发泡聚苯乙烯泡沫 (EPF)

背景

发泡聚苯乙烯泡沫 (EPF) 是一种塑料材料，由于其结构而具有特殊性能。 EPF 由低密度聚苯乙烯的单个细胞组成，非常轻，可以在水中支撑其自身重量的数倍。因为它的细胞没有相互连接，热量不容易通过 EPF，所以它是一个很好的绝缘体。 EPF 用于漂浮装置、绝缘材料、鸡蛋纸盒、肉类和农产品的平板、三明治和汉堡包、 咖啡 杯子、盘子、花生包装和野餐冷却器。虽然它通常被称为泡沫聚苯乙烯，但泡沫聚苯乙烯是陶氏化学公司的商标，特指一种主要用于划船的坚硬的蓝色 EPF。

在 1800 年代后期，研究人员在寻找适合制作薄膜、车厢挡风玻璃和各种小物品（如梳子）的材料，用天然物质和化学品生产出早期的塑料。在制造这些塑料时，科学家们利用了聚合的自然趋势，其中两个或多个小分子或单体结合形成通常很长的链。所得分子链或聚合物包含来自原始分子的重复结构单元。最熟悉的天然聚合物之一是纤维素，这是一串葡萄糖分子，构成植物细胞壁、棉花、纸和人造丝的主要成分。 聚苯乙烯是最著名的合成聚合物之一（其他包括聚乙烯、聚丙烯和聚酯）。苯乙烯是制造 EPF 的液态碳氢化合物，它在 19 世纪后期源自 storax balsam，它来自小亚细亚的一种称为东方甜树胶的树。十九世纪初，由碳氢化合物研制出全合成塑料，其结构有利于容易聚合。聚苯乙烯是制造 EPF 的聚合物，发明于 1938 年。

发泡塑料是间接被发现的，因为一开始没有人看到它们的优势。美国化学家 Leo H. Baekeland 博士开发了第一个完全合成的塑料胶木，他在尝试制造无孔树脂的同时，对苯酚（一种酸性化合物）和甲醛（一种无色气体）进行了实验。当他的一种混合物出乎意料地开始起泡时，贝克兰德试图控制泡沫，然后才意识到它可能具有优势。 1944 年 Baekeland 去世后，第一个泡沫酚醛树脂被开发出来，紧接着是环氧树脂泡沫。不久后，聚苯乙烯发泡。起初，它主要用于船只、救生器和浮标的绝缘和漂浮装置。直到 EPF 取代了纸、木棉（由包裹木棉树种子的柔滑纤维制成）和其他天然包装保护材料，这种物质才像今天一样流行。快餐和外卖行业的巨大发展进一步加深了对它的熟悉，这些行业开始在汉堡盒和咖啡杯中使用 EPF。今天，EPF 很容易成为最受认可的塑料。

然而，尽管 EPF 很受欢迎且具有独特的功能，但由于用于发泡的气态甲烷衍生物——氯氟烃 (CFC)，它最近受到了攻击。 CFC 是惰性的，释放后对人类和环境无害。然而，在首次使用后很久，科学家们意识到 CFC 在分解时会导致臭氧层消耗。臭氧层是大气层 聚苯乙烯采用悬浮聚合工艺制成。乙烯和苯化合生成苯乙烯后，与水和粘稠物质混合，形成聚苯乙烯液滴。接下来，液滴被加热并与引发剂结合，从而开始聚合过程。液滴结合形成链，链又结合成珠。用终止器停止过程很困难，因为链必须有一定的长度才能使用。保护地球免受来自太阳的有害紫外线的伤害。 1988年来自31个国家的代表签署了蒙特利尔议定书， 他们决定到 1998 年将 CFC 产量减半的条约。该协议使世界意识到 EPF 是对臭氧层的威胁。虽然泡沫包装造成的 CFC 不到 3% 被释放到大气中，但减少 EPF 已成为降低 CFC 水平的一种方法，并且探索生产不含 CFC 的 EPF 方法的新技术已经蓬勃发展。 EPF 也被环保主义者挑出来，因为它没有被回收。然而，已经采取了行动，并且正在实施计划以确保在未来几年内回收更多比例的 EPF。

原材料

EPF的主要成分是苯乙烯（C 8 H 8 ），它来源于石油或天然气，由乙烯（C 2 H 4 ）和苯（C 6 H 6 ）反应生成；苯由煤生产或由石油合成。苯乙烯通过加热或引发剂（如过氧化苯甲酰）聚合。停止聚合很困难；然而，可以使用抑制剂，例如氧、硫或醌醇。为了形成低密度、松散附着的细胞 EPF，聚苯乙烯必须首先悬浮在水中形成液滴。然后将悬浮剂，例如特别沉淀的硫酸钡或丙烯酸和甲基丙烯酸及其酯的共聚物（由酸和醇反应形成的有机产物）加入水中。商业上使用了许多悬浮剂。所有的都具有相似的粘性，用于支撑液滴，防止它们粘在一起。悬浮聚合生产的聚苯乙烯珠粒细小而坚硬。为了使它们膨胀，使用了特殊的发泡剂，包括丙烷、戊烷、二氯甲烷和氯氟烃。

设计

与所有塑料一样，EPF 由分子量很大的聚合物链组成。分子的重量等于其质量，可以通过将其组成原子的质量相加来计算。 EPF 是一种线性聚合物，其基本单元是苯乙烯 (C 8 H 8 )，其分子量为 104，但当它像在塑料中一样连接在一起时，其质量可以在 200,000 到 300,000 之间（因为聚合物链可以包含无限数量的分子链接，无法确定终端质量）。

制造
过程

首先，苯乙烯是由乙烯和苯结合制成的。接下来，苯乙烯进行悬浮聚合并用聚合引发剂处理，它们一起将其转化为聚苯乙烯。一旦形成所需长度的聚合物链，技术人员就会停止与终止剂的反应。然后清洁所得聚苯乙烯珠，并过滤掉异常珠。为了制造小孔 EPF，工人然后熔化、添加发泡剂并挤出珠粒。为了生产光滑表皮的 EPF，他们预先膨胀了珠子，大大降低了它们的密度。接下来，他们加热并膨胀它们，然后让它们静置 24 小时，以便它们可以冷却和硬化。然后将珠子送入所需形状的模具中。

制造苯乙烯

• 1 聚苯乙烯的基本单位是苯乙烯，它是二重反应的产物。乙烯和苯在氯化铝等催化剂存在下形成乙苯 (C 8 H 8 )，然后在 1,112-1,202 华氏度（600-650 摄氏度）下脱氢（除去氢）形成苯乙烯（ C 8 H 8 )。

制造聚苯乙烯

• 2 聚苯乙烯是由苯乙烯通过悬浮聚合形成的，在这个过程中，单体（在这种情况下为苯乙烯）的微小液滴完全被水和粘稠物质包围。悬浮剂支撑并包围苯乙烯小球，产生均匀的聚苯乙烯液滴。
• 3 接下来，将聚合引发剂添加到液滴中，液滴通过约 212 华氏度（100 摄氏度）的热辐射悬浮。这会产生自由基，这是一组特别容易与其他原子发生反应的原子，因为它们包含可用于分子键合的未配对电子。然后自由基随机结合形成聚苯乙烯链。
• 4 停止聚合过程很困难。终结者被引入到进程中以在适当的时间结束它。虽然可变，但链长必须在一定范围内，因为链过长的聚苯乙烯不易熔化，而短链的聚苯乙烯则脆。

准备珠子

• 5 聚合完成后，将混合物（由聚苯乙烯链构成的珠粒组成）冷却。然后将这些珠子洗掉并干燥。均匀的珠粒尺寸是通过筛网对珠粒进行分类来实现的，该筛网过滤掉过大和过小的珠粒。

制作发泡聚苯乙烯泡沫

• 6 首先，聚苯乙烯珠粒必须膨胀以达到适当的密度。这个过程被称为预膨胀，包括用蒸汽（最常见的方法）或热空气（对于高密度泡沫，例如用于咖啡杯的泡沫）加热聚苯乙烯；加热是在一个容量为 50 到 500 加仑（189 到 1,892 升）的容器中进行的。在预膨胀期间，使用搅拌器防止珠粒融合在一起。由于膨胀珠比未膨胀珠轻，因此它们被迫到达容器腔的顶部并排出。这个过程将珠子的密度降低到其原始值的 3%，并产生光滑的外皮、闭孔 EPF，非常适合精细成型。
• 7 接下来，预膨胀的珠子通常在网状存储筒仓中“老化”至少 24 小时。这允许空气扩散到珠子中，冷却它们并使它们变硬。

成型

• 8 老化后，将珠子送入所需形状的模具中。然后将低压蒸汽注入珠子内部和珠子之间，使它们再次膨胀并将它们融合在一起。
• 9 然后通过循环水或在外面喷水来冷却模具。 EPF 是一种很好的绝缘体，很难冷却模具。使用小模具可以减少加热和冷却时间，从而加快过程。

制造挤塑发泡聚苯乙烯泡沫

• 10 此过程产生具有小单元尺寸的 EPF，可用于制造用于绝缘的板。将珠粒熔化，并加入发泡剂。然后在高温高压条件下将熔融的聚苯乙烯挤出成合适的形状。

切割、粘合和涂层

• 11 EPF 通常使用普通的木工工具切割，必须始终保持非常锋利才能顺利切割。它也可以用不会破坏它的粘合剂粘合。水性粘合剂很好，酚醛树脂、环氧树脂、间苯二酚和尿素也是如此。 EPF 不耐风化或 制作EPF涉及多个步骤。首先，聚苯乙烯珠粒经过预膨胀，在此过程中它们被膨胀以赋予它们适当的密度。在储存筒仓中老化后，珠子被送入模具并注入蒸汽，这再次使珠子膨胀并将它们融合在一起。冷却后，将成型的 EPF 切割成适当的形状并涂上保护性环氧树脂或点。阳光下，易燃，所以一般在表面涂上环氧树脂、各种油漆和不易燃物质等涂料。

质量控制

EPF 受美国材料试验协会 (ASTM) 为一般塑料制定的众多测试和标准的约束。其中一些标准特别关注 EPF，因为它具有独特的特性，但一些应用于 EPF 的测试是为了测量其他塑料的特性而开发的。

测试聚苯乙烯熔体以确定其粘性是否足以生产具有所需性能的 EPF。此外，随后的聚苯乙烯珠粒必须具有均匀的尺寸。完美球形珠子的标准基于在零重力条件下航天飞机实验中形成的珠子。

模压 EPF 还经过强度、可燃性和密度测试，这在测试浮选装置时尤为重要。 EPF 的弹性是通过将钟摆敲击材料并观察其回弹的程度来衡量的。然后测试 EPF 的孔隙率。这涉及在考虑产品的表面积和通过成型切割的细胞数量后确定有多少开放和封闭的细胞。然后测试渗透性。一个简单的测试包括将一片 EPF 放入一种物质中，然后测量吸收了多少。

当 EPF 用于绝缘时，导热性很重要。在任何已知的固体材料中，多孔塑料具有最低的热导率（热传递）。它们的绝缘性非常好，以致于热导率的测试非常耗时，即使使用薄片也是如此。将 EPF 薄板（0.79-2 英寸或 2-5 厘米）放在加热板旁边，两者都用冷板封闭以最大限度地减少热量损失。然后将受控的少量热量施加到片材的一侧，几小时后，测量渗透到另一侧的热量。当然，所有数据都必须符合EPF的标准。

未来

EPF 可以安全地焚烧，如果处理得当，只会产生二氧化碳和水，但趋势是尽可能回收利用它。 EPF可以回收成混凝土， 鸡蛋纸盒、办公用品、泡沫绝缘材料和垃圾桶。不幸的是，每年扔掉的 110 亿公斤 EPF 中只有 1% 被回收利用。由 Amoco、Dow 和 Mobil 等七家大公司组成的国家聚苯乙烯回收公司计划通过专注于 EPF 的大用户——快餐店和大学餐厅，到 1995 年将这一比例提高到 25%。自 1988 年蒙特利尔议定书以来，新的研究集中在减少 CFC 使用的方法上，以及开发不会损害臭氧层的替代发泡剂。最近的发展包括使用加压二氧化碳生产更小、更均匀的细胞的过程。这些反过来提供了比早期泡沫更坚固和更光滑的泡沫。