Polystyrol

Strukturformel
Struktur von Polystyrol
Allgemeines
Name Polystyrol
Andere Namen
CAS-Nummer 9003-53-6
Art des Polymers Thermoplast
Kurzbeschreibung transparent; amorph oder teilkristallin
Monomer
Monomer Styrol
Summenformel C8H8
Molare Masse 104,15 g·mol−1
Eigenschaften
Aggregatzustand fest
Dichte 1050 kg/m3
Elektrische Leitfähigkeit 10−16 S/m
Wärmeleitfähigkeit 0,08 W·m−1·K−1
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Polystyrol (Kurzzeichen PS, andere Namen: Polystyren, IUPAC-Name: Poly(1-phenylethan-1,2-diyl)) ist ein transparenter, amorpher oder teilkristalliner Thermoplast. Amorphes Polystyrol ist ein weit verbreiteter Kunststoff, der in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz kommt.

Polystyrol wird entweder als thermoplastisch verarbeitbarer Werkstoff oder als Schaumstoff (expandiertes Polystyrol) eingesetzt. Bekannte Handelsnamen für Polystyrolschaumstoff sind Austrotherm (Österreich), Hungarocell (Ungarn), Floormate, Jackodur, Lustron, Roofmate, Styropor, Styrodur, Styrofoam (USA), Sagex (Schweiz) und Telgopor (spanischsprachige Länder).

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Bereits 1839 beobachtete der Apotheker Eduard Simon in Berlin, dass Styrol über mehrere Monate zu einer gallertartigen dickflüssigen Masse verdickt.[1] Sechs Jahre später berichteten John Blyth und August Wilhelm von Hofmann, dass die Umwandlung ohne Auf- oder Abgabe irgendeines Elementes geschehe und lediglich durch die molekulare Veränderung des Styrols erfolge.[2] Die Bezeichnung „Polystyrol“ wurde erstmals von Abraham Kronstein benutzt, der darunter allerdings ein gel-artiges Zwischenprodukt verstand, das dann mit Styrol das glasartige „Metastyrol“ bilden sollte.[3]

1931 wurde im I.G. Farben-Werk in Ludwigshafen mit der technischen Herstellung von Polystyrol begonnen. Mittlerweile gehört Polystyrol zu den Standardkunststoffen und nimmt in der Produktionsrangfolge nach Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid den vierten Platz ein. Der Anteil am gesamten Kunststoffverbrauch betrug 2004 mit ca. 11,3 Millionen Tonnen ca. 6 %. [4] 2007 betrug die Gesamtproduktionskapazität für Standard-Polystyrol und schlagzähes Polystyrol ca. 15 Millionen Jahrestonnen, die durchschnittliche Auslastung von 70 % bei kaum steigendem Verbrauch führte dazu, dass Kapazitäten abgebaut wurden.[5]

Eigenschaften

Polystyrol ist gegen wässrige Laugen und Mineralsäuren beständig, gegenüber unpolaren Lösungsmitteln wie Benzin und längerkettigen Ketonen und Aldehyden nicht. Außerdem ist es UV-empfindlich. Die Dichte von festem Polystyrol liegt zwischen 1040 und 1090 kg/m3, aufgeschäumtes Polystyrol (EPS oder auch PS-E) hat eine Dichte zwischen 15 (Dämmung am Bau) und 90 kg/m3 (Skihelm).

Festes amorphes Polystyrol ist glasklar, hart und schlagempfindlich. Es erzeugt einen spröden, scheppernden, fast glasartigen Klang beim Beklopfen (Butterdosen). Beim Biegen oder Brechen riecht es deutlich nach Styrol. PS ist in allen Farben einfärbbar. Massives Polystyrol neigt sehr stark zur Spannungsrissbildung. Es ist wenig wärmebeständig und nur bedingt bis 70 °C einsetzbar; aufgrund beschleunigter Alterung sollte man Polystyrol aber nicht über 55 °C erhitzen. Die Glasübergangstemperatur liegt, je nach Verarbeitungsbedingungen, bei ca 100 °C, die Schmelztemperatur beträgt 240 °C im Falle von isotaktischem und 270 °C im Falle von syndiotaktischem Polystyrol. Ataktisches Polystyrol liegt als amorpher Feststoff vor und besitzt mithin keine Schmelztemperatur.[6] Ataktisches Polystyrol hat als kostengünstiger Massenkunststoff derzeit den größten Marktanteil. Isotaktisches Polystyrol ist wegen seiner geringen Kristallisationsgeschwindigkeit für die Kunststoffverarbeitung uninteressant.

Syndiotaktisches Polystyrol kristallisiert ausreichend schnell, um im typischen Spritzgussverfahren als Konstruktionswerkstoff, insbesondere wegen seiner extremen Chemikalien-, Heißwasser- und Kühlmittelbeständigkeit, eine Alternative zu etablierten technischen Kunststoffen zu bieten.

Polystyrol verbrennt mit leuchtend gelber, stark rußender Flamme. Das dabei freiwerdende Styrol hat einen blumigen, süßlichen Geruch. Da selten reines Polystyrol ohne chemische Verunreinigungen vorliegt, besitzen die Dämpfe aber oft einen stechenden Geruch und sind möglicherweise gesundheitsschädlich. Sie sollten daher nicht eingeatmet werden.

Geschäumtes Polystyrol hat im Vergleich zu festem Polystyrol eine geringere mechanische Festigkeit und Elastizität. Es ist weiß und undurchsichtig und hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Schon wenig von Lösemitteln wie Aceton, Essigsäureethylester oder Toluol genügt, um ein relativ großes Volumen Polystyrolschaum zu "zerfressen", in dem das im Schaum eingeschlossene Treibgas freigesetzt wird.

Polystyrol kann z. B. mit Dichlormethan angelöst und nahezu nahtlos verschweißt werden.

Ein Stück EPS

Physiologische Wirkung

Polystyrol ist physiologisch unbedenklich und für Lebensmittelverpackungen uneingeschränkt zugelassen.

1967 wurden in der staatlichen Versuchsanstalt Wien Versuchstiere den Verschwelungsgasen von Holz, Filz, Leder, Kork, Schafwolle und verschiedenen Typen von Polystyrol-Hartschaum ausgesetzt. Polystyrol-Hartschaum war das einzige Material, dessen Schwelgase alle Versuchstiere überlebten.[7]

Beständigkeit gegen Chemikalien

Die chemische Beständigkeit von Polystyrol ist temperaturabhängig. Nachfolgend ist eine grobe Charakterisierung der Beständigkeit gegen einige wichtige Klassen von Chemikalien bei Raumtemperatur angegeben:

Stoffklasse Beständigkeit
Aldehyde Button Icon Red.svg
aliphatische Alkohole Button Icon GreenBlue.svg
Ester Button Icon Red.svg
Ether Button Icon Red.svg
Ketone Button Icon Red.svg
Kohlenwasserstoffe aliphatisch Button Icon Red.svg
Kohlenwasserstoffe aromatisch Button Icon Red.svg
Laugen Button Icon GreenBlue.svg
Oxidationsmittel Button Icon Red.svg
schwache Säuren Button Icon Yellow.svg
starke Säuren Button Icon Yellow.svg
Button Icon Red.svg = schlechte bis gar keine Beständigkeit gegen die Stoffklasse (schon einmalige, kurzzeitige Exposition kann das Material schädigen)
Button Icon Yellow.svg = gute/eingeschränkte Beständigkeit gegen die Stoffklasse (Material ist für eine eingeschränkte Zeit beständig und wird u.U. nur reversibel geschädigt)
Button Icon GreenBlue.svg = gute Beständigkeit gegen die Stoffklasse (auch lange Exposition fügt dem Material keinen Schaden zu)

Wetterfestigkeit

Polystyrol ist zwar beständig gegen Wassereinwirkung und verrottet nicht, es erlangt jedoch nur durch besondere Ausrüstung Resistenz gegenüber Ultraviolett (Tageslicht, Gasentladungslampen). Insbesondere die Schaumstoffe sind nicht UV-stabil[8].

Typen – Herstellung und Verarbeitung

Strukturformel des Monomers Styrol

Polystyrol wird überwiegend durch Suspensions-Polymerisation des Monomers Styrol gewonnen, das außergewöhnliche Polymerisationseigenschaften aufweist. Es kann radikalisch, kationisch, anionisch oder mittels Ziegler-Natta-Katalysatoren polymerisiert werden. Die schwieriger zu kontrollierende Massepolymerisation wird kaum noch angewandt.

Polystyrol kann vollständig wiederverwendet werden. Recycling-Code von Polystyrol

Schaumstoffe

Styropor bei 200-facher Vergrößerung

Schaumpolystyrol ist besonders unter dem Handelsnamen Styropor (BASF) bekannt geworden. Erfunden wurde es 1949 von dem BASF-Chemiker Fritz Stastny.

Seit den 1990er-Jahren nimmt der IVH (Industrieverband Hartschaum e. V.) die Rechte am Namen Styropor wahr. Nur die Hersteller von EPS (Expandierter Polystyrol-Hartschaum), die sich den besonderen Qualitätsanforderungen des IVH unterwerfen, dürfen danach ihr Material Styropor nennen.

Charakteristisch für EPS ist der Aufbau aus etwa 2–3 mm großen, zusammengebackenen Schaumkugeln, die z. B. beim Brechen einer Schaumpolystyrolplatte deutlich zu Tage treten.

Je nach Herstellungsart wird zwischen dem normal weißen und eher grobporigen EPS, z. B. Styropor (BASF), und dem feinporigeren XPS (Extrudierter Polystyrol-Hartschaum), z. B. Styrodur (BASF, Farbe grün), Jackodur (JACKON Insulation, Farbe lila), Austrotherm XPS (Farbe rosa) oder Styrofoam (Dow Chemical, Farbe blau) unterschieden.

XPS wird aufgrund seiner hohen Druckfestigkeit und geringen Wasseraufnahme (geschlossene Porosität) beispielsweise bei der Dämmung von Gebäuden gegen Erdreich (Perimeterdämmung) eingesetzt.

Folien und Platten

Für Verpackungszwecke werden auch transparente Folien aus Polystyrol hergestellt. Folien und Platten werden durch Extrusion hergestellt.

Verwendung

Verpackung aus EPS
Jogurtbecher

In der Elektrotechnik wird Polystyrol wegen der guten Isolationseigenschaft verwendet. Es wird zur Herstellung von Schaltern, Spulenkörpern und Gehäusen (High Impact Polystyrene, HIPS) für Elektrogeräte verwendet. Polystyrol wird für Massenartikel (z. B. klassische CD-Verpackung, Videokassette), im Bauwesen als Dämmstoff, im Modell- und Kulissenbau, in der Feinwerktechnik, für Schaugläser und für Feststoffrettungswesten verwendet.

Als Lebensmittelverpackung, zum Beispiel als Joghurtbecher oder Schaumstoffschale, ist Polystyrol zugelassen, wenn bestimmte Voraussetzungen[9] erfüllt sind.

Geschäumtes Polystyrol wird als schockdämpfendes Verpackungsmaterial oder zur Wärmedämmung für Gebäude eingesetzt. Die Bauindustrie ist der größte Abnehmer von EPS: Auf sie entfielen im Jahr 2009 knapp 60 % des weltweiten EPS-Umsatzes, der insgesamt einen Marktwert von rund 4,3 Milliarden Euro erreichte.[10]

Da Schaumpolystyrol sehr gut mit einer Thermosäge geschnitten werden kann und zugleich sehr preiswert ist, hat es sich als Baumaterial im Modellbau etabliert.

Polystyrol ist auch einer der Grundstoffe von Napalm-B, welches in Brandbomben Verwendung findet.

Gereckte Polystyrolfolie (Handelsnamen: Styroflex für das Copolymerisat mit Butadien.[11], Trolitul) wird zusammen mit Aluminium- oder Zinnfolie zur Herstellung von verlustarmen und eng tolerierten Kondensatoren verwendet[12]

Schaumpolystyrol dient vermutlich in Wasserstoffbomben als Röntgenstrahlungsquelle, um die Zündung des sekundären Fusionssprengsatzes zu unterstützen.

Im Flugmodellbau findet das geschäumte Material Verwendung. Modellbauer sowie Städte- und Landschaftsplaner benutzen es für Landschaftselemente, da man es sehr gut bearbeiten kann.

Infrarot-Transmissionsspektrum von Polystyrol-Folie

In der Infrarotspektroskopie wird Polystyrolfolie als Wellenlängen-Standard verwendet. Eine in die Probenhalterung passende Karte mit einer Folie wird vom Gerätehersteller dem Gerät beigelegt.[13]

Für ebenerdige und bodenebene Duschelemente wird dieser Werkstoff vor allem aufgrund seiner hohen Druckfestigkeit genommen. Daher ist er auch für rollstuhlbefahrbare Duschelemente einsetzbar.

Die geringe Schwindungs-/Schrumpfungsneigung von Polystyrol während der Fertigung ermöglicht sehr endkonturnahe Bauteile. Des Weiteren können auch für Kunststoffe sehr feine Konturen, Kanten und gerade Flächen hergestellt werden. Diese Eigenschaft ermöglicht die Herstellung von verhältnismäßig paßgenauen Bauteilen. So werden z.B. Tonbandkassetten und CD-Hüllen aus transparentem Polystyrol gefertigt.

Nachteil des Polystyrols ist seine Sprödigkeit. Der Kunststoff wird deshalb auch in Fachkreisen manchmal "Polysprödol" genannt.

Alternativen

Zwei Absolventen des Rensselaer Polytechnic Institute haben Pilzkulturen dazu gebracht, ein Polystyrol-ähnliches Material zu erzeugen - nach vollständigem Verwachsen des Biomaterials (aus Getreideabfällen) in einer Form wird dieses abschließend gebacken. Das Ergebnis ist nur wenig schwerer als Polystyrol, dafür stark feuerhemmend und kompostierbar, sowie in seinen industriellen Eigenschaften geeignet, insbesondere als Verpackungsmaterial und Dämmmaterial das Polystyrol ohne Umstellungen zu ersetzen. Es wird derzeit von Ecovative unter dem Markennamen MycoBond vermarktet.[14][15][16]

Normen

  • DIN EN ISO 1622-1 Kunststoffe - Polystyrol (PS)-Formmassen - Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen (ISO 1622-1:1994); Deutsche Fassung EN ISO 1622-1:1999.
  • DIN EN ISO 1622-2 Kunststoffe - Polystyrol (PS)-Formmassen - Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften (ISO 1622-2:1995); Deutsche Fassung EN ISO 1622-2:1999.
  • DIN EN ISO 2897-1 Kunststoffe - Schlagzähe Polystyrol (PS-I)-Formmassen - Teil 1: Bezeichnungssystem und Basis für Spezifikationen (ISO 2897-1:1997); Deutsche Fassung EN ISO 2897-1:1999.
  • DIN EN ISO 2897-2 Kunststoffe - Schlagzähe Polystyrol (PS-I)-Formmassen - Teil 2: Herstellung von Probekörpern und Bestimmung von Eigenschaften (ISO 2897-2:2003); Deutsche Fassung EN ISO 2897-2:2003.
  • Kunststoff LMBG 2006-08 Gesundheitliche Beurteilung von Kunststoffen im Rahmen des Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuches; V. Polystyrol, das ausschließlich durch Polymerisation von Styrol gewonnen wird; 209. Mitteilung; Änderung (Stand 1. April 2006).[17]
  • Kunststoff LMBG VI 2006-08 Gesundheitliche Beurteilung von Kunststoffen im Rahmen des Lebensmittel- und Futtermittelgesetzbuches; VI. Styrol-Misch- und Pfropfpolymerisate und Mischungen von Polystyrol und Polymerisaten; 209. Mitteilung; Änderung (Stand 1. April 2006).[18]

Einzelnachweise

  1. E. Simon "Über den flüssigen Storax (Styryx liquidus)" in Liebigs Annalen der Chemie Bd. 31 (1839), S, 265, zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 87 (1969).
  2. J.Blyth, A.W.Hofmann "Über das Styrol und einige seiner Zersetzungsprodukte" in Liebigs Annalen der Chemie Bd. 53 (1845), S, 289, zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 87 (1969).
  3. A. Kronstein in Chemische Berichte Bd. 35 (1902) S. 4153, zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 88 (1969).
  4. Wolfgang Glenz "Polystyrol (PS)" in Kunststoffe 10/2004, S. 72.
  5. Wolfgang Glenz "Polystyrol (PS)" in Kunststoffe 10/2007, S. 70.
  6. Universität Bayreuth: Skript zum Praktikum Makromolekulare Chemie WS 06/07, Versuch: Koordinative Polymerisation.
  7. Produktinformation Isorast.
  8. http://www.energiesparhaus.at/gebaeudehuelle/polystyrol.htm
  9. D. Bender, H. Gausepohl, D. Braun, R. Gellert: Polystyrol; Hanser Verlag 1995; ISBN 3446180044; Seite 467f: Anforderungen an Polystyrol-Lebensmittelverpackungen
  10. Marktstudie Expandierbares Polystyrol. Ceresana Research 2009.
  11. http://www.plasticsportal.net/wa/plasticsEU~de_DE/portal/styrenicsrc/content/products/styrenics/styroflex
  12. http://www.oppermann-electronic.de/html/styroflex_c_s.html.
  13. Helmut Günzler, Harald Böck: IR-Spektroskopie - Eine Einführung, S. 104, VCH-Taschentext 193.
  14. "Schaumstoff aus Pilzen", Galileo, Pro7 TV
  15. "Are mushrooms the new plastic", Eben Bayer.
  16. http://www.ecovativedesign.com/about/team/ - Startup der Gründer und Erfinder.
  17. http://bfr.zadi.de/kse/faces/resources/pdf/050.pdf.
  18. http://bfr.zadi.de/kse/faces/resources/pdf/060.pdf.

Weblinks

 Commons: Polystyrol – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

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