발포 폴리스티렌 폼(EPF)

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배경

발포 폴리스티렌 폼(EPF)은 그 구조로 인해 특별한 특성을 갖는 플라스틱 소재입니다. 저밀도 폴리스티렌의 개별 셀로 구성된 EPF는 매우 가볍고 물에서 자체 무게의 몇 배를 지탱할 수 있습니다. 셀이 서로 연결되어 있지 않기 때문에 열이 EPF를 쉽게 통과할 수 없으므로 훌륭한 절연체입니다. EPF는 부유 장치, 단열재, 계란 상자, 육류 및 농산물용 아파트, 샌드위치 및 햄버거 상자, 커피 등에 사용됩니다. 컵, 접시, 땅콩 포장 및 피크닉 쿨러. 일반적으로 스티로폼이라고 하지만 스티로폼은 Dow Chemical Company의 상표이며 주로 보트에 사용되는 단단한 파란색 EPF 유형을 나타냅니다.

1800년대 후반에 필름, 캐리지 앞유리, 빗과 같은 다양한 소형 품목을 만드는 데 적합한 재료를 찾는 연구원들은 천연 물질과 화학 물질로 초기 플라스틱을 생산했습니다. 이러한 플라스틱을 만들 때 과학자들은 두 개 이상의 작은 분자 또는 단량체가 결합하여 종종 매우 긴 사슬을 형성하는 중합에 대한 자연적인 경향을 이용했습니다. 생성된 분자 사슬 또는 중합체는 원래 분자의 반복 구조 단위를 포함합니다. 가장 친숙한 천연 고분자 중 하나는 셀룰로오스, 즉 식물 세포벽, 면, 종이 및 레이온의 주요 구성 요소를 형성하는 포도당 분자의 끈입니다. 폴리스티렌은 가장 잘 알려진 합성 고분자(폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스터 등) 중 하나입니다. EPF를 만드는 액체 탄화수소인 스티렌은 19세기 후반에 오리엔탈 스위트 검이라고 불리는 소아시아의 나무에서 나오는 storax balsam에서 파생되었습니다. 19세기 초에는 중합이 용이한 구조를 가진 탄화수소로 완전 합성 플라스틱이 개발되었습니다. EPF를 만드는 폴리머인 폴리스티렌은 1938년에 발명되었습니다.

발포 플라스틱은 처음에는 아무도 장점을 볼 수 없었기 때문에 간접적으로 발견되었습니다. 최초의 완전 합성 플라스틱인 베이클라이트를 개발한 미국 화학자 레오 H. 베이클랜드 박사는 페놀(산성 화합물)과 포름알데히드(무색 기체)를 실험하면서 비다공성 수지를 만들려고 했습니다. 그의 혼합물 중 하나가 예기치 않게 거품을 일으키기 시작했을 때, Beckeland는 그것이 장점을 가질 수 있다는 것을 깨닫기 전에 거품을 제어하려고 시도했습니다. 1944년 Beckeland가 사망한 후 최초의 발포 페놀 수지가 개발되었으며 곧 에폭시 폼이 개발되었습니다. 잠시 후 폴리스티렌이 발포되었습니다. 처음에는 주로 배, 구명조끼, 부표의 단열 및 부양장치에 사용되었습니다. EPF가 종이, kapok(ceiba 나무 씨앗을 싸고 있는 부드러운 섬유로 만들어짐) 및 기타 천연 포장 보호재를 대체할 때까지 이 물질이 오늘날처럼 인기를 얻었습니다. 햄버거 상자와 커피 컵에 EPF를 사용하기 시작한 패스트 푸드 및 테이크 아웃 산업의 엄청난 성장으로 인해 친숙함이 더욱 높아졌습니다. 오늘날 EPF는 가장 쉽게 인식되는 플라스틱입니다.

그러나 EPF의 인기와 독특한 기능에도 불구하고 최근에 이를 발포하는 데 사용된 기체 메탄 유도체(클로로플루오로카본(CFC)) 때문에 공격을 받고 있습니다. CFC는 불활성이며 방출 시 인간과 환경에 무해합니다. 그러나 과학자들은 처음 사용하고 한참 후에 CFC가 분해되면서 오존층을 고갈시키는 데 기여한다는 것을 깨달았습니다. 오존층은 대기층이다. 폴리스티렌은 현탁 중합이라는 공정으로 만들어집니다. 에틸렌과 벤젠을 결합하여 스티렌을 만든 후 물과 점액질 물질과 결합하여 폴리스티렌 방울을 형성합니다. 다음으로, 액적을 가열하고 개시제와 결합하여 중합 과정을 시작합니다. 물방울은 결합하여 사슬을 형성하고, 이는 차례로 구슬로 결합됩니다. 체인이 사용하려면 특정 길이가 있어야 하기 때문에 터미네이터로 프로세스를 중지하는 것은 어렵습니다. 태양으로부터 오는 유해한 자외선으로부터 지구를 보호합니다. 1988년에 31개국 대표가 몬트리올 의정서 에 서명했습니다. 1998년까지 CFC 생산량을 절반으로 줄이기로 결의한 조약. 이 협정으로 EPF는 오존층에 대한 위협이라는 세계의 인식을 갖게 되었습니다. 발포 포장은 CFC의 3% 미만이 대기 중으로 방출되지만 EPF 감소는 CFC 수준을 낮추는 방법으로 목표로 삼고 있으며 CFC 없이 EPF를 생산하는 방법을 모색하는 새로운 기술이 번성했습니다. EPF는 또한 재활용되지 않기 때문에 환경 운동가들에 의해 선택되었습니다. 그러나 조치가 취해졌으며 향후 몇 년 동안 더 많은 비율의 EPF가 재활용될 수 있도록 프로그램이 진행 중입니다.

원자재

EPF의 주성분은 스티렌(C ₈ H <서브> 8 ), 석유 또는 천연 가스에서 유래하고 에틸렌(C ₂ H ₄ ) 및 벤젠(C ₆ H ₆ ); 벤젠은 석탄에서 생산되거나 석유에서 합성됩니다. 스티렌은 열 또는 과산화벤조일과 같은 개시제에 의해 중합됩니다. 중합을 멈추는 것은 어렵습니다. 그러나 산소, 황 또는 퀴놀과 같은 억제제를 사용할 수 있습니다. 저밀도의 느슨하게 부착된 세포 EPF를 형성하려면 먼저 폴리스티렌을 물에 현탁시켜 물방울을 형성해야 합니다. 그런 다음 특별히 침전된 황산바륨 또는 아크릴산과 메타크릴산과 그 에스테르의 공중합체(산과 알코올의 반응에 의해 형성된 유기 생성물)와 같은 현탁제를 물에 첨가합니다. 수많은 현탁제가 상업적으로 사용됩니다. 모두 유사하게 점성이 있으며 물방울이 서로 달라붙는 것을 방지하는 역할을 합니다. 현탁 중합에 의해 생성된 폴리스티렌의 비드는 작고 단단합니다. 팽창시키기 위해 프로판, 펜탄, 메틸렌 클로라이드 및 클로로플루오로카본을 포함한 특수 발포제가 사용됩니다.

디자인

모든 플라스틱과 마찬가지로 EPF는 분자량이 큰 폴리머 사슬로 구성됩니다. 분자의 무게는 질량과 동일하며 구성 원자의 질량을 더하여 계산할 수 있습니다. EPF는 기본 단위가 스티렌(C ₈ H <서브> 8 ) 분자 질량이 104이지만 플라스틱처럼 서로 연결되어 있을 때 질량은 200,000에서 300,000 사이일 수 있습니다(폴리머 사슬은 무한한 수의 분자 연결을 포함할 수 있으므로 말단 질량을 결정할 수 없음) .

제조
프로세스

첫째, 스티렌은 에틸렌과 벤젠을 결합하여 만듭니다. 다음으로, 스티렌은 현탁 중합되고 중합 개시제로 처리되어 함께 폴리스티렌으로 전환됩니다. 원하는 길이의 폴리머 사슬이 형성되면 기술자는 종결제와의 반응을 중지합니다. 그런 다음 생성된 폴리스티렌 비드를 세척하고 비정상적인 비드를 걸러냅니다. 소형 셀 EPF를 만들기 위해 작업자는 용융시키고 발포제를 첨가하고 비드를 압출합니다. 매끄러운 피부의 EPF를 생성하기 위해 비드를 미리 팽창시켜 밀도를 크게 줄입니다. 그런 다음 가열하고 팽창시킨 후 24시간 동안 방치하여 냉각하고 단단하게 만듭니다. 그런 다음 비드를 원하는 모양의 금형에 넣습니다.

스티렌 만들기

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1 폴리스티렌의 기본 단위는 2중 반응의 생성물인 스티렌입니다. 에틸렌과 벤젠은 염화알루미늄과 같은 촉매 존재하에서 에틸벤젠을 형성합니다(C ₈ H <서브> 8 ), 화씨 1,112-1,202도(섭씨 600-650도)에서 탈수소화(수소 제거)되어 스티렌(C ₈ H <서브> 8 ).

폴리스티렌 만들기

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2 폴리스티렌은 단량체(이 경우 스티렌)의 작은 방울이 물과 점액질 물질로 완전히 둘러싸여 있는 현탁 중합을 통해 스티렌으로부터 형성됩니다. 스티렌 구체를 지지하고 둘러싸는 현탁액제는 폴리스티렌의 균일한 방울을 생성합니다.

3 다음으로, 중합 개시제를 액적에 첨가하고, 이는 약 화씨 212도(섭씨 100도)의 열 복사에 의해 현탁됩니다. 이는 분자 결합에 사용할 수 있는 짝을 이루지 않은 전자를 포함하기 때문에 특히 다른 원자와 반응할 가능성이 있는 원자 그룹인 자유 라디칼을 생성합니다. 그런 다음 자유 라디칼이 무작위로 결합하여 폴리스티렌 사슬을 형성합니다.

4 중합 과정을 멈추기가 어렵습니다. 터미네이터는 적절한 시간에 종료하기 위해 프로세스에 도입됩니다. 가변적이지만 사슬 길이는 일정 범위 내에 있어야 합니다. 사슬이 지나치게 긴 폴리스티렌은 쉽게 녹지 않고 사슬이 짧은 폴리스티렌은 부서지기 때문입니다.

구슬 준비

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5 중합이 완료된 후 폴리스티렌 사슬로 구성된 비드로 구성된 혼합물을 냉각합니다. 그런 다음 이 구슬을 씻어내고 건조합니다. 과대 및 소형 비드를 걸러내는 메쉬를 통해 비드를 분류하여 균일한 비드 크기를 얻을 수 있습니다.

발포 폴리스티렌 폼 만들기

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6 먼저 적절한 밀도를 얻기 위해 폴리스티렌 비드를 팽창시켜야 합니다. 이 공정은 사전 팽창으로 알려져 있으며 증기(가장 일반적인 방법) 또는 뜨거운 공기(커피 컵에 사용되는 것과 같은 고밀도 폼의 경우)로 폴리스티렌을 가열합니다. 가열은 50~500갤런(189~1,892리터)을 담는 용기에서 수행됩니다. 사전 팽창 중에 비드가 서로 융합되는 것을 방지하기 위해 교반기가 사용됩니다. 팽창된 구슬은 팽창하지 않은 구슬보다 가볍기 때문에 용기의 공동 상단으로 강제로 밀어 넣어 배출됩니다. 이 공정은 비드의 밀도를 원래 값의 3%로 낮추고 상세한 성형에 탁월한 매끄러운 피부의 폐쇄 셀 EPF를 생성합니다.

7 다음으로 사전 팽창된 비드는 일반적으로 메쉬 저장 사일로에서 최소 24시간 동안 "에이징"됩니다. 이것은 공기가 비드로 확산되도록 하여 비드를 냉각시키고 더 단단하게 만듭니다.

성형

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8 숙성 후 비드를 원하는 모양의 몰드에 넣습니다. 그런 다음 저압 증기가 비드 내부와 비드 사이에 주입되어 한 번 더 팽창하고 함께 융합됩니다.

9 그런 다음 금형을 통해 물을 순환시키거나 외부에 물을 분사하여 금형을 냉각시킵니다. EPF는 좋은 단열재로 금형을 식히기 어렵습니다. 작은 금형을 사용하면 가열 및 냉각 시간을 모두 줄여 공정 속도를 높일 수 있습니다.

압출 발포 폴리스티렌 폼 만들기

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10 이 공정은 단열재로 사용되는 보드를 제조하는 데 사용할 수 있는 작은 셀 크기의 EPF를 생성합니다. 비드가 녹고 발포제가 첨가됩니다. 용융된 폴리스티렌은 고온 및 고압 조건에서 적절한 모양으로 압출됩니다.

절단, 접착 및 코팅

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11 EPF는 일반적으로 일반적인 wood-I 작업 도구로 절단되며 매끄럽게 절단하려면 항상 매우 날카롭게 유지해야 합니다. 그것은 또한 그것을 파괴하지 않는 접착제로 접착될 수 있습니다. 페놀, 에폭시, 레조르시놀 및 요소와 마찬가지로 수성 접착제가 좋습니다. EPF는 풍화 또는 EPF를 만드는 데는 여러 단계가 포함됩니다. 첫째, 폴리스티렌 비드는 사전 팽창을 거쳐 적절한 밀도를 제공하기 위해 팽창됩니다. 저장 사일로에서 숙성 후 비드를 금형에 공급하고 증기를 주입하면 비드가 다시 팽창하여 서로 융합됩니다. 냉각 후 성형된 EPF를 적절한 모양으로 절단하고 보호용 에폭시 또는 포인트로 코팅합니다. 태양광 및 가연성이므로 일반적으로 표면에 에폭시, 각종 도료, 불연성 물질 등의 도료를 도포합니다.

품질 관리

EPF는 일반적으로 플라스틱에 대해 미국재료시험협회(ASTM)에서 공식화한 수많은 테스트 및 표준을 따릅니다. 이러한 표준 중 일부는 특히 고유한 특성 때문에 EPF와 관련이 있지만 EPF에 적용된 일부 테스트는 다른 플라스틱의 특성을 측정하기 위해 개발되었습니다.

폴리스티렌 용융물은 원하는 특성을 가진 EPF를 생성하기에 충분히 점성이 있는지 여부를 결정하기 위해 테스트됩니다. 또한, 후속 폴리스티렌 비드는 균일한 크기여야 합니다. 완전한 구형 비드의 표준은 무중력 상태에서 우주 왕복선 실험에서 형성된 비드를 기반으로 합니다.

성형 EPF는 또한 강도, 가연성 및 밀도에 대해 테스트되며, 이는 부유 장치를 테스트할 때 특히 중요합니다. EPF의 탄력성은 재료에 진자를 두드리고 얼마나 멀리 반동하는지 관찰하여 측정됩니다. 그런 다음 EPF의 다공성을 테스트합니다. 이것은 제품의 표면적과 성형에 의해 절단된 셀의 수를 고려한 후 개방 및 폐쇄 셀의 수를 결정하는 것입니다. 그런 다음 투과성을 테스트합니다. 간단한 테스트는 EPF 조각을 물질에 넣은 다음 흡수되는 양을 측정하는 것입니다.

단열재로 EPF를 사용할 때마다 열전도율이 중요합니다. 셀룰러 플라스틱은 알려진 어떤 고체 물질보다 열전도율(열 전달)이 가장 낮습니다. 얇은 시트를 사용하는 경우에도 열전도율 테스트에 시간이 많이 소요될 정도로 단열이 잘됩니다. 얇은(0.79-2인치 또는 2-5센티미터) EPF 시트를 히터 플레이트 옆에 놓고 둘 다 열 손실을 최소화하기 위해 냉각 플레이트로 둘러싸여 있습니다. 그런 다음 제어된 소량의 열을 시트의 한 면에 가하고 몇 시간 후에 다른 면으로 침투하는 열의 양을 측정합니다. 물론 모든 데이터는 EPF 기준을 충족해야 합니다.

미래

EPF는 안전하게 소각할 수 있으며 절차가 올바르게 처리되면 이산화탄소와 물만 생성되지만 가능한 한 재활용하는 추세입니다. EPF는 콘크리트, 로 재활용될 수 있습니다. 계란 상자, 사무용품, 발포 단열재 및 쓰레기통. 불행히도 매년 버려지는 110억 킬로그램의 EPF 중 단지 1퍼센트만이 재활용되고 있습니다. Amoco, Dow 및 Mobil을 포함한 7개의 주요 기업으로 구성된 National Polystyrene Recycling Company는 패스트푸드 매장과 대학 식당과 같은 EPF의 큰 사용자에 초점을 맞춰 이를 1995년까지 25%로 늘릴 계획입니다. 1988년 몬트리올 의정서 이후 새로운 연구는 CFC 사용을 줄이는 방법과 오존층에 해를 끼치지 않는 대체 발포제 개발에 초점을 맞췄습니다. 최근 개발에는 가압 이산화탄소를 사용하여 더 작고 균일한 세포를 생산하는 공정이 포함됩니다. 이것은 차례로 이전의 거품보다 더 강하고 부드러운 거품을 제공합니다.