Die chemische Herstellung von Styropor

Expandierter Polystyrolschaum (EPF) ist ein Kunststoffmaterial, das aufgrund seiner Struktur besondere Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel werden Styropor Stuckleisten aus EPF gefertigt. EPF besteht aus einzelnen Zellen aus Polystyrol niedriger Dichte, ist außerordentlich leicht und kann ein Vielfaches seines Eigengewichts in Wasser tragen. Da die Zellen nicht miteinander verbunden sind, kann Wärme nicht so leicht durch EPF hindurchdringen, so dass es ein hervorragender Isolator ist. EPF wird für Schwimmhilfen, Isolierungen, Eierkartons, Fleisch- und Gemüseverpackungen, Sandwich- und Hamburgerboxen, Kaffeetassen, Teller, Erdnussverpackungen und Picknickkühler verwendet. Obwohl es allgemein als Styropor bezeichnet wird, ist Styropor eine Marke und bezieht sich speziell auf eine Art von hartem, blauem EPF, das hauptsächlich in der Schifffahrt verwendet wird.

In den späten 1800er Jahren suchten Forscher nach Materialien, die sich für die Herstellung von Folien, Windschutzscheiben für Kutschen und verschiedene kleine Gegenstände wie Kämme eigneten, und stellten frühe Kunststoffe aus natürlichen Substanzen und Chemikalien her. Bei der Herstellung dieser Kunststoffe machten sich die Wissenschaftler die natürliche Tendenz zur Polymerisation zunutze, bei der sich zwei oder mehr kleine Moleküle, so genannte Monomere, zu oft sehr langen Ketten verbinden. Die dabei entstehenden Molekülketten, die Polymere, bestehen aus sich wiederholenden Struktureinheiten der ursprünglichen Moleküle. Eines der bekanntesten natürlichen Polymere ist Cellulose, die Kette aus Glukosemolekülen, die einen Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände, von Baumwolle, Papier und Zellwolle bildet. 

Polystyrol ist eines der bekanntesten synthetischen Polymere (andere sind Polyethylen, Polypropylen und Polyester). Styrol, oder auch Styropor, der flüssige Kohlenwasserstoff, aus dem EPF hergestellt wird, wurde im späten neunzehnten Jahrhundert aus Storaxbalsam gewonnen, der von einem Baum in Kleinasien stammt, der als orientalisches Süßholz bezeichnet wird. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurden vollständig synthetische Kunststoffe aus Kohlenwasserstoffen entwickelt, deren Struktur eine einfache Polymerisation ermöglicht. Polystyrol, das Polymer, aus dem EPF hergestellt wird, wurde 1938 erfunden.

Die Entdeckung der schäumenden Kunststoffe erfolgte indirekt, da anfangs niemand ihre Vorteile erkannte. Ein amerikanischer Chemiker, der den ersten vollständig synthetischen Kunststoff, Bakelit, entwickelte, experimentierte mit Phenol (einer sauren Verbindung) und Formaldehyd (einem farblosen Gas), als er versuchte, ein porenfreies Harz herzustellen. Als eine seiner Mischungen unerwartet zu schäumen begann, versuchte Baekeland, den Schaum zu kontrollieren, bevor er erkannte, dass dies auch Vorteile haben könnte. Nach Baekelands Tod im Jahr 1944 wurden die ersten geschäumten Phenolharze entwickelt, bald gefolgt von Epoxidschaum. Kurze Zeit später wurde Polystyrol aufgeschäumt. Zunächst wurde es hauptsächlich für Isolierungen und Schwimmhilfen für Boote, Rettungsringe und Bojen verwendet. Erst als EPF Papier, Kapok (aus den seidigen Fasern der Ceiba-Baumsamen) und andere natürliche Verpackungsschutzmittel ersetzte, wurde der Stoff so populär wie heute. Seine Bekanntheit wurde durch das enorme Wachstum der Fast-Food- und Imbissindustrie gefördert, die begann, EPF für Burgerboxen und Kaffeebecher zu verwenden. Heute ist EPF mit Abstand der bekannteste Kunststoff.

Doch trotz seiner Beliebtheit und seiner einzigartigen Eigenschaften ist EPF in letzter Zeit wegen der gasförmigen Methanderivate - Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) -, die zum Aufschäumen verwendet werden, in die Kritik geraten. FCKW sind inert und bei ihrer Freisetzung unschädlich für Mensch und Umwelt. Lange nach ihrer ersten Verwendung erkannten Wissenschaftler jedoch, dass FCKW bei ihrem Zerfall zum Abbau der Ozonschicht beitragen. Die Ozonschicht ist eine Schicht in der Atmosphäre.

Polystyrol wird in einem Verfahren hergestellt, das als Suspensionspolymerisation bekannt ist. Nachdem Styrol durch die Kombination von Ethylen und Benzol hergestellt wurde, wird es mit Wasser und einer schleimigen Substanz zu Polystyroltröpfchen vereinigt. Anschließend werden die Tröpfchen erhitzt und mit einem Initiator kombiniert, der den Polymerisationsprozess einleitet. Die Tröpfchen verbinden sich zu Ketten, die sich wiederum zu Perlen verbinden. Es ist schwierig, den Prozess mit Terminatoren zu stoppen, da die Ketten eine bestimmte Länge haben müssen, um von Nutzen zu sein.

Polystyrol wird in einem Verfahren hergestellt, das als Suspensionspolymerisation bekannt ist. Nachdem Styrol durch die Kombination von Ethylen und Benzol hergestellt wurde, wird es mit Wasser und einer schleimigen Substanz zu Polystyroltröpfchen vereinigt. Anschließend werden die Tröpfchen erhitzt und mit einem Initiator kombiniert, der den Polymerisationsprozess einleitet. Die Tröpfchen verbinden sich zu Ketten, die sich wiederum zu Perlen verbinden. Es ist schwierig, den Prozess mit Terminatoren zu stoppen, da die Ketten eine bestimmte Länge haben müssen, um von Nutzen zu sein.

das die Erde vor den schädlichen ultravioletten Strahlen der Sonne schützt. 1988 unterzeichneten Vertreter von 31 Nationen das Montrealer Protokoll, einen Vertrag, mit dem sie sich verpflichteten, die FCKW-Produktion bis 1998 zu halbieren. Dieses Abkommen brachte EPF als Bedrohung für die Ozonschicht in das Bewusstsein der Weltöffentlichkeit. 

Obwohl Schaumstoffverpackungen für weniger als drei Prozent der in die Atmosphäre freigesetzten FCKW verantwortlich sind, wurde die Reduzierung von EPF als Möglichkeit zur Senkung der FCKW-Werte ins Auge gefasst, und neue Technologien, die Möglichkeiten zur Herstellung von EPF ohne FCKW erforschen, haben sich gut entwickelt. EPF wurde auch von Umweltschützern kritisiert, weil es nicht recycelt wird. Es wurden jedoch Maßnahmen ergriffen, und es laufen Programme, die dafür sorgen sollen, dass in den kommenden Jahren ein größerer Prozentsatz von EPF recycelt wird.

Rohmaterialien zur chemischen Herstellung von Styropor

Der Hauptbestandteil von EPF ist Styrol (C 8 H 8 ), das aus Erdöl oder Erdgas gewonnen wird und durch eine Reaktion zwischen Ethylen (C 2 H 4 ) und Benzol (C 6 H 6 ) entsteht; Benzol wird aus Kohle hergestellt oder aus Erdöl synthetisiert. Styrol wird entweder durch Hitze oder durch einen Initiator wie Benzoylperoxid polymerisiert. Es ist schwierig, die Polymerisation zu stoppen; es können jedoch Inhibitoren wie Sauerstoff, Schwefel oder Chinol verwendet werden. Um die für EPF charakteristischen Zellen mit geringer Dichte und lockerer Bindung zu bilden, muss Polystyrol zunächst in Wasser suspendiert werden, um Tröpfchen zu bilden. Anschließend wird dem Wasser ein Suspensionsmittel zugesetzt, z. B. speziell gefälltes Bariumsulfat oder Copolymere von Acryl- und Methacrylsäure und deren Ester (organisches Produkt, das durch die Reaktion zwischen einer Säure und einem Alkohol entsteht). Im Handel werden zahlreiche Suspensionsmittel verwendet. Alle sind ähnlich zähflüssig und dienen dazu, die Tröpfchen zusammenzuhalten, damit sie nicht zusammenkleben. Die durch Suspensionspolymerisation hergestellten Polystyrolkügelchen sind winzig und hart. Damit sie sich ausdehnen, werden spezielle Treibmittel verwendet, darunter Propan, Pentan, Methylenchlorid und Fluorchlorkohlenwasserstoffe.

Der Aufbau der chemischen Herstellung

Wie alle Kunststoffe besteht auch EPF aus einer Polymerkette mit hohem Molekulargewicht. Das Gewicht eines Moleküls ist gleichbedeutend mit seiner Masse und kann durch Addition der Masse der einzelnen Atome, aus denen es besteht, berechnet werden. EPF ist ein lineares Polymer, dessen Grundeinheit Styrol (C 8 H 8 ) ist und dessen Molekülmasse 104 beträgt. Wenn es jedoch, wie im Kunststoff, miteinander verbunden ist, kann seine Masse zwischen 200.000 und 300.000 liegen (da eine Polymerkette eine unbestimmte Anzahl von Molekülgliedern enthalten kann, lässt sich die Endmasse nicht bestimmen).

Das Herstellungsverfahren 

Zunächst wird Styrol durch die Kombination von Ethylen und Benzol hergestellt. Anschließend wird das Styrol einer Suspensionspolymerisation unterzogen und mit einem Polymerisationsinitiator behandelt, wodurch es in Polystyrol umgewandelt wird. Sobald sich eine Polymerkette der gewünschten Länge gebildet hat, stoppen die Techniker die Reaktion mit Abbruchmitteln. Die entstandenen Polystyrolkügelchen werden dann gereinigt und anomale Kügelchen herausgefiltert. Zur Herstellung von kleinzelligem EPF schmelzen die Mitarbeiter die Kügelchen, fügen ihnen ein Treibmittel hinzu und extrudieren sie. Um glatthäutiges EPF herzustellen, expandieren sie die Kügelchen vor, wodurch sich ihre Dichte drastisch verringert. Anschließend werden sie erhitzt und expandiert, bevor sie 24 Stunden lang ruhen, damit sie abkühlen und aushärten können. Anschließend werden die Perlen in eine Form mit der gewünschten Gestalt eingebracht.

Herstellung von Styrol (Styropor)

• Der Grundbaustein von Polystyrol ist Styrol (Styropor), das aus einer zweifachen Reaktion hervorgeht. Ethylen und Benzol bilden in Gegenwart eines Katalysators wie Aluminiumchlorid Ethylbenzol (C 8 H 8 ), das dann bei 1.112-1.202 Grad Fahrenheit (600-650 Grad Celsius) zu Styrol (C 8 H 8 ) dehydriert wird (Wasserstoff wird entfernt).

• Herstellung von Polystyrol: Polystyrol wird aus Styrol durch Suspensionspolymerisation hergestellt, ein Verfahren, bei dem winzige Tropfen des Monomers (in diesem Fall Styrol) vollständig von Wasser und einer schleimigen Substanz umgeben werden. Indem das Suspensionsmittel die Styrolkügelchen stützt und umgibt, entstehen gleichmäßige Polystyroltröpfchen.

• Als Nächstes wird ein Polymerisationsinitiator zu den Tröpfchen gegeben, die durch eine Wärmestrahlung von etwa 212 Grad Fahrenheit (100 Grad Celsius) suspendiert werden. Dadurch entstehen freie Radikale, eine Gruppe von Atomen, die besonders leicht mit anderen reagieren, weil sie ungepaarte Elektronen enthalten, die für molekulare Bindungen zur Verfügung stehen. Die freien Radikale verbinden sich dann nach dem Zufallsprinzip zu Polystyrolketten.

• Es ist schwierig, den Polymerisationsprozess zu stoppen. Es werden Terminatoren in den Prozess eingeführt, um ihn zum richtigen Zeitpunkt zu beenden. Die Kettenlänge ist zwar variabel, muss aber innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen, da Polystyrol mit zu langen Ketten nicht leicht schmilzt und Polystyrol mit kurzen Ketten spröde wird.
• Vorbereiten der Perlen

• Nach Abschluss der Polymerisation wird das Gemisch - bestehend aus Perlen, die aus Polystyrolketten bestehen - abgekühlt. Diese Perlen werden dann ausgewaschen und getrocknet. Eine einheitliche Perlengröße wird erreicht, indem die Perlen durch Maschen sortiert werden, die über- und untergroße Perlen herausfiltern.
• Herstellung von expandiertem Polystyrolschaum

• Herstellung von expandiertem Polystyrolschaum: Zunächst müssen die Polystyrolkügelchen aufgeschäumt werden, um die richtige Dichte zu erreichen. Dieser Vorgang wird als Vorschäumen bezeichnet und beinhaltet das Erhitzen des Polystyrols entweder mit Dampf (die gebräuchlichste Methode) oder mit heißer Luft (für Schaumstoff mit hoher Dichte, wie er z. B. für Kaffeetassen verwendet wird); das Erhitzen erfolgt in einem Behälter mit einem Fassungsvermögen von 189 bis 1.892 Litern (50 bis 500 Gallonen). Während des Vorschäumens wird ein Rührwerk eingesetzt, um zu verhindern, dass die Perlen miteinander verschmelzen. Da die expandierten Perlen leichter sind als die nicht expandierten, werden sie nach oben in den Hohlraum des Behälters gepresst und ausgetragen. Durch dieses Verfahren wird die Dichte der Perlen auf drei Prozent ihres ursprünglichen Wertes gesenkt, und es entsteht ein glatthäutiges, geschlossenzelliges EPF, das sich hervorragend für detaillierte Formen eignet.

• Als Nächstes werden die vorgeschäumten Perlen in der Regel mindestens 24 Stunden lang in Netzsilos "gealtert". Dadurch kann Luft in die Perlen eindringen, wodurch sie abkühlen und härter werden.

• Formgebung: Nach der Reifung werden die Perlen in eine Form mit der gewünschten Gestalt gefüllt. Anschließend wird Niederdruckdampf in und zwischen die Perlen eingespritzt, wodurch sie sich erneut ausdehnen und miteinander verschmelzen.

• Anschließend wird die Form gekühlt, entweder durch Umwälzung von Wasser oder durch Besprühen mit Wasser von außen. EPF ist ein so guter Isolator, dass es schwierig ist, die Form abzukühlen. Die Verwendung kleinerer Formen kann sowohl die Aufheiz- als auch die Abkühlzeit verkürzen und damit den Prozess beschleunigen.
• Herstellung von extrudiertem, expandiertem Polystyrolschaum

• Bei diesem Verfahren wird EPF mit kleinen Zellen gewonnen, das zur Herstellung von Dämmplatten verwendet werden kann. Die Perlen werden geschmolzen, und es wird ein Treibmittel hinzugefügt. Das geschmolzene Polystyrol wird dann unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen in die richtige Form gepresst.
• Schneiden, Kleben und Beschichten

• EPF wird in der Regel mit handelsüblichen Holzbearbeitungswerkzeugen geschnitten, die stets sehr scharf gehalten werden müssen, um einen glatten Schnitt zu gewährleisten. Es kann auch mit Klebstoffen verklebt werden, die es nicht zerstören. Gut geeignet sind Klebstoffe auf Wasserbasis, Phenole, Epoxide, Resorcine und Harnstoffe. EPF ist nicht witterungsbeständig und die Herstellung von EPF umfasst eine Reihe von Schritten. Zunächst werden die Polystyrolkügelchen einer Vorexpansion unterzogen, bei der sie expandiert werden, um ihnen die richtige Dichte zu verleihen. Nach der Reifung in einem Lagersilo werden die Kügelchen in eine Form gegeben und mit Dampf beaufschlagt, wodurch sie erneut expandiert und miteinander verschmolzen werden. Nach dem Abkühlen wird das geformte EPF in die richtige Form geschnitten und mit einem schützenden Epoxidharz oder einem Punkt beschichtet.

• Die Herstellung von EPF umfasst eine Reihe von Schritten. Zunächst werden die Polystyrolkügelchen einer Vorexpansion unterzogen, bei der sie expandiert werden, um ihnen die richtige Dichte zu verleihen. Nach der Reifung in einem Lagersilo werden die Kügelchen in eine Form gegeben und mit Dampf beaufschlagt, wodurch sie erneut expandiert und miteinander verschmolzen werden. Nach dem Abkühlen wird das geformte EPF in die richtige Form geschnitten und mit einer schützenden Epoxidharz- oder Punktbeschichtung versehen.

• Da EPF mit Sonnenlicht bestrahlt wird und entflammbar ist, werden in der Regel Beschichtungen wie Epoxidharz, verschiedene Farben und nicht brennbare Stoffe auf die Oberfläche aufgetragen.

• Qualitätskontrolle: EPF unterliegt den zahlreichen Tests und Normen, die von der American Society for Testing and Materials (ASTM) für Kunststoffe im Allgemeinen formuliert wurden. Einige dieser Normen betreffen EPF aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften im Besonderen, doch einige der auf EPF angewandten Tests wurden zur Messung der Eigenschaften anderer Kunststoffe entwickelt.

• Die Polystyrolschmelze wird geprüft, um festzustellen, ob sie ausreichend viskos ist, um EPF mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. Außerdem müssen die späteren Polystyrolkügelchen eine einheitliche Größe haben. Der Standard für perfekt kugelförmige Perlen basiert auf den Perlen, die in Space-Shuttle-Experimenten unter Schwerelosigkeit gebildet wurden.

• Geformtes EPF wird auch auf seine Festigkeit, Entflammbarkeit und Dichte geprüft, was für die Prüfung von Schwimmhilfen besonders wichtig ist. Die Elastizität von EPF wird gemessen, indem man ein Pendel gegen das Material stößt und beobachtet, wie weit es zurückfedert. Anschließend wird EPF auf seine Porosität geprüft. Dabei wird ermittelt, wie viele offene und geschlossene Zellen vorhanden sind, nachdem die Oberfläche des Produkts und die Anzahl der durch das Schneiden entstandenen Zellen berücksichtigt wurden. Anschließend wird die Durchlässigkeit geprüft. Ein einfacher Test besteht darin, ein Stück EPF in eine Substanz zu legen und dann zu messen, wie viel davon absorbiert wird.

• Die Wärmeleitfähigkeit ist wichtig, wenn EPF zur Isolierung verwendet wird. Zellulosekunststoffe haben die niedrigste Wärmeleitfähigkeit (Wärmeübertragung) aller bekannten festen Materialien. Sie isolieren so gut, dass die Prüfung der Wärmeleitfähigkeit zeitaufwändig ist, selbst wenn dünne Platten verwendet werden. Die dünne EPF-Platte (2-5 cm) wird neben eine Heizplatte gelegt, und beide werden von Kühlplatten umgeben, um den Wärmeverlust zu minimieren. Eine kontrollierte, geringe Wärmemenge wird dann auf eine Seite der Platte aufgebracht, und nach einigen Stunden wird die Wärmemenge gemessen, die zur anderen Seite durchdringt. Natürlich müssen alle Daten den EPF-Normen entsprechen.