der Blöcke lautet Styrol-Butadien-Styrol. Bei einer sehr dünnen Kautschukphase - die Polymerblöcke sind lamellenartig angeordnet - wird das Produkt transparent. Das Licht wird nicht mehr an den Phasenübergängen gestreut, wenn die Kautschukphase schmaler ist, als die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Die Kautschukphase iwrd vom Licht gewissermaßen "übersehen".

Styrol-Acrylnitril-Copolymere (SAN)

Styrol-Acrylnitril-Copolymere sind weniger spannungsrissempfindlich und besser beständig gegenüber Temperaturwechsel. SAN nimmt mehr Wasser auf als Standard-Polystyrol. Ein großer Einsatzbereich ist der Haushalt, z.B. als Geschirr, in Schaugläser und Gerätegehäusen.

Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS)

Ähnlich wie in schlagzähem Polystyrol liegt in Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren eine Kautschukphase in einer Matrix vor, diese besteht jedoch aus SAN und nicht aus reinem Polystyrol. Daher ist dieses Polymer gut verschweißbar mit Styrol-Acrylnitril-Copolymeren. ABS ist meist trüb, da das Licht an den Phasengrenzen gestreut wird.

Eigenschaften von Polystyrol

Thermische Eigenschaften von PS

Standard-Polystyrol ist ein amorpher Thermoplast, PS-E ein teilkristalliner Thermoplast, PS-X ein Duromer. Alle Typen zersetzen sich bei über 300°C. Sie sind bis unter die Glasübergangstemperatur verformungsbeständig, bei Verstärkung mit Glasfasern kann man sie bis knapp unter die Schmelztemperatur verwenden. Durch die guten Fließfähigkeiten oberhalb der Glasübergangs- bzw. Schmelztemperatur (Ausnahme vernetztes Polystyrol) kann PS mittels Spritzguss und Extrusion verarbeitet werden.

Physiologishe Eigenschaften

wie gehabt

Beständigkeit gegen Chemikalien

wie gehabt

Brandeigenschaften von PS

Polystyrol brennt mit leuchtender Flamme, dabei kommt es zu einer starken Rußentwicklung. Ab 350°C entweichen brennbarer Gase, die Selbstentzündung erfolgt bei 450°C. PS tropft brennend ab, was eine zusätzliche Brandgefahr für die Umgebung darstellt. Deshalb kommt eine Vielzahl von Flammschutzmitteln zum Einsatz.

Elektrische Eigenschaften von PS

Polystyrol hat den höchsten Widerstand von allen Polymeren und deshalb hervorragende Isolationseigenschaften, auch wegen der geringen Wasseraufnahme. Bei Feuchtigkeit in Verbindung mit Verunreinigungen treten Kriechströme und Lichtbögen an der Oberfläche des Polymers auf. Es neigt zur elektrostatischen Aufladung. Als Gegemittel werden Tenside (sie wirken zusammen mit der Luftfeuchtigkeit antistatisch) bzw. Metallbeschichtungen oder leitfähige Polymere an der Außenhülle oder Leitruß und Metallfäden im Werkstück eingesetzt.

Verwendung

Die meisten Polystyrol-Typen sind gut zu verarbeiten. PS ist geruchs- und geschmacksneutral sowie beständig gegen Wasser und Fette. Es wird u.a. genutzt

• als Dämmmaterial (Wärme und Schall)
• als Verpackungsmaterial aller Art (direkt bedruckte Folien, Füllmaterial zur Stoßabsorption), Trinkbecher
• im Sanitärbereich (Duschwände, Kleinigkeiten wie Seifenschalen), Gerätschaften im Haushalt Schüsseln

etc.)

• als Isolation auf Computerplatinen
• in Innenwände von Kühlschränken, Spielzeug, Gehäuse von Geräten (z.B. Drucker)
• als Ionenaustauscher

Weblinks

Commons: Polystyrol – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• IVH e.V. (Styropor)
• BASF (Polystyrol)
• Infrarot und Ramanspektrum von Polystyrol
• Anwendung von Polystyrol und anderen Polymeren
• Vorstellung der verschiedenen Polystyrol-Sorten
• Lechner, Gehrke, Nordmeier: Makromolekulare Chemie. Ein Lehrbuch für Chemiker, Physiker, Materialwissenschaftler und Verfahrenstechniker. Birkhäuser, Basel 1993, ISBN 3-7643-2973-4.