聚苯乙烯 （无色透明的热塑塑胶）

简介

最早由德国人爱德华·西蒙(Edward Simon)于1839年第一次从天然树脂中提取得到。它具有良好的透明性、强度和刚度，在太阳光作用下微变黄色。聚苯乙烯在常温下为固体，高于80℃时则转变为高弹性状态，玻璃化温度为90℃-100℃之间，聚苯乙烯由聚合物转变为粘流状态。聚苯乙烯有普通聚苯乙烯、发泡聚苯乙烯、高抗冲聚苯乙烯、间规聚苯乙烯和共聚物等多种类型。

聚苯乙烯用途广泛，可用于制作包装材料、家用电器、建筑材料、医疗器械和其他电子产品和玩具等。

一次性包装材料中很大一部分是发泡聚苯乙烯，由于聚苯乙烯具有耐老化、抗腐蚀等特点，不能自行降解而消失，从而给环境造成日益严重的污染。

历史沿革

1839年，德国人爱德华·西蒙(Edward Simon)从天然树脂中得到了一种挥发性的油，这种油受热或长时间放置可以固化，这就是聚苯乙烯，但当时认为是氧化物。20世纪30年代，为备战需要德国加快了工业生产苯乙烯和苯乙烯聚合物的开发工作，1933年法本公司开发了连续本体聚合生产PS的工业生产技术。

1934年，美国陶氏化学公司开始生产聚苯乙烯。1935年实现了工业化生产。1954年，陶氏化学公司开始生产聚苯乙烯泡沫塑料。聚苯乙烯的工业化生产给化工领域带来新的聚合材料。

在中国，聚苯乙烯自1959年开始工业化生产，在中国经济建设中发挥了重大的作用。中国生产聚苯乙烯的工厂有：兰州石油化学工业公司、上海高桥化工厂、北京燕山石油化学总公司向阳化工厂、南京塑料厂、岳阳化工总厂、武汉建汉化工厂和常州化工厂等厂。

性能

物理性能

无定形聚苯乙烯为无色透明的聚合物，透明度可达88％～92％，折射率为1．59～1．60，在太阳光作用下微变黄色。其密度为1.05g/cm。聚合物溶于芳香烃及酯类中。在常温下为固体，高于80℃时则转变为高弹性状态，在145～150℃时逐渐变为塑性，在250～300℃时聚合物发生解聚。聚苯乙烯在热塑性塑料中是典型的硬而脆塑料，拉伸时无屈服现象，拉伸、曲等常规力学性能皆高于聚烯烃，但韧性却明显低于聚烯烃，低温韧性更差。

电性能

聚苯乙烯的介电性能比聚四氟乙烯低些，但与聚乙烯类似。具有优异的介电、电绝缘性能，介电常数约为2.45～2.65，介质损耗因数为(1-4)

家用器具

大量PS用于冰箱。高抗冲、高光泽牌号树脂注塑制品用于冰箱隔板、冰箱盒、门把手装饰、果汁架和门上的装物架。具有良好低温韧性和抗环境应力开裂性的热成型挤出制品用作冰箱衬里。此外，PS还可用作空调部件、旋钮、洗衣机控制面板、吸尘器部件、手电筒、电动工具、混合器、时钟、定时器和头发吹风机部件等。

建筑材料

聚苯乙烯用作建筑材料时，主要用于屋顶和覆盖物的保温板。PS发泡保温产品的传统市场是冷藏车和冷藏库。PS在建筑市场的其他用途包括挤出的门、用于淋浴门的清洁透明的片材、隔板和排水管。注塑制品包括百叶窗、橱柜门、天窗和灯伞等。聚苯乙烯泡沫被用作建筑保温材料，可以减少建筑能耗。

医疗器械

聚苯乙烯被用于制作医用注射器、血液袋和其他医疗器械。包括医用试验室器皿，如盘、培养皿、微量滴定板、真空管、操作室滤毒罐、尿杯等，还包括一些非灌输型的医用品，如一次性用品和诊断设施。高抗冲聚苯乙烯还被用作药丸包装、药签杆和诊断工具包等。

其他

电子产品：聚苯乙烯被广泛用于电子产品包括装CD、VCD、DVD盘的透明盒，电视机外壳、电脑机箱等。

玩具：聚苯乙烯可以用于制作各种玩具，例如积木、拼图和玩具车等。

制鞋：均聚级聚苯乙烯可用于制鞋中的装饰材料，具有透明、易着色且色泽鲜艳等特点。

生产

本体聚合

生产方法比较简单，苯乙烯单体经热引发发生自由基聚合后，所获得的初期聚合物可溶于单体并形成粘稠聚合物溶液，经过预聚合，使转化率达30～35%后，再通过后阶段聚合，使转化率提高到接近96%左右，然后使熔融状聚苯乙烯直接挤塑成型、冷却和切粒，最后产品为粒状树脂。

由于本法不需要添加其它助剂，甚至连引发剂都不用，加热即可引发聚合，得到的聚苯乙烯纯度高，透明，生产过程中没有化学污水产生，生产工艺过程简单，这是本法的最主要优点。但是，由于苯乙烯在聚合过程中，生成的聚合物很粘稠，导热性差，温度分布不均，反应热不易带走，易产生气泡，甚至过热现象严重时还会发生爆聚。

悬浮聚合

悬浮法是PS的第二种基本工艺，其优点是聚合热容易除去，反应体系粘度在生产过程中变化不大，产品的粒度容易控制等。用悬浮工艺可以生产GPPS、HIPS和EPS，以及苯乙烯与丙烯腈和马来酸酐的共聚物等。悬浮法工艺的装置规模一般小于本体法工艺，为间歇操作。悬浮聚合用的苯乙烯单体纯度应在99.5%以上。

在悬浮聚合工艺中，苯乙烯、水、引发剂、悬浮剂和其他添加剂分批加入反应器，通过不断搅拌使物料分散，在一定的反应温度下单体聚合形成珠粒。在反应过程中，将戊烷加入珠粒，以便在模塑成型时可以发泡。

溶液聚合

在能够溶解单体、聚合物及其他添加剂的溶剂中，进行聚合。它比本体聚合时的粘度小得多，因此机械设备上的困难较少。缺点是聚合速度及聚合物的分子量比较低。基本上可采用与本体聚合相似的聚合设备。

乳液聚合

与悬浮聚合相似，也是使单体分散在水相中。不同的是它使用乳化剂，分散成稳定而很小的颗粒，使用的是水溶性引发剂。反应装置与悬浮聚合相似，但为了分离，反应后的聚合物必须进行盐析(加盐分离)，增加了除尽聚合物中杂质的困难。

加工方式

聚苯乙烯由于其成型加工性能好，可以采用多种方法加工成型，如注射、挤出、发泡、吹塑、热成型等。目前主要的成型方法是注射、挤出、发泡。

注塑：注射成型是聚苯乙烯最常用的成型方法。可采用普通注射机成型加工，成型时，根据制品的形状和壁厚不同，可在较宽的范围内调整熔体温度、注射压力、模具温度等参数。

挤出：可在普通的挤出机上加工，制品有管材、棒材、片材、薄膜等。挤出温度在150～200℃之间。

发泡：成型聚苯乙烯可通过发泡成型来制备包装材料及绝热保温材料，发泡方法有化学发泡法和物理发泡法两种。聚苯乙烯塑料泡沫制品也是其树脂的主要用途。含有发泡剂的聚苯乙烯树脂称为可发性聚苯乙烯（EPS）。可发性聚苯乙烯通过预发泡、熟化处理，最终经过模压成型制得聚苯乙烯泡沫制品，这种产品主要为厚板、包装箱等。将发泡剂与PS混合好挤出或在挤出熔融段将物理发泡剂注入PS熔体内，经挤出发泡、冷却定型即可得到片材、美术装饰板及发泡网等产品。

结构

聚苯乙烯分子由只含C、H两种元素的苯乙烯结构单元构成，结构单元头-尾相接，分子式可表示为下图所示。存在手性碳原子，因此，存在两种旋光异构体，可形成三种构型的聚苯乙烯。自由基聚合得到的聚苯乙烯基本为线型结构，存在少量支链，分子主链为碳-碳键，侧基为苯基，空间构型为无规立构，失去了分子链的立构规整性，因此，聚集态结构为无定形的非晶态结构。

环境危害

废水污染

发泡型聚苯乙烯必须用悬浮法生产，该生产装置的主要污染源是废水，其中聚合体洗涤工序和脱水机排出的洗涤废水水质组成复杂，含芳烃、硫酸、硫酸盐及悬浮物，处理难度大。

生产聚苯乙烯产生的废水可用泡沫气浮法及混凝沉淀法处理。

在泡沫气浮法中，可用装有多孔板的柱子来处理聚苯乙烯生产废水。不必再添加任何吸附剂，操作与pH无关，但泡沫体积与pH及温度有关。

混凝沉降法中，聚苯乙烯生产废水可用氯化镁在pH>10.5的情况下进行混凝沉降处理，也可用生化法处理，或用聚丙烯酰胺、水合氧化镁、氯化镁及水合石灰来处理。

白色污染

通用聚苯乙烯和抗冲击聚苯乙烯制品使用寿命长，废弃后可用常规的回收方法回收，故对环境的压力也较小。发泡聚苯乙烯片材及其热成型制品和可发性聚苯乙烯发泡制品多属于一次性包装，体积大，消耗量大，如不处理而直接废弃，会对环境造成极大的压力。人们常说的“白色污染”中很大一部分内容即是发泡聚苯乙烯，由于聚苯乙烯具有耐老化、抗腐蚀等特点，不能自行降解而消失，从而给环境造成日益严重的污染。

聚苯乙烯直接焚烧时产生的二次污染危害很大，会产生氯化氢，氰化氢，二噁英等有害气体，需要专门的焚烧装置，对排气处理设施要求很高。在回收处理上不适合采用一般废弃物一样集中堆放、掩埋或焚烧等处理方式。

回收

国内外对发泡聚丙乙烯的回收主要分为溶剂回收、热解回收单体等。溶剂回收利用发泡聚丙乙烯在有机溶剂中的溶解特性，使其体积减少100倍以上（而聚合物链不会降解），采用不同的溶剂溶解回收聚合物。热解回收单体是指在适当的热解条件下(一般在无氧和高温条件下)，将发泡聚丙乙烯转化为单环芳香化合物，以及少量的碳和气体。

溶剂回收：一般过程包括去除杂质（如阻燃剂、分散剂和其他塑料添加剂）、溶解（均相或非均相溶解）以及再沉淀或挥发溶剂，也可以通过把溶剂聚合到聚合物里进行回收。通常使用的有机溶剂一般为甲苯、二甲苯、苯、氯仿，但这些溶剂均为有毒试剂，含有高含量萜类及其衍生物的植物精油已越来越成为溶剂回收的首选。

裂解回收苯乙烯单体：热解又称裂解或者高温分解，是指聚合物材料在惰性气体条件下利用热量进行分解的过程。该过程通常在350～900 ℃的温度下进行，这个过程可以是热裂解，也可以是催化裂解。发泡聚丙乙烯的热解主要取决于反应温度、反应时间、反应器类型、催化剂的类型及存在方式等反应条件。使用合适的催化剂进行催化热解，除了能降低反应温度，还可以影响产物收率及其分布。

再利用

聚苯乙烯的回收利用除了传统的脱泡熔融挤出回收聚苯乙烯粒料、复合再利用、热分（裂）解回收苯乙烯和油类、利用废聚苯乙烯泡沫制成涂料、粘合剂类产品和直接再利用废聚苯乙烯泡沫外，又提出许多新的途径。

（1）生产阻燃剂。将回收的聚苯乙烯泡沫塑料清洗干燥后溶于有机溶剂，用液溴与其进行反应而制得阻燃剂溴化聚苯乙烯。

（2）制备抗冲塑料。用线性SBS或SBS/CaCO₃复合增韧剂对回收聚苯乙烯泡沫塑料进行增韧改性，制备抗冲塑料。

（3）制作轻质建筑保温材料。

（4）非溶剂热介质消泡回收工艺。将废聚苯乙烯泡沫塑料投入消泡罐中，加入加热到一定温度的热介质，使之与泡沫塑料接触并与正在消泡收缩的物料一起落入加热贮槽中，然后将已消泡的物料和所使用的介质分离即可得到已消泡的回收料。

（5）高回收率的裂解工艺。优化裂解工艺参数，使苯乙烯的得率提高到70%左右。

（6）溶剂法再生。将废聚苯乙烯泡沫塑料溶于脂肪烃或芳烃等有机溶剂中，静置并将沉淀的杂质去除后把溶液送入蒸发器，挥发的溶剂经过冷凝器冷凝回收后可循环利用，留下的聚苯乙烯物料经挤出造粒而得到回收。

（7）物理法再生。将聚苯乙烯泡沫塑料粉碎成颗粒料，掺入溶于有机溶剂的充填胶结料，然后在常温下重新模制成型。

生物降解

聚苯乙烯的生物降解是指微生物通过其胞外或胞内酶对塑料进行降解，并将塑料作为生长的基质。大多数生物降解研究都使用细菌。主要的原因是传统的微生物富集技术更加有利于细菌生长，因为真菌的生长速度较慢，通常需要协同代谢底物才能生长。然而，当真菌被分离时，菌丝生长允许基质快速定植。尽管在聚合物表面生长并不是真菌同化聚合物中所含碳的充分条件，但这种生长可以被认为是生物降解的必要条件，而且是一种容易、快速、清晰的测试来评估大分子材料对生物降解的响应。

微生物PS降解会在聚合物上形成生物膜，分泌降解酶，把复杂的聚合物分解成短链的低聚物、二聚体和单体的过程称为解聚。微生物附着在支撑材料上后，支撑介质的表面粗糙度提供了足够的附着位点，还可以保护微生物免受流体动力学产生的剪切力的影响。当微生物生活在PS材料作为唯一碳源的环境中，微生物菌株可利用这个碳源生长。如果这些菌株生活在含有PS材料等多种碳源的环境中，PS的生物降解率可能会显著降低。

对于聚苯乙烯这种难降解的塑料，科研人员们已经在积极的寻求新的降解途径，并且也有了一些成果。目前，已经有部分研究证明了纯微生物菌株和复杂微生物群落都可使PS降解，但是生物降解速度较慢。通过黄粉虫等昆虫对聚苯乙烯进行取食，然后既将取食过聚苯乙烯的昆虫作为饲料来饲养鱼类、鸟类等动物，又可通过其肠道分离降解PS的微生物进行研究。土壤、湿地、堆肥等对聚苯乙烯也能产生降解，但是离不开风吹日晒等因素的影响。

安全事宜

消防安全

聚苯乙烯可燃，具刺激性。如发生火灾，消防人员须佩戴防毒面具、穿全身消防服，在上风向灭火。使用的灭火剂一般选用雾状水、泡沫、干粉、二氧化碳、沙土。

健康危害

大鼠注射最小致死剂量(TDL_Lo）：200mg/kg，急性中毒与聚合物中未聚合的单体即苯乙烯的量有关，主要对呼吸道有较强刺激作用。

急救措施：如皮肤接触，可脱去污染的衣着，用流动清水冲洗；如眼睛接触，应提起眼脸，用流动清水或生理盐水冲洗。就医；如吸入，应脱离现场至空气新鲜处。如呼吸困难，给输氧。如误食，可饮足量温水，催吐。就医。

贮藏和运输

购存与运输时，不得直接在阳光下暴晒或雨淋，不得与污染物质一起堆放，更不能和易燃品堆放在一起。

法规限制

1988年，美国加利福尼亚州伯克利颁布了普通聚苯乙烯泡沫塑料禁令。2017年1月，美国旧金山通过了最严格的聚苯乙烯泡沫塑料（EPS）禁令。

中国在1999年左右禁止使用发泡聚苯乙烯外卖、外卖容器和餐具。

2021年9月8日，国家发展改革委生态环境部关于印发“十四五”塑料污染治理行动方案的通知，要求加强塑料污染全链条治理。