Polystyrol (Kurzzeichen PS), auch bekannt als Polystyren, ist ein amorpher oder teilkristalliner Thermoplast. Amorphes Polystyrol ist transparent und ein weit verbreiteter, kostengünstiger (Standard-) Kunststoff, der in vielen Bereichen des täglichen Lebens zum Einsatz kommt.
Expandiertes Polystyrol (EPS, vor allem bekannt unter dem Handelsnamen Styropor) und extrudiertes Polystyrol (XPS) werden als Schaumstoffe eingesetzt. Durch die Lichtbrechung an den Phasengrenzflächen der darin eingeschlossenen Gasblasen erscheinen sie weiß.
Geschichte Bereits 1839 beobachtete der Apotheker Eduard Simon in Berlin, dass Styrol über mehrere Monate zu einer gallertartigen dickflüssigen Masse verdickt, die er in Annahme einer Oxidation Styroloxyd nannte.E. Simon: Über den flüssigen Storax (Styryx liquidus). In: Liebigs Annalen der Chemie. Band 31 (1839), S. 265, doi:10.1002/jlac.18390310306; zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 87 (1969). Sechs Jahre später berichteten John Buddle 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, und benannten das Styroloxyd zu Metastyrol um.J. Blyth, A. W. Hofmann: Über das Styrol und einige seiner Zersetzungsprodukte. In: Liebigs Annalen der Chemie. Band 53 (1845), S. 289, doi:10.1002/jlac.18450530302, zitiert in Kunststoff-Handbuch Band V Polystyrol, S. 87 (1969). 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.
1931 wurde im I.G.-Farben-Werk in Ludwigshafen am Rhein mit der technischen Herstellung von Polystyrol begonnen.
1939 wurde Polystyrol beworben als „thermoplastischer Kunststoff von höchstem Isolationswert und geringstem Verlustfaktor, mit weitgehender Frequenzunabhängigkeit der dielektrischen Werte, besonders geeignet zur Verwendung in Hochfrequenzkabeln.“
Die Verwendung als Schaumkunststoff (Styropor) wurde 1949 von Fritz Stastny und seinem Chef Rudolf Gäth bei der BASF entwickelt, 1950 zum Patent angemeldet und 1952 auf der Kunststoffmesse in Düsseldorf vorgestellt. In den USA wurde es als Styrofoam von Ray McIntire bei Dow Chemical Company entwickelt (Patent 1944).
PS-Typen Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Polystyrol-Homopolymere.
KurzbezeichnungenNach DIN EN ISO 1043-1.Andere KurzbezeichnungenStandard-Polystyrol, Normal-PolystyrolStandard-PS, Normal-PS, GPPSPolystyrol syndiotaktischPS-S, PS-(M)sPSPolystyrolschaum und schäumbares PolystyrolPS-EEPS
GPPS leitet sich von der englischen Bezeichnung General Purpose Polystyrene ab, EPS von Expanded Polystyrene.
Diese Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Polystyrol-Copolymere:
Styrol-Butadien-Pfropfcopolymere SB Styrol-Butadien-Blockcopolymere SBS Styrol-Acrylnitril-Copolymere SAN Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere ABS vernetztes Polystyrol PS-X
Taktizität
Taktizität beschreibt bei Polystyrol, inwieweit die Phenylgruppe in der Polymerkette gleichmäßig ausgerichtet (angeordnet) ist. Die Taktizität hat starke Auswirkungen auf die Eigenschaften des Kunststoffs. Standard-Polystyrol ist ataktisch.
Datei:Polystyrene tacticity de.svg
Herstellung mini|150px|Strukturformel des Monomers Styrol Polystyrol wird durch die Polymerisation von Styrol gewonnen. Eine große Zahl von Polymeren wird durch Kettenpolymerisation hergestellt, u. a. vier der fünf mengenmäßig wichtigsten Kunststoffe, nämlich Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC) und eben auch Polystyrol (PS). Styrol weist außergewöhnliche Polymerisationseigenschaften auf, es kann radikalisch, kationisch, anionisch oder mittels Ziegler-Natta-Katalysatoren polymerisiert werden.
Es gibt gegenwärtig zwei Verfahren zur Styrolherstellung mit technischer Bedeutung, die Dehydrierung von Ethylbenzol und das SM/PO-Verfahren. Im Jahr 2012 betrug die jährliche Weltproduktion von Styrol etwa 20 Millionen Tonnen.
Der fertige Kunststoff kommt als Granulat in den Handel, um als extrudierbares Polystyrol (XPS) zu Plastikteilen oder Behältern (z. B. Lebensmittelverpackungen mit Alu-Heißsiegeldeckel) verarbeitet zu werden. Expandierbares Polystyrol (EPS) erhält während der Polymerisation zu festen Kügelchen Gaseinschlüsse. Die Kügelchen werden in Oktabins zum Verarbeiter transportiert. Werden die Kügelchen dort unter Wasserdampf etwas über 100 °C erwärmt, expandiert das Gas und der thermoplastische Kunststoff bläht sich auf. Die Ränder der Blasen verschmelzen. Es entsteht ein geformter Festkörper, je nach Form ist alles von einfachen Platten bis geometrisch komplizierten Formteilen möglich.
Zur Vermeidung von unbeabsichtigten Granulatverlusten wurde von der Kunststoffindustrie die Operation Clean Sweep (OCS) initiiert. An diesem Programm beteiligen sich weltweit 1200 Unternehmen aus der gesamten Wertschöpfungskette. In Deutschland wurde von der Industrievereinigung Kunststoffverpackungen die Initiative „Null Granulatverlust“ entwickelt, die das gleiche Ziel verfolgt. Auch der für Dämmstoffe zuständige Industrieverband Hartschaum und seine Mitgliedsunternehmen haben sich der Initiative angeschlossen.
Eigenschaften Physikalische Eigenschaften Unmodifiziertes Polystyrol hat eine niedrige Erweichungstemperatur, ist hart und spröde, sowie relativ durchlässig für Sauerstoff und Wasserdampf.
Die Dichte von kompaktem 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).
Expandiert hat Polystyrol eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Für graue Dämmplatten, die mit Graphit versetzt werden (z. B. Neopor), ist sie mit ≈ 0,032 W/(m·K) noch etwas niedriger als für weiße Dämmplatten (z. B. Styropor) mit 0,035 bis 0,040 W/(m·K).
Mechanische Eigenschaften mini|Glasklares Polystyrol zeigt Doppelbrechung. 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. Polystyrol ist in allen Farben einfärbbar. Massives Polystyrol neigt zur Spannungsrissbildung. Es ist wenig wärmebeständig, ab 55 °C setzt eine Beschleunigung der Alterung ein, weshalb es nur bis 70 °C einsetzbar ist. Die Glasübergangstemperatur liegt, je nach Verarbeitungsbedingungen, bei ca. 100 °C, die Schmelztemperatur beträgt bei isotaktischem Polystyrol 240 °C und bei syndiotaktischem 270 °C. Ataktisches Polystyrol liegt als amorpher Feststoff vor und besitzt keine Schmelztemperatur.Universität Bayreuth: Skript zum Praktikum Makromolekulare Chemie WS 06/07, Versuch: Koordinative Polymerisation. Ataktisches Polystyrol ist ein kostengünstiger Kunststoff mit großem Marktanteil, syndiotaktisches PS wird bislang nur für Spezialanwendungen verwendet, isotaktisches PS ist wegen seiner geringen Kristallisationsgeschwindigkeit industriell uninteressant.
Geschäumtes Polystyrol ist weiß und undurchsichtig. Es hat im Vergleich zu festem Polystyrol eine geringere mechanische Festigkeit, aber eine höhere Elastizität. mini|Festes Polystyrol
Chemische Eigenschaften Polystyrol ist gegen wässrige Laugen und Mineralsäuren gut beständig, gegenüber unpolaren Lösungsmitteln wie Benzin und längerkettigen Ketonen und Aldehyden nicht. Es ist UV-empfindlich.
mini|Ein Stück expandiertes Polystyrol (EPS) Polystyrol kann z. B. mit Dichlormethan angelöst und nahezu nahtlos verschweißt werden. Schon geringe Mengen von Lösemitteln wie Aceton, Essigsäureethylester oder Toluol genügen, um ein relativ großes Volumen Polystyrolschaum zu „zerfressen“, indem dabei das relativ massearme Schaumgerüst angegriffen wird und gleichzeitig das hochvolumige im Schaum eingeschlossene Treibgas freigesetzt wird.
Syndiotaktisches Polystyrol kristallisiert ausreichend schnell, es dient im typischen Spritzgussverfahren als Konstruktionswerkstoff, insbesondere wegen seiner extremen Chemikalien-, Heißwasser- und Kühlmittelbeständigkeit. Dadurch bietet es sich als Alternative zu etablierten technischen Kunststoffen an. Es wird unter Verwendung von Metallocen-Katalysatoren hergestellt.
Brandverhalten Polystyrol brennt mit leuchtend gelber, stark rußender Flamme. Das dabei freiwerdende Styrol hat einen blumig-süßlichen Geruch; in der Praxis besitzen die Dämpfe durch Zusätze jedoch oft einen stechenden Geruch.
Das Brandverhalten von expandiertem Polystyrol wird davon dominiert, dass es bei Temperaturen wenig über 100 °C erweicht und dann abtropft, wobei die Tropfen (auch aufgrund der geringen Masse und der damit zusammenhängenden schlechten Wärmeabfuhr) Feuer fangen können und dann brennend abtropfen. Das Material zersetzt sich oberhalb von etwa 300 °C unter anderem zu Styrol (Flammpunkt von ca. 31 °C). Gegebenenfalls werden auch Rückstände des Treibmittels Pentan (Flammpunkt ca. −50 °C) freigesetzt. Dies kann zum selbstständigen Abbrand und Abtropfen des Polystyrols führen.J. M. Davies: Lightweight Sandwich Construction, Blackwell Wissenschafts-Verlag, Berlin 2001, ISBN 0-632-04027-0, S. 35. Brennend abtropfendes Polystyrol kann zu einer Brandausbreitung durch Entzündung von darunter befindlicher Materialien führen.
Durch geeignete Flammschutzmittel kann die Entflammbarkeit von (expandiertem bzw. extrudiertem) Polystyrol reduziert werden. Früher wurden dafür oftmals polybromierte Diphenylether oder Hexabromcyclododecan als Additive verwendet, deren Verwendung im Rohstoff nicht mehr erlaubt ist, aber durch Recyklat in die Endprodukte noch eingetragen werden können. Heute wird meist ein bromiertes Styrol-Butadien-Copolymer eingesetzt. Diese Flammschutzmittel spalten bei der Verbrennung bromhaltige Gase ab, brechen dadurch die bei der Verbrennung eintretenden Radikal-Kettenreaktionen durch Abfangen des Sauerstoffs ab und hemmen so die Verbrennung; dabei können polybromierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane entstehen.
Das Brandverhalten von flammgeschütztem Polystyrol-Hartschaum für Bauanwendungen wird gemäß EN 13501-1 klassifiziert und in die europäische Klasse zum Brandverhalten E eingestuft. Im Einbauzustand ist das Brandverhalten vom konkreten Aufbau des Dämmsystems abhängig. Informationen zum Brandverhalten von Wärmedämmverbundsystemen und Kontroversen nach Medienberichten über Fassadenbrände siehe Wärmedämmverbundsystem#Brandverhalten.
Wetterfestigkeit Polystyrol ist zwar beständig gegen Wassereinwirkung, wird jedoch durch UV-Strahlung oxidativ abgebaut. Unter Lichteinwirkung versprödet es relativ schnell und neigt dann zur Spannungsrissbildung. Die Photooxidation von Polystyrol tritt bei Wellenlängen von = 253,7 nm (im UV-Bereich) auf, wobei die chromophoren Gruppen das Licht absorbieren und infolge einer Kettenreaktion zahlreiche Zersetzungsprodukte (Hydroperoxide, Hydroxyl- und Carbonylverbindungen, aliphatische und aromatische Ketone, Peroxyester, flüchtige Verbindungen wie Benzaldehyd und Acetophenon) entstehen. Strahlung mit Wellenlängen größer als 300 nm wird nicht absorbiert.Bénédicte Mailhot, Jean-Luc Gardette: Polystyrene Photooxidation, 1. Identification of the IR-Absorbing Photoproducts Formed at Short and Long Wavelengths. In: Macromolecules. 1992, 25 (16), S. 4119–4126, doi:10.1021/ma00042a012.
Wirkung auf Organismen und die Umwelt
Polystyrol ist physiologisch unbedenklich und für Lebensmittelverpackungen uneingeschränkt zugelassen. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass Zellkulturen durch eine Aufweichung des Materials unter Kulturbedingungen negativ beeinflusst werden können.Andrei P. Sommer, Mike Kh. Haddad, Hans-Joerg Fecht: It is Time for a Change: Petri Dishes Weaken Cells. In: Journal of Bionic Engineering. 9, 2012, S. 353–357, doi:10.1016/S1672-6529(11)60125-X.