Poliestireno

Embalaje ampliado de poliestireno

Un recipiente de yogur de poliestireno

Fondo de una taza con forma de vacío; detalles finos como el símbolo de los materiales de contacto de vidrio y tenedor y el símbolo de código de identificación de resina se moldean fácilmente

El poliestireno (PS) es un polímero sintético hecho de monómeros del hidrocarburo aromático estireno. El poliestireno puede ser sólido o espumado. El poliestireno de uso general es transparente, duro y quebradizo. Es una resina económica por unidad de peso. Es una mala barrera al oxígeno y al vapor de agua y tiene un punto de fusión relativamente bajo. El poliestireno es uno de los plásticos más utilizados, la escala de su producción es de varios millones de toneladas por año. El poliestireno puede ser naturalmente transparente, pero puede teñirse con colorantes. Los usos incluyen embalaje protector (como bolitas de embalaje y en los estuches de joyas utilizados para el almacenamiento de discos ópticos como CD y, en ocasiones, DVD), recipientes, tapas, botellas, bandejas, vasos, cubiertos desechables, en la fabricación de modelos y como material alternativo para discos fonográficos.

Como polímero termoplástico, el poliestireno se encuentra en estado sólido (vítreo) a temperatura ambiente, pero fluye si se calienta por encima de los 100 °C, su temperatura de transición vítrea. Se vuelve rígido nuevamente cuando se enfría. Este comportamiento de la temperatura se aprovecha para la extrusión (como en la espuma de poliestireno) y también para el moldeado y la formación al vacío, ya que se puede colar en moldes con gran detalle.

Según las normas ASTM, el poliestireno se considera no biodegradable. Se está acumulando como una forma de basura en el ambiente exterior, particularmente a lo largo de las costas y vías fluviales, especialmente en forma de espuma, y en el Océano Pacífico.

Historia

El poliestireno fue descubierto en 1839 por Eduard Simon, un boticario de Berlín. Del estoraque, la resina del liquidámbar oriental Liquidambar orientalis, destiló una sustancia aceitosa, a la que llamó estirol, ahora llamado estireno. Varios días después, Simon descubrió que se había espesado hasta convertirse en una gelatina, que ahora se sabe que era un polímero, que denominó óxido de estirol ("Styroloxyd") porque supuso que había resultado de la oxidación (el óxido de estireno es un compuesto distinto). En 1845, el químico nacido en Jamaica John Buddle Blyth y el químico alemán August Wilhelm von Hofmann demostraron que la misma transformación del estirol tenía lugar en ausencia de oxígeno. Llamaron al producto "meta styrol"; el análisis mostró que era químicamente idéntico al Styroloxyd de Simon. En 1866, Marcellin Berthelot identificó correctamente la formación de meta estirol/Styroloxyd a partir de estirol como un proceso de polimerización. Unos 80 años más tarde se descubrió que el calentamiento del estirol inicia una reacción en cadena que produce macromoléculas, siguiendo la tesis del químico orgánico alemán Hermann Staudinger (1881-1965). Esto eventualmente llevó a que la sustancia recibiera su nombre actual, poliestireno.

La empresa I. G. Farben comenzó a fabricar poliestireno en Ludwigshafen, alrededor de 1931, con la esperanza de que fuera un reemplazo adecuado para el zinc fundido a presión en muchas aplicaciones. El éxito se logró cuando desarrollaron una vasija de reactor que extruía poliestireno a través de un tubo calentado y un cortador, produciendo poliestireno en forma de gránulos.

Otis Ray McIntire (1918–1996), ingeniero químico de Dow Chemical, redescubrió un proceso patentado por primera vez por el inventor sueco Carl Munters. Según el Instituto de Historia de la Ciencia, 'Dow compró los derechos del método de Munters y comenzó a producir un material ligero, resistente al agua y flotante que parecía perfectamente adecuado para la construcción de muelles y embarcaciones y para el aislamiento de casas y oficinas. y gallineros." En 1944, se patentó la espuma de poliestireno.

Antes de 1949, el ingeniero químico Fritz Stastny (1908–1985) desarrolló perlas de PS preexpandidas mediante la incorporación de hidrocarburos alifáticos, como el pentano. Estos gránulos son la materia prima para moldear piezas o extruir láminas. BASF y Stastny solicitaron una patente que se emitió en 1949. El proceso de moldeo se demostró en Kunststoff Messe 1952 en Düsseldorf. Los productos se denominaron Styropor.

La estructura cristalina del poliestireno isotáctico fue reportada por Giulio Natta.

En 1954, Koppers Company en Pittsburgh, Pensilvania, desarrolló espuma de poliestireno expandido (EPS) con el nombre comercial Dylite. En 1960, Dart Container, el mayor fabricante de vasos de espuma, envió su primer pedido.

Estructura

El poliestireno es inflamable y libera grandes cantidades de humo negro sobre la quema.

En términos químicos, el poliestireno es un hidrocarburo de cadena larga en el que los centros de carbono alternados están unidos a grupos fenilo (un derivado del benceno). La fórmula química del poliestireno es (C
₈H
₈)
_n; contiene los elementos químicos carbono e hidrógeno.

Las propiedades del material están determinadas por las atracciones de van der Waals de corto alcance entre las cadenas de polímeros. Dado que las moléculas constan de miles de átomos, la fuerza de atracción acumulada entre las moléculas es grande. Cuando se calientan (o se deforman a un ritmo rápido, debido a una combinación de propiedades viscoelásticas y de aislamiento térmico), las cadenas pueden adquirir un mayor grado de confirmación y deslizarse entre sí. Esta debilidad intermolecular (frente a la alta fuerza intramolecular debida al esqueleto hidrocarbonado) confiere flexibilidad y elasticidad. La capacidad del sistema para deformarse fácilmente por encima de su temperatura de transición vítrea permite que el poliestireno (y los polímeros termoplásticos en general) se ablanden y moldeen fácilmente al calentarse. El poliestireno extruido es tan resistente como el aluminio sin alear, pero mucho más flexible y mucho menos denso (1,05 g/cm³ para el poliestireno frente a 2,70 g/cm³ para el aluminio).

Producción

El poliestireno es un polímero de adición que resulta cuando los monómeros de estireno se polimerizan (interconectan). En la polimerización, el enlace π carbono-carbono del grupo vinilo se rompe y se forma un nuevo enlace σ carbono-carbono, que se une al carbono de otro monómero de estireno a la cadena. Dado que solo se usa un tipo de monómero en su preparación, es un homopolímero. El enlace σ recién formado es más fuerte que el enlace π que se rompió, por lo que es difícil despolimerizar el poliestireno. Alrededor de unos pocos miles de monómeros típicamente comprenden una cadena de poliestireno, dando un peso molecular de 100 000 a 400 000 g/mol.

Cada carbono del esqueleto tiene geometría tetraédrica, y aquellos carbonos que tienen un grupo fenilo (anillo de benceno) unido son estereogénicos. Si la columna vertebral se colocara como una cadena en zig-zag alargada y plana, cada grupo fenilo estaría inclinado hacia adelante o hacia atrás en comparación con el plano de la cadena.

La relación estereoquímica relativa de los grupos fenilo consecutivos determina la tacticidad, que afecta varias propiedades físicas del material.

Tacticidad

En el poliestireno, la tacticidad describe el grado en que el grupo fenilo está uniformemente alineado (dispuesto en un lado) en la cadena del polímero. La tacticidad tiene un fuerte efecto sobre las propiedades del plástico. El poliestireno estándar es atáctico. El diastereómero donde todos los grupos fenilo están en el mismo lado se llama poliestireno isotáctico, que no se produce comercialmente.

Poliestireno atáctico

La única forma comercialmente importante de poliestireno es la atáctica, en la que los grupos fenilo se distribuyen al azar en ambos lados de la cadena polimérica. Este posicionamiento aleatorio evita que las cadenas se alineen con suficiente regularidad para lograr cualquier cristalinidad. El plástico tiene una temperatura de transición vítrea T_g de ~90 °C. La polimerización se inicia con radicales libres.

Poliestireno sindiotáctico

La polimerización de Ziegler-Natta puede producir un poliestireno sindiotáctico ordenado con los grupos fenilo colocados en lados alternos de la columna vertebral del hidrocarburo. Esta forma es altamente cristalina con una T_m (punto de fusión) de 270 °C (518 °F). La resina de poliestireno sindiotáctico se produce actualmente con el nombre comercial XAREC por la corporación Idemitsu, que utiliza un catalizador de metaloceno para la reacción de polimerización.

Degradación

El poliestireno es relativamente inerte químicamente. Si bien es resistente al agua y resistente a la degradación por muchos ácidos y bases, es fácilmente atacado por muchos solventes orgánicos (por ejemplo, se disuelve rápidamente cuando se expone a la acetona), solventes clorados y solventes de hidrocarburos aromáticos. Debido a su resiliencia e inercia, se utiliza para fabricar muchos objetos de comercio. Al igual que otros compuestos orgánicos, el poliestireno se quema para dar dióxido de carbono y vapor de agua, además de otros subproductos de degradación térmica. El poliestireno, al ser un hidrocarburo aromático, por lo general se quema de manera incompleta, como lo indica la llama de hollín.

El proceso de despolimerización del poliestireno en su monómero, estireno, se denomina pirólisis. Esto implica el uso de calor y presión elevados para romper los enlaces químicos entre cada compuesto de estireno. La pirólisis suele llegar hasta los 430 °C. El alto coste energético de hacer esto ha dificultado el reciclado comercial de poliestireno de nuevo en monómero de estireno.

Organismos

Por lo general, se considera que el poliestireno no es biodegradable. Sin embargo, ciertos organismos son capaces de degradarlo, aunque muy lentamente.

En 2015, los investigadores descubrieron que los gusanos de la harina, la forma larvaria del escarabajo oscuro Tenebrio molitor, podían digerir y subsistir sanamente con una dieta de EPS. Alrededor de 100 gusanos de la harina podrían consumir entre 34 y 39 miligramos de esta espuma blanca en un día. Se encontró que los excrementos del gusano de la harina eran seguros para su uso como suelo para cultivos.

En 2016, también se informó que los supergusanos (Zophobas morio) pueden comer poliestireno expandido (EPS). Un grupo de estudiantes de secundaria de la Universidad Ateneo de Manila descubrió que, en comparación con las larvas de Tenebrio molitor, las larvas de Zophobas morio pueden consumir mayores cantidades de EPS durante períodos de tiempo más prolongados.

En 2022, los científicos identificaron varios géneros bacterianos, incluidos Pseudomonas, Rhodococcus y Corynebacterium, en el intestino de supergusanos que contienen enzimas codificadas asociadas con la degradación del poliestireno y el producto de descomposición del estireno.

La bacteria Pseudomonas putida es capaz de convertir el aceite de estireno en el plástico biodegradable PHA. Esto puede ser útil algún día para desechar eficazmente la espuma de poliestireno. Vale la pena señalar que el poliestireno debe someterse a pirólisis para convertirse en aceite de estireno.

Formularios producidos

El poliestireno normalmente se moldea por inyección, se forma al vacío o se extruye, mientras que el poliestireno expandido se extruye o moldea en un proceso especial. También se producen copolímeros de poliestireno; estos contienen uno o más monómeros además del estireno. En los últimos años también se han producido los composites de poliestireno expandido con celulosa y almidón. El poliestireno se utiliza en algunos explosivos enlazados con polímeros (PBX).

Poliestireno laminado o moldeado

Caso de CD hecho de poliestireno de propósito general (GPPS) y poliestireno de alto impacto (HIPS)

navaja de poliestireno desechable

El poliestireno (PS) se utiliza para producir cubiertos y vajillas de plástico desechables, CD "joya" estuches, carcasas de detectores de humo, marcos de matrículas, kits de ensamblaje de modelos de plástico y muchos otros objetos donde se desea un plástico rígido y económico. Los métodos de producción incluyen el termoformado (formado al vacío) y el moldeado por inyección.

Las placas de Petri de poliestireno y otros recipientes de laboratorio, como tubos de ensayo y microplacas, desempeñan un papel importante en la investigación y la ciencia biomédicas. Para estos usos, los artículos casi siempre se fabrican mediante moldeo por inyección y, a menudo, se esterilizan después del moldeo, ya sea por irradiación o por tratamiento con óxido de etileno. La modificación de la superficie posterior al molde, generalmente con plasmas ricos en oxígeno, se realiza a menudo para introducir grupos polares. Gran parte de la investigación biomédica moderna se basa en el uso de dichos productos; ellos, por lo tanto, juegan un papel crítico en la investigación farmacéutica.

Las láminas delgadas de poliestireno se utilizan en condensadores de película de poliestireno, ya que forma un dieléctrico muy estable, pero ha dejado de usarse en gran medida a favor del poliéster.

Espumas

Cierre del embalaje de poliestireno expandido

Las espumas de poliestireno contienen entre un 95 y un 98 % de aire. Las espumas de poliestireno son buenos aislantes térmicos y, por lo tanto, se utilizan a menudo como materiales de aislamiento de edificios, como en el aislamiento de formas de hormigón y sistemas de construcción de paneles con aislamiento estructural. La espuma de poliestireno gris, que incorpora grafito, tiene propiedades aislantes superiores.

Carl Munters y John Gudbrand Tandberg de Suecia recibieron una patente de EE. UU. para la espuma de poliestireno como producto aislante en 1935 (patente de EE. UU. número 2,023,204).

Las espumas PS también muestran buenas propiedades de amortiguación, por lo que se utilizan mucho en el envasado. La marca comercial Styrofoam de Dow Chemical Company se usa de manera informal (principalmente en EE. UU. y Canadá) para todos los productos de poliestireno espumado, aunque estrictamente solo debe usarse para "extruido de celda cerrada" espumas de poliestireno fabricadas por Dow Chemicals.

Las espumas también se utilizan para estructuras arquitectónicas que no soportan peso (como pilares ornamentales).

Poliestireno expandido (EPS)

Losas termocol de poliestireno expandido (EPS). El de la izquierda es de una caja de embalaje. El de la derecha se utiliza para artesanías. Tiene una textura corky, papely y se utiliza para la decoración de escenarios, modelos de exposición, y a veces como una alternativa barata a shola (Aeschynomene aspera) tallos para la obra de arte.

Sección de un bloque de termocol bajo un microscopio ligero (campo derecho, objetivo = 10×, ocular = 15×). Las esferas más grandes son las cuentas de poliestireno expandidas que fueron comprimidas y fusionadas. El agujero brillante en forma de estrella en el centro de la imagen es un salto de aire entre las cuentas donde los márgenes de cuentas no se han fusionado completamente. Cada cuentas está hecha de burbujas de poliestireno de paredes delgadas y llenas de aire.

El poliestireno expandido (EPS) es una espuma de celda cerrada rígida y resistente con un rango de densidad normal de 11 a 32 kg/m³. Por lo general, es de color blanco y está hecho de perlas de poliestireno preexpandido. El proceso de fabricación de EPS comienza convencionalmente con la creación de pequeñas perlas de poliestireno. Los monómeros de estireno (y potencialmente otros aditivos) se suspenden en agua, donde se someten a polimerización por adición de radicales libres. Las perlas de poliestireno formadas por este mecanismo pueden tener un diámetro promedio de alrededor de 200 μm. Luego, las perlas se impregnan con un "agente de soplado", un material que permite que las perlas se expandan. El pentano se usa comúnmente como agente de expansión. Las perlas se agregan a un reactor agitado continuamente con el agente de expansión, entre otros aditivos, y el agente de expansión se filtra en los poros dentro de cada perla. Luego, las perlas se expanden con vapor.

El EPS se utiliza para envases de alimentos, láminas moldeadas para aislamiento de edificios y material de embalaje, ya sea como bloques sólidos formados para acomodar el artículo que se está protegiendo o como "cacahuetes" de relleno suelto. amortiguación de artículos frágiles dentro de cajas. EPS también se ha utilizado ampliamente en aplicaciones de seguridad vial y automotriz, como cascos de motocicleta y barreras viales en pistas de carreras de automóviles.

Una parte significativa de todos los productos de EPS se fabrican mediante moldeo por inyección. Las herramientas de molde tienden a fabricarse con aceros (que se pueden templar y enchapar) y aleaciones de aluminio. Los moldes se controlan a través de una división a través de un sistema de canales de compuertas y corredores. EPS se llama coloquialmente "espuma de poliestireno" en los Estados Unidos y Canadá, una generalización aplicada incorrectamente de la marca de poliestireno extruido de Dow Chemical.

EPS en la edificación

Las hojas de EPS se empaquetan comúnmente como paneles rígidos (el tamaño común en Europa es de 100 cm x 50 cm, generalmente según el tipo previsto de conexión y las técnicas de pegado, es, de hecho, 99,5 cm x 49,5 cm o 98 cm x 48 cm; menos común es 120 x 60 cm; tamaño 4 x 8 pies (1,2 x 2,4 m) o 2 x 8 pies (0,61 x 2,44 m) en los Estados Unidos). Los espesores comunes son de 10 mm a 500 mm. A menudo se agregan muchas personalizaciones, aditivos y capas externas delgadas adicionales en uno o ambos lados para ayudar con varias propiedades. Un ejemplo de esto es la laminación con placa de cemento para formar un panel aislante estructural.

La conductividad térmica se mide según la norma EN 12667. Los valores típicos oscilan entre 0,032 y 0,038 W/(m⋅K) según la densidad de la placa EPS. El valor de 0,038 W/(m⋅K) se obtuvo a 15 kg/m³ mientras que el valor de 0,032 W/(m⋅K) se obtuvo a 40 kg/m³ según la hoja de datos de K-710 de StyroChem Finlandia. La adición de rellenos (grafitos, aluminio o carbono) ha permitido recientemente que la conductividad térmica del EPS alcance alrededor de 0,030–0,034 W/(m⋅K) (tan bajo como 0,029 W/(m⋅K)) y, como tal, tiene un color gris. /color negro que lo distingue del EPS estándar. Varios productores de EPS han producido una variedad de estos usos de EPS de mayor resistencia térmica para este producto en el Reino Unido y la UE.

La resistencia a la difusión del vapor de agua (μ) del EPS es de alrededor de 30 a 70.

ICC-ES (Servicio de Evaluación del Consejo Internacional de Códigos) requiere que las placas de EPS utilizadas en la construcción de edificios cumplan con los requisitos de ASTM C578. Uno de estos requisitos es que el índice de oxígeno límite de EPS medido por ASTM D2863 sea superior al 24 % en volumen. El EPS típico tiene un índice de oxígeno de alrededor del 18 % en volumen; por lo tanto, se agrega un retardante de llama al estireno o poliestireno durante la formación de EPS.

Los tableros que contienen un retardador de llama cuando se prueban en un túnel usando el método de prueba UL 723 o ASTM E84 tendrán un índice de propagación de llama de menos de 25 y un índice de generación de humo de menos de 450. ICC-ES requiere el uso de una barrera térmica de 15 minutos cuando se utilizan tableros de EPS dentro de un edificio.

Según la organización EPS-IA ICF, la densidad típica del EPS utilizado para formas de hormigón aislado (hormigón de poliestireno expandido) es de 1,35 a 1,80 libras por pie cúbico (21,6 a 28,8 kg/m³). Este es EPS tipo II o tipo IX según ASTM C578. Los bloques o tableros de EPS utilizados en la construcción de edificios se suelen cortar con hilos calientes.

Poliestireno extruido (XPS)

La poliestireno extruido tiene una textura suave, y se puede cortar en formas afiladas sin desmoronarse

La espuma de poliestireno extruido (XPS) consta de celdas cerradas. Ofrece rugosidad superficial mejorada, mayor rigidez y conductividad térmica reducida. El rango de densidad es de aproximadamente 28 a 34 kg/m³.

El material de poliestireno extruido también se utiliza en la artesanía y la construcción de maquetas, en particular, maquetas arquitectónicas. Debido al proceso de fabricación por extrusión, XPS no requiere revestimientos para mantener el rendimiento de sus propiedades térmicas o físicas. Por lo tanto, constituye un sustituto más uniforme del cartón corrugado. La conductividad térmica varía entre 0,029 y 0,039 W/(m·K) según la resistencia/densidad del rodamiento y el valor medio es ~0,035 W/(m·K).

La resistencia a la difusión del vapor de agua (μ) de XPS es de alrededor de 80 a 250.

Los materiales de espuma de poliestireno extruido comúnmente incluyen:

• Styrofoam, también conocido como Blue Board, producido por Dow Chemical Company
• Depron, una fina hoja de aislamiento también utilizada para la construcción de modelos

Absorción de agua de las espumas de poliestireno

Aunque es una espuma de celda cerrada, tanto el poliestireno expandido como el extruido no son totalmente impermeables ni a prueba de vapor. En el poliestireno expandido existen espacios intersticiales entre los gránulos de celdas cerradas expandidos que forman una red abierta de canales entre los gránulos unidos, y esta red de espacios se puede llenar con agua líquida. Si el agua se congela y se convierte en hielo, se expande y puede hacer que los gránulos de poliestireno se desprendan de la espuma. El poliestireno extruido también es permeable a las moléculas de agua y no puede considerarse una barrera de vapor.

El encharcamiento suele ocurrir durante un largo período en espumas de poliestireno que están constantemente expuestas a alta humedad o continuamente sumergidas en agua, como en cubiertas de bañeras de hidromasaje, en muelles flotantes, como flotación suplementaria debajo de los asientos de los barcos y para debajo Aislamiento exterior de edificios de alta calidad expuesto constantemente a las aguas subterráneas. Por lo general, se necesita una barrera de vapor exterior, como una lámina de plástico impermeable o un revestimiento rociado, para evitar la saturación.

Poliestireno orientado

El poliestireno orientado (OPS) se produce estirando una película de PS extruida, lo que mejora la visibilidad a través del material al reducir la turbidez y aumentar la rigidez. Esto se usa a menudo en empaques donde al fabricante le gustaría que el consumidor viera el producto adjunto. Algunos beneficios del OPS son que es menos costoso de producir que otros plásticos transparentes como el polipropileno (PP), (PET) y el poliestireno de alto impacto (HIPS), y es menos borroso que el HIPS o el PP. La principal desventaja de OPS es que es quebradizo y se agrietará o rasgará fácilmente.

Copolímeros

El poliestireno ordinario (homopolimérico) tiene un excelente perfil de propiedades en cuanto a transparencia, calidad superficial y rigidez. Su gama de aplicaciones se amplía aún más mediante la copolimerización y otras modificaciones (mezclas, por ejemplo, con PC y poliestireno sindiotáctico). Se utilizan varios copolímeros a base de estireno: los copolímeros de estireno-butadieno modificados con elastómero superan la textura crujiente del poliestireno homopolimérico. Los copolímeros de estireno y acrilonitrilo (SAN) son más resistentes al estrés térmico, al calor ya los productos químicos que los homopolímeros y también son transparentes. Los copolímeros llamados ABS tienen propiedades similares y se pueden usar a bajas temperaturas, pero son opacos.

Copolímeros de estireno-butano

Los copolímeros de estireno-butano se pueden producir con un bajo contenido de buteno. Los copolímeros de estireno-butano incluyen PS-I y SBC (ver más abajo), ambos copolímeros son resistentes al impacto. PS-I se prepara por copolimerización de injerto, SBC por copolimerización de bloque aniónico, lo que lo hace transparente en caso de tamaño de bloque apropiado.

Si el copolímero de estireno-butano tiene un alto contenido de butileno, se forma caucho de estireno-butadieno (SBR).

La resistencia al impacto de los copolímeros de estireno-butadieno se basa en la separación de fases, el poliestireno y el polibutano no son solubles entre sí (consulte la teoría de la solución de Flory-Huggins). La copolimerización crea una capa límite sin una mezcla completa. Las fracciones de butadieno (la "fase de caucho") se ensamblan para formar partículas incrustadas en una matriz de poliestireno. Un factor decisivo para la resistencia al impacto mejorada de los copolímeros de estireno-butadieno es su mayor capacidad de absorción para el trabajo de deformación. Sin fuerza aplicada, la fase de goma se comporta inicialmente como un relleno. Bajo tensión de tracción, se forman grietas (microfisuras), que se extienden a las partículas de caucho. La energía de la grieta que se propaga se transfiere luego a las partículas de caucho a lo largo de su trayectoria. Un gran número de grietas le dan al material originalmente rígido una estructura laminada. La formación de cada laminilla contribuye al consumo de energía y por tanto a un aumento del alargamiento a la rotura. Los homopolímeros de poliestireno se deforman cuando se aplica una fuerza hasta que se rompen. Los copolímeros de estireno-butano no se rompen en este punto, sino que comienzan a fluir, se solidifican hasta la resistencia a la tracción y solo se rompen con un alargamiento mucho mayor.

Con una alta proporción de polibutadieno, se invierte el efecto de las dos fases. El caucho de estireno-butadieno se comporta como un elastómero pero se puede procesar como un termoplástico.

Poliestireno resistente a impactos (PS-I)

PS-I (iresistente a impactos polys tireno) consiste en una matriz continua de poliestireno y una fase de caucho dispersa en ella. Se produce por polimerización de estireno en presencia de polibutadieno disuelto (en estireno). La polimerización tiene lugar simultáneamente de dos formas:

• Polimerización de popa: La creciente cadena de poliestireno reacciona con un doble lazo del polibutadieno. Como resultado, varias cadenas de poliestireno se unen a una polibutadiena. S representa en la figura la unidad de repetición de estireno, B la unidad de repetición de butadieno. Sin embargo, el bloque medio a menudo no consiste en un homopolímero butano representado, sino de un copolímero estireno-butadieno:

SSSSSSSSSSSSSSSSSSSBBSBBSBSBBBBSBSSBBBSBSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS

Al usar un copolímero estadístico en esta posición, el polímero se vuelve menos susceptible a la reticulación y fluye mejor en la masa fundida. Para la producción de SBS, el primer estireno se homopolimeriza mediante copolimerización aniónica. Normalmente, se utiliza como catalizador un compuesto organometálico como el butillitio. Luego se agrega butadieno y luego de estireno nuevamente su polimerización. El catalizador permanece activo durante todo el proceso (para lo cual los químicos utilizados deben ser de alta pureza). La distribución de pesos moleculares de los polímeros es muy baja (polidispersidad en el rango de 1,05, por lo que las cadenas individuales tienen longitudes muy similares). La longitud de los bloques individuales se puede ajustar mediante la proporción de catalizador a monómero. El tamaño de las secciones de goma, a su vez, depende de la longitud del bloque. La producción de pequeñas estructuras (más pequeñas que la longitud de onda de la luz) aseguran la transparencia. Sin embargo, a diferencia del PS-I, el copolímero de bloques no forma partículas, sino que tiene una estructura laminar.

Caucho estireno-butadieno

El caucho de estireno-butadieno (SBR) se produce como el PS-I mediante copolimerización por injerto, pero con un menor contenido de estireno. El caucho de estireno-butadieno consiste por lo tanto en una matriz de caucho con una fase de poliestireno dispersada en ella. A diferencia de PS-I y SBC, no es un termoplástico, sino un elastómero. Dentro de la fase de caucho, la fase de poliestireno se ensambla en dominios. Esto provoca la reticulación física a nivel microscópico. Cuando el material se calienta por encima del punto de transición vítrea, los dominios se desintegran, la reticulación se suspende temporalmente y el material puede procesarse como un termoplástico.

Acrilonitrilo butadieno estireno

El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) es un material más resistente que el poliestireno puro.

Otros

SMA es un copolímero con anhídrido maleico. El estireno se puede copolimerizar con otros monómeros; por ejemplo, se puede usar divinilbenceno para reticular las cadenas de poliestireno para dar el polímero usado en la síntesis de péptidos en fase sólida. La resina de estireno-acrilonitrilo (SAN) tiene una mayor resistencia térmica que el estireno puro.

Cuestiones medioambientales

Producción

Las espumas de poliestireno se fabrican utilizando agentes de soplado que forman burbujas y expanden la espuma. En el poliestireno expandido, estos suelen ser hidrocarburos como el pentano, que pueden representar un peligro de inflamabilidad en la fabricación o el almacenamiento de material recién fabricado, pero tienen un impacto ambiental relativamente leve. El poliestireno extruido generalmente se fabrica con hidrofluorocarbonos (HFC-134a), que tienen un potencial de calentamiento global de aproximadamente 1000 a 1300 veces mayor que el del dióxido de carbono. Los envases, en particular el poliestireno expandido, contribuyen con los microplásticos de las actividades tanto terrestres como marítimas.

Degradación ambiental

El poliestireno no es biodegradable pero es susceptible a la fotooxidación. Por esta razón, los productos comerciales contienen estabilizadores de luz.

Camada

Copa de poliestireno descubierta en la orilla del lago Michigan

Los animales no reconocen la espuma de poliestireno como un material artificial e incluso pueden confundirla con comida. La espuma de poliestireno se mueve con el viento y flota en el agua, debido a su baja gravedad específica. Puede tener efectos graves en la salud de las aves o animales marinos que ingieran cantidades importantes. Los juveniles de trucha arcoíris expuestos a fragmentos de poliestireno muestran efectos tóxicos en forma de cambios histomorfométricos sustanciales.

Reducción

Restringir el uso de envases de comida para llevar de poliestireno expandido es una prioridad de muchas organizaciones ambientales de desechos sólidos. Se han realizado esfuerzos para encontrar alternativas al poliestireno, especialmente la espuma en entornos de restaurantes. El ímpetu original fue eliminar los clorofluorocarbonos (CFC), que era un antiguo componente de la espuma.

Estados Unidos

En 1987, Berkeley, California, prohibió los envases de alimentos con CFC. Al año siguiente, el condado de Suffolk, Nueva York, se convirtió en la primera jurisdicción de EE. UU. en prohibir el poliestireno en general. Sin embargo, los desafíos legales de la Sociedad de la Industria del Plástico impidieron que la prohibición entrara en vigencia hasta que finalmente se retrasó cuando los partidos Republicano y Conservador obtuvieron la mayoría de la legislatura del condado. Mientras tanto, Berkeley se convirtió en la primera ciudad en prohibir todos los envases de espuma para alimentos. A partir de 2006, alrededor de cien localidades en los Estados Unidos, incluidos Portland, Oregón y San Francisco, tenían algún tipo de prohibición de la espuma de poliestireno en los restaurantes. Por ejemplo, en 2007, Oakland, California, exigió a los restaurantes que cambiaran a recipientes desechables para alimentos que se biodegradarían si se añadían al abono alimentario. Según los informes, en 2013, San José se convirtió en la ciudad más grande del país en prohibir los envases de alimentos de espuma de poliestireno. Algunas comunidades han implementado amplias prohibiciones de poliestireno, como Freeport, Maine, que lo hizo en 1990. En 1988, se promulgó la primera prohibición general de espuma de poliestireno en EE. UU. en Berkeley, California.

El 1 de julio de 2015, la ciudad de Nueva York se convirtió en la ciudad más grande de los Estados Unidos en intentar prohibir la venta, posesión y distribución de espuma de poliestireno de un solo uso (la decisión inicial fue anulada en apelación). En San Francisco, los supervisores aprobaron la prohibición más estricta de la "espuma de poliestireno" (EPS) en los EE. UU. que entró en vigencia el 1 de enero de 2017. El Departamento de Medio Ambiente de la ciudad puede hacer excepciones para ciertos usos, como el envío de medicamentos a las temperaturas prescritas.

La Asociación de Restaurantes Ecológicos de EE. UU. no permite el uso de espuma de poliestireno como parte de su estándar de certificación. Varios líderes ecologistas, desde el Ministerio holandés del Medio Ambiente hasta el Equipo Ecológico de Starbucks, aconsejan a las personas que reduzcan el daño medioambiental mediante el uso de vasos de café reutilizables.

En marzo de 2019, Maryland prohibió los envases de espuma de poliestireno para alimentos y se convirtió en el primer estado del país en aprobar una prohibición de espuma para envases de alimentos a través de la legislatura estatal. Maine fue el primer estado en obtener oficialmente una prohibición de contenedores de alimentos de espuma en los libros. En mayo de 2019, el gobernador de Maryland, Hogan, permitió que la prohibición de espuma (House Bill 109) se convirtiera en ley sin una firma, lo que convirtió a Maryland en el segundo estado en tener una prohibición de espuma para contenedores de alimentos en los libros, pero es el primero en entrar en vigencia el 1 de julio de 2020.

En septiembre de 2020, la legislatura del estado de Nueva Jersey votó a favor de prohibir los recipientes de espuma desechables para alimentos y los vasos hechos de espuma de poliestireno.

Fuera de los Estados Unidos

Desechos de poliestireno en Japón

China prohibió los recipientes y la vajilla para llevar/para llevar de poliestireno expandido alrededor de 1999. Sin embargo, el cumplimiento ha sido un problema y, en 2013, la industria plástica china estaba presionando para que se revocara la prohibición.

India y Taiwán también prohibieron los artículos de servicio de alimentos de espuma de poliestireno antes de 2007.

El gobierno de Zimbabue, a través de su Agencia de Gestión Ambiental (EMA), prohibió los envases de poliestireno (popularmente llamados 'kaylite' en el país), bajo el Instrumento Estatutario 84 de 2012 (Envases de Plástico y Botellas de Plástico) (Modificación) Reglamento, 2012 (No 1.)

La ciudad de Vancouver, Canadá, anunció su plan Zero Waste 2040 en 2018. La ciudad introducirá enmiendas a los estatutos para prohibir a los titulares de licencias comerciales servir comida preparada en vasos de espuma de poliestireno y recipientes para llevar, a partir del 1 de junio de 2019.

En 2019, la Unión Europea votó a favor de prohibir los envases y vasos de poliestireno expandido para alimentos y la ley entrará en vigencia en 2021.

Fiji aprobó el proyecto de ley de gestión ambiental en diciembre de 2020. Las importaciones de productos de poliestireno se prohibieron en enero de 2021.

Reciclaje

El símbolo de código de identificación de resina para poliestireno

En general, el poliestireno no se acepta en los programas de reciclaje de recolección en la acera y no se separa ni recicla donde se acepta. En Alemania, el poliestireno se recolecta como consecuencia de la ley de embalaje (Verpackungsverordnung) que exige que los fabricantes asuman la responsabilidad de reciclar o desechar cualquier material de embalaje que vendan.

Actualmente, la mayoría de los productos de poliestireno no se reciclan debido a la falta de incentivos para invertir en los compactadores y los sistemas logísticos necesarios. Debido a la baja densidad de la espuma de poliestireno, su recolección no es económica. Sin embargo, si el material de desecho pasa por un proceso de compactación inicial, el material cambia de densidad de 30 kg/m³ a 330 kg/m³ y se convierte en un producto reciclable de alto valor para los productores de gránulos de plástico reciclado. La chatarra de poliestireno expandido se puede agregar fácilmente a productos como láminas aislantes de EPS y otros materiales de EPS para aplicaciones de construcción; muchos fabricantes no pueden obtener suficiente chatarra debido a problemas de recolección. Cuando no se utiliza para fabricar más EPS, los restos de espuma se pueden convertir en productos como perchas, bancos de parque, macetas, juguetes, reglas, cuerpos de engrapadoras, recipientes para plántulas, marcos de cuadros y molduras arquitectónicas de PS reciclado. A partir de 2016, alrededor de 100 toneladas de EPS se reciclan cada mes en el Reino Unido.

El EPS reciclado también se usa en muchas operaciones de fundición de metales. Rastra está hecho de EPS que se combina con cemento para ser utilizado como enmienda aislante en la fabricación de cimientos y muros de hormigón. Los fabricantes estadounidenses han producido formas aislantes de hormigón hechas con aproximadamente un 80 % de EPS reciclado desde 1993.

Reciclaje

Un estudio conjunto realizado en marzo de 2022 por los científicos Sewon Oh y Erin Stache de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, descubrió un nuevo método de procesamiento para convertir poliestireno en ácido benzoico. El proceso involucró la irradiación de poliestireno con cloruro de hierro y acetona bajo luz blanca y oxígeno durante 20 horas. Los científicos también demostraron un proceso comercial escalable similar de reciclaje de poliestireno en moléculas pequeñas valiosas (como el ácido benzoico) que toma solo unas pocas horas.

Incineración

Si el poliestireno se incinera adecuadamente a altas temperaturas (hasta 1000 °C) y con mucho aire (14 m³/kg), los productos químicos generados son agua, dióxido de carbono y posiblemente pequeñas cantidades de compuestos de halógeno residuales de los retardadores de llama. Si solo se realiza una incineración incompleta, también quedarán restos de hollín de carbón y una mezcla compleja de compuestos volátiles. Según el American Chemistry Council, cuando el poliestireno se incinera en instalaciones modernas, el volumen final es el 1 % del volumen inicial; la mayor parte del poliestireno se convierte en dióxido de carbono, vapor de agua y calor. Debido a la cantidad de calor liberado, a veces se utiliza como fuente de energía para generar vapor o electricidad.

Cuando el poliestireno se quemaba a temperaturas de 800 a 900 °C (el rango típico de un incinerador moderno), los productos de la combustión consistían en una mezcla compleja de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), desde alquilbencenos hasta benzoperileno.. Se identificaron más de 90 compuestos diferentes en los efluentes de combustión del poliestireno." El American National Bureau of Standards Center for Fire Research encontró 57 subproductos químicos liberados durante la combustión de espuma de poliestireno expandido (EPS).

Seguridad

Salud

El American Chemistry Council, antes conocido como Chemical Manufacturers' Asociación, escribe:

Sobre la base de pruebas científicas de más de cinco decenios, las agencias de seguridad gubernamentales han determinado que el poliestireno es seguro para su uso en productos alimenticios. Por ejemplo, el poliestireno cumple con los estrictos estándares de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. y la Comisión Europea / Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria para su uso en envases para almacenar y servir alimentos. El Departamento de Higiene Alimentaria y Ambiental de Hong Kong examinó recientemente la seguridad de servir varios alimentos en productos de servicio alimentario de poliestireno y llegó a la misma conclusión que la FDA estadounidense.

De 1999 a 2002, un panel internacional de expertos de 12 miembros seleccionados por el Centro de Evaluación de Riesgos de Harvard llevó a cabo una revisión exhaustiva de los riesgos potenciales para la salud asociados con la exposición al estireno. Los científicos tenían experiencia en toxicología, epidemiología, medicina, análisis de riesgos, farmacocinética y evaluación de la exposición. El estudio de Harvard informó que el estireno está naturalmente presente en pequeñas cantidades en alimentos como las fresas, la carne de res y las especias, y se produce naturalmente en el procesamiento de alimentos como el vino y el queso. El estudio también revisó todos los datos publicados sobre la cantidad de estireno que contribuye a la dieta debido a la migración de envases de alimentos y artículos desechables en contacto con alimentos, y concluyó que el riesgo para el público en general por la exposición al estireno de los alimentos o aplicaciones en contacto con alimentos (como como envases de poliestireno y recipientes para servicio de alimentos) se encontraba en niveles demasiado bajos para producir efectos adversos.

El poliestireno se usa comúnmente en envases para alimentos y bebidas. El monómero de estireno (a partir del cual se fabrica el poliestireno) es un agente sospechoso de cáncer. El estireno "generalmente se encuentra en niveles tan bajos en los productos de consumo que los riesgos 'no son sustanciales". El poliestireno que se utiliza para contacto con alimentos no puede contener más del 1 % (0,5 % para alimentos grasos) de estireno por peso. Se ha descubierto que los oligómeros de estireno en los recipientes de poliestireno utilizados para el envasado de alimentos migran a los alimentos. Otro estudio japonés realizado en ratones de tipo salvaje y sin AhR encontró que el trímero de estireno, que los autores detectaron en alimentos instantáneos envasados en recipientes de poliestireno cocidos, puede aumentar los niveles de hormona tiroidea.

Es controvertido si el poliestireno se puede calentar en el microondas con alimentos. Algunos recipientes se pueden usar de manera segura en un microondas, pero solo si están etiquetados como tales. Algunas fuentes sugieren que deben evitarse los alimentos que contienen caroteno (vitamina A) o aceites de cocina.

Debido al uso generalizado de poliestireno, estos graves problemas relacionados con la salud siguen siendo de actualidad.

Peligros de incendio

Al igual que otros compuestos orgánicos, el poliestireno es inflamable. El poliestireno se clasifica según DIN4102 como "B3" producto, lo que significa altamente inflamable o "Fácilmente inflamable". En consecuencia, aunque es un eficiente aislante a bajas temperaturas, está prohibido su uso en cualquier instalación expuesta de la edificación si el material no es ignífugo. Debe ocultarse detrás de paneles de yeso, láminas de metal u hormigón. Los materiales plásticos de poliestireno expandido se han encendido accidentalmente y han causado grandes incendios y pérdidas de vidas, por ejemplo, en el Aeropuerto Internacional de Düsseldorf y en el Túnel del Canal (donde había poliestireno dentro de un vagón de tren que se incendió).