Polistirene
Caratteristiche e produzione del polistirene
Il polistirene o polistirolo è una materia plastica ottenuta dalla polimerizzazione dello stirene (o stirolo).
I polimeri dello stirene erano già noti nel XVIII secolo, ma solo agli inizi del 1900 Mathews descrisse la polimerizzazione sia termica che catalitica di questo monomero e ne indicò le possibili applicazioni come sostitutivo della celluloide e del vetro.
Lo sviluppo del prodotto era però vincolato ad una larga disponibilità di stirolo a basso costo e al superamento di alcuni problemi derivanti dalla tendenza del monomero a polimerizzare spontaneamente.
Preparazione delle materie prime
Oggigiorno lo stirolo monomero viene prodotto con il classico processo basato sull'alchilazione di Friedel-Crafts del benzene con etilene (AlCl3 come catalizzatore) e successiva deidrogenazione catalitica dell'etilbenzene a stirolo.
C6H6 + CH3-CH2-Cl → Ph-CH2-CH3 + HCl
Ph-CH2-CH3 → Ph-CH=CH2 + H2
In un recente processo industriale (processo Halcon) lo stirolo viene invece prodotto per ossidazione dell'etilbenzene a etilbenzene idroperossido; la successiva reazione dell'etilbenzene idroperossido con propilene porta alla formazione di ossido di propilene e metilfenilcarbinolo la cui disidratazione dà stirolo.
Lo schema della reazione è il seguente:
In questo processo, accanto a stirolo, viene prodotto in rapporto circa 1:1 molare un equivalente quantitativo di ossido di propilene, che interessa la produzione di poliuretani.
Sintesi del polistirene
Il polistirene viene prodotto con differenti processi che si distinguono per le condizioni di polimerizzazione adottate.
Il processo che ha ottenuto la più larga diffusione è quello in massa, seguito dal processo in sospensione. Il processo in emulsione è oggi raramente usato.
Nel processo in massa, il monomero puro, privato dello stabilizzante necessario per lo stoccaggio, è polimerizzato per via termica, senza iniziatori di polimerizzazione, con processi operanti di solito in continuo.
I diversi processi di polimerizzazione descritti si differenziano soprattutto nelle soluzioni ingegneristiche adottate per trasferire l'elevato calore di polimerizzazione (17 kcal/mole) che si genera nella massa costituita dal polimero sciolto in monomero e avente viscosità elevata.
Nel processo in sospensione si opera in presenza di un fluido inerte (acqua) che favorisce il controllo termico della reazione.
Il reattore chimico, in acciaio inox, è di tipo convenzionale con agitatore: la polimerizzazione viene condotta in discontinuo a temperature di 80-120°C fino a conversione totale del monomero operando in presenza di perossidi organici e, in alcuni casi, anche in presenza di regolatori di peso molecolare.
La sospensione del monomero in acqua viene stabilizzata da un agente sospendente (fosfato tricalcico, alcool polivinilico, ecc.) e riscaldata alla temperatura di polimerizzazione.
Al termine della polimerizzazione, il polimero (in articolare omopolimero), sotto forma di perle, viene separato dall'acqua per mezzo di una centrifuga ed infine essiccato in un essiccatore ad aria calda.
La dimensione delle perle è controllata dal sistema sospendente adottato e dall'agitazione del reattore.
Il polimero in perle viene sottoposto ad estrusione e granulato per facilitare la sua trasformazione all'utilizzatore.
Proprietà del polistirene
Il polistirene è un polimero amorfo che rammollisce a 85°C e passa a liquido viscoso a circa 185°C.
Dotato di ottima trasparenza e basso peso specifico è molto apprezzato per la sua facilità di lavorazione che permette di ottenere manufatti di forma molto complicata e per la sua possibilità di essere colorato in qualsiasi tinta trasparente ed opaca.
Le caratteristiche negative sono invece la fragilità, la scarsa resistenza ai solventi organici, la scarsa resistenza ai raggi ultravioletti e all'abrasione.
Manufatti di polistirene con densità apparente molto ridotta (polistirene espanso) possono essere ottenuti a partire da polimeri preparati con processo in sospensione, che hanno incorporato un agente espandente (pentano, butano), generalmente introdotto durante la polimerizzazione.
Usi del polistirene
Di seguito sono riportati i principali impieghi del polistirene:
- imballaggio
- radio
- elettrodomestici
- casalinghi
- arredamento
- frigoriferi
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