Kopolimery styrenu - właściwości i kierunki stosowania

Tworzywa konstrukcyjne

Kopolimery styrenu, to przede wszystkim konstrukcyjne tworzywa termoplastyczne. Najważniejszymi w tej grupie są kopolimery ABS (akrylonitryl/butadien/styren) i SAN (styren/akrylonitryl). Znane są również kopolimery z innymi monomerami, takimi jak metakrylan metylu i bezwodnik maleinowy. Swoje miejsce na rynku znalazły także blendy kopolimerów styrenu z innymi termoplastami, spośród których najbardziej znane są blendy ABS z poliwęglanem i poliamidem.

Głównymi odbiorcami tej grupy kopolimerów styrenu są: przemysł motoryzacyjny i transportowy, przemysł elektroniczny i elektryczny a także informatyka. W tych trzech sektorach rynku, zużycie kopolimerów styrenu w Europie w 2001 r. wynosiło 650 tyś. ton. Ponadto kopolimery te są wykorzystywane do wytwarzania artykułów gospodarstwa domowego i zabawek.

Tabela 1. Właściwości ABS

WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE

WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE


Wyroby z kopolimerów styrenu charakteryzują się doskonałą jakością powierzchni, wysoką stabilnością wymiarów i stałymi parametrami mechanicznymi, prawie nie ulegającymi zmianie aż do temperatury mięknienia.

Właściwości tych tworzyw mają charakter pośredni pomiędzy podstawowymi tworzywami termoplastycznymi, a tworzywami o doskonałych właściwościach wytrzymałościowych, takimi jak np. poli-sulfon. Ogólne zużycie tych tworzyw stopniowo wzrasta i tendencje te zostaną utrzymane w kluczowych branżach, szczególnie w krajach Dalekiego Wschodu. Bieżące zdolności produkcyjne na świecie wynoszą ok. 6500tyś. ton.

Odpowiednie właściwości można uzyskać różnicując zawartość monomeru w tych tworzywach, np. zwiększenie zawartości styrenu w SAN wpływa na sztywność, przezroczystość i właściwości przetwórcze. Faza elastomerowa natomiast w ABS wpływa na poprawienie odporności na uderzenie. Znane są również gatunki do specjalnych zastosowań, np. odporne na podwyższoną temperaturę, o wysokiej przezroczystości (MABS - metakrylan metylu/akrylonitryl/butadien/styren).

Kopolimery styrenu są przetwarzane konwencjonalnymi metodami, takim jak: wytłaczanie, wtryskiwanie i wytłaczanie z rozdmuchiwaniem. Są one szczególnie przydatne w technikach wytwarzania wyrobów o cienkich ściankach, wtryskiwania wieloskładnikowego i współwytłaczania.

Najbardziej popularne w tej grupie są następujące kopolimery:

• ASA - akrylonitryl/styren/akrylan
• ABS- akrylonitryl/butadien/styren
• ACS - akrylonitryl/chlorowany polietylen/styren
• AEPDS - akrylonitryl(etylen-propylen-dien)/styren
• MABS - metakrylan metylu/butadien/styren
• SAN - styren/akrylonitryl

ABS (akrylonitryl/butadien/styren) jest najbardziej popularnym i najszerzej stosowanym tworzywem konstrukcyjnym na świecie. Dzięki trzem różnym monomerom, ABS wykazuje odporność chemiczną i stabilność termiczną (właściwości te zawdzięcza obecności akrylonitrylu), dobrą odporność na uderzenie (butadien), sztywność i przetwarzalność (styren).

ACS (akrylonitryl/chlorowany polietylen/styren)

Kopolimer ten charakteryzuje się podobnymi do ABS właściwościami mechanicznymi, ale posiada klasę palności V-0 wg UL 94. Jest również odporny na działanie światła i charakteryzuje się doskonałymi właściwościami antyelektrostatycznymi.

ASA (akrylonitryl/styren/akrylan)

ASA jest odporny na większość chemikaliów i charakteryzuje się lepszą niż ABS środowiskową korozją naprężeniową. Jest odporny na promieniowanie UV i dzięki temu wyroby z tego tworzywa mogą być dłużej eksploatowane niż z innych tworzyw sztucznych. Wyroby posiadają zaś duży połysk, dobrą odporność na podwyższone temperatury i wysoką udarność nawet w niskich temperaturach.

SAN (styren/akrylonitryl)

SAN jest odporny na alifatyczne węglowodory, kwasy nie utleniające, alkalia, oleje roślinne, alkohole i detergenty. Wykazuje natomiast niższą od ABS udarność, gdyż nie zawiera kauczuku. Pozostałe parametry wytrzymałościowe są na poziomie ABS ogólnego stosowania. Jest tworzywem o wysokiej przezroczystości i dlatego stosuje się go do wytwarzania artykułów gospodarstwa domowego (np. dozowników detergentów, naczyń i innych pojemników, w tym także próżniowych, jak i akcesoriów łazienkowych) Artykuły te mogą być myte w zmywarkach. Ponadto, SAN stosuje się do produkcji wyrobów przeznaczonych do stosowania w medycynie i na opakowania kosmetyków.

MABS (metakrylan metylu/ akrylonitryl/styren)

MABS jest popularnie nazywany przezroczystym ABS. Charakteryzuje się doskonałą przezroczystością, wysoką odpornością na uderzenia i dobrą odpornością chemiczną. Stosuje się go do wytwarzania artykułów o bardzo dobrej jakościowo powierzchni, wysokim połysku i doskonałej przezroczystości przy zachowaniu właściwości wytrzymałościowych ABS.

Termoplastyczne elastomery styrenowe

Są to kopolimery blokowe, a najczęściej spotykane to:

• SBS - styren /butadien/styren
• SEBS - styren/etylen/butadien/styren
• SIS - styren/izopren/styren

Przy rozciąganiu, charakteryzują się one parametrami porównywalnymi do gumy i wykazują bardzo dobre właściwości dielektryczne. Są odporne na kwasy i zasady oraz mogą być wytwarzane w szerokim przedziale twardości od 28 do 95 Sh A. Często są stosowane do modyfikacji innych tworzyw termoplastycznych, szczególnie poliolefin.

Elastomery termoplastyczne, oparte na styrenie i butadienie lub izoprenie, znalazły nowe możliwości zastosowania, nie tylko jako materiał do wytwarzania spodów obuwia, klejów „hot-melt" i modyfikacji asfaltów, ale są również stosowane do wytwarzania detali motoryzacyjnych, środków ochrony osobistej, zabawek, mebli, itd. Rozszerza się więc zakres ich stosowania. Kopolimery z nasyconymi węglowodorami, takie jak SEBS, charakteryzują się lepszą odpornością na warunki atmosferyczne w porównaniu z SBS i wypełniają lukę na rynku zastosowań o podwyższonych wymaganiach, np. do wytwarzania kabli i przewodów.

Kopolimery blokowe styren/butadien o dużej zawartości styrenu są znane jako K Resins, a wyroby finalne (głównie folie opakowaniowe) charakteryzują się wysoką przezroczystością. Styrenowe kopolimery blokowe należą do najbardziej znaczącej na rynku grupy elastomerów termoplastycznych. Roczne ich zużycie wynosi około 1200 tyś. ton.

Spośród elastomerowych kopolimerów blokowych styrenu, największą popularnością cieszą się kopolimery SBS, a ich zużycie stanowiło 75 % ogólnej konsumpcji tej grupy kopolimerów. Pozostałe elastomerowe kopolimery styrenu (SEBS i SIS), to 25 % ogólnego zużycia. Ostatnio rozwija się rynek kopolimerów SEBS i SIS w Ameryce Północnej i Japonii, w Europie nastąpiła natomiast równowaga w ich stosowaniu. Azjatycki rynek SEBS/SIS jest na razie niewielki (poniżej l0 tys. ton) - tam ciągle jest preferowany kopolimer SBS, a głównym kierunkiem stosowania jest przemysł obuwniczy (spody obuwia). Niemniej jednak, ogólnoświatowe zapotrzebowanie na elastomery styrenowe stale wzrasta (przyrost roczny wynosił w ostatnich latach 4,5 %.

Łańcuch główny SBS jest złożony z trzech segmentów: bloku polistyrenu, bloku butadienu i bloku polistyrenu. Kopolimery blokowe styrenu, jako termoplastyczne elastomery, zachowują właściwości mechaniczne kauczuków przy zachowaniu przetwórczych właściwości termoplastów. Wynika to z ich budowy molekularnej. Kopolimery blokowe styrenu zawierają co najmniej trzy bloki: dwa twardego polistyrenu i jeden środkowy blok, miękkiego elastomeru (butadien, izopren). Istotne jest, aby bloki twarde i miękkie były niemieszalne i w skali mikroskopowej bloki polistyrenowe tworzą oddzielne domeny w matrycy kauczuku, tworząc w ten sposób fizyczne wiązania poprzeczne do kauczuku. Pozwala to na uzyskanie materiału zdolnego do zachowywania pamięci kształtu po rozciągnięciu. SBS jest typem materiału zwanego jako elastomer termoplastyczny, który w temperaturze pokojowej zachowuje się jak elastyczny kauczuk, ale po podgrzaniu może być przetwarzany w sposób podobny do przetwórstwa tworzyw termoplastycznych. Większość kauczuków jest trudna do przetwarzania, ponieważ są one usieciowane. SBS i inne elastomery termoplastyczne pozostają natomiast kauczukowate bez sieciowania, co czyni je łatwo przetwarzalnymi do określonych kształtów.

W wyniku podwyższenia temperatury powyżej temperatury zeszklenia polistyrenu Tg (± 100 °C) lub działania rozpuszczalnika węglowodorowego, domeny polistyrenu rozdzielają się, co powoduje, że kopolimery blokowe styrenu mogą być przetwarzane, tak jak typowe termoplasty. Po ochłodzeniu kopolimery te stają się dobrymi elastomerami. Wytrzymałość przy rozciąganiu jest wyższa niż niewzmocnionych typowych kauczuków. Wydłużenie przy zerwaniu mieszczące się w zakresie 500 - 1200%, jak i sprężystość powrotna są porównywalne z tymi samymi właściwościami kauczuków wulkanizowanych. Lepkość stopu jest zbliżona do lepkości innych tworzyw termoplastycznych, takich jak polistyren czy polipropylen.

Kopolimery blokowe styrenu znalazły liczne zastosowania, jako zamienniki kauczuku ogólnego stosowania. Elastomerowe kopolimery łatwo mieszają się z innymi polimerami, olejami, napełniaczami, co pozwala dostosować właściwości wyrobu do określonych wymagań. Są one wykorzystywane do poprawienia właściwości asfaltów, stosowanych jako nawierzchnie drogowe i pokrycia dachowe, które są szczególnie narażone na ekstremalne warunki atmosferyczne.