Полистирол ударопрочный HIPS: свойства и применение

Полистирол ударопрочный (HIPS) - полный обзор

Что такое ударопрочный полистирол?

Ударопрочный полистирол (HIPS - High Impact Polystyrene, УПС) представляет собой аморфный термопластичный материал, являющийся привитым сополимером стирола с полибутадиеном или другими синтетическими каучуками, а также смесью сополимеров стирола. Это модифицированная форма обычного полистирола, которая благодаря добавлению каучука приобретает значительно более высокую ударную вязкость.

HIPS - это непрозрачный термопластик, состоящий из двухфазной системы: непрерывной фазы полистирола и диспергированных в ней частиц каучука. Такая структура обеспечивает уникальное сочетание жёсткости, присущей полистиролу, и ударной вязкости, характерной для каучука. Материал широко используется во многих отраслях благодаря лёгкости переработки, хорошему блеску и сбалансированным механическим свойствам.

Как производят HIPS?

Ударопрочный полистирол производится методом сополимеризации стирола с эластомером - обычно полибутадиеновым каучуком. Содержание каучука в материале составляет от 5 до 12%, а в некоторых марках - до 15%.

В настоящее время для производства HIPS используется преимущественно метод привитой полимеризации (графт-полимеризации), при котором эластомер (полибутадиеновый или бутадиен-стирольный каучук) растворяют в стироле, после чего проводят полимеризацию. Эластомер распределяется в массе полистирола в виде мельчайших частиц, образуя многофазную структуру. При этом образуется определённое количество привитого сополимера, который улучшает совместимость между фазами.

Ранее использовался метод механического смешения компонентов, однако он давал менее качественные и стабильные результаты. Современные технологии позволяют получать материал с различными свойствами за счёт варьирования типа и содержания эластомера, размера его частиц, молекулярной массы полистирола и введения различных добавок.

В состав HIPS могут вводиться различные добавки: антипирены для повышения огнестойкости (позволяют увеличить температуру стойкости при испытаниях раскалённой петлёй с 650 до 960 °C); светостабилизаторы для повышения стойкости к ультрафиолетовому излучению; антиадгезионные добавки для улучшения переработки.

Основные физико-механические характеристики

Ударопрочный полистирол обладает рядом уникальных свойств, определяющих его широкое применение.

Плотность составляет 1,03-1,06 г/см³. По данным различных источников, типичное значение - 1,04-1,05 г/см³.

Температура стеклования - 93-105 °C. Температура плавления (размягчения) - 95-105 °C. Температура размягчения по Вика - около 89-99 °C. Теплостойкость (температура деформации под нагрузкой 1,82 МПа) - 77-96 °C.

Прочность при растяжении (предел текучести) составляет 14,5-41,1 МПа, по другим данным - 20-38 МПа или 15-25 МПа. Прочность при изгибе - 35-62 МПа.

Ударная вязкость - ключевое преимущество HIPS. Ударная прочность по Изоду с надрезом достигает 15 кДж/м², по другим данным - 9,5 кДж/м². Ударная вязкость HIPS в несколько раз превышает показатели полистирола общего назначения (GPPS).

Модуль упругости при изгибе составляет 1103-2483 МПа, модуль упругости - не менее 1800 МПа.

Относительное удлинение при разрыве - 20-65%.

Твёрдость по Роквеллу - R 50-110.

Водопоглощение - низкое, менее 0,1%, по другим данным - 0,05-0,7%.

Усадка при литье - низкая, составляет 0,2-0,7%.

Электрические свойства - объёмное сопротивление - 10¹⁵ Ом·см, что несколько ниже, чем у GPPS, но сравнимо с показателями САН и АБС-пластиков.

Температурный диапазон эксплуатации - от -30 °C до +70 °C. Некоторые источники указывают диапазон до -40 °C.

Химическая стойкость - как и полистирол общего назначения, HIPS устойчив к гидролизу, разбавленным кислотам, щелочам, спиртам. Однако материал не стоек к ультрафиолетовому излучению и имеет ограниченную химическую стойкость.

Особенности переработки

HIPS легко перерабатывается всеми основными методами переработки термопластов.

Основные методы переработки:

• Литьё под давлением - основной метод для производства корпусных деталей, точных изделий. Рекомендуемая температура переработки - 180-230 °C.

• Экструзия - производство листов, профилей и плёнок. Материал имеет хорошую прочность расплава и широкое окно переработки.

• Термоформование - из экструдированных листов формуют различные изделия, включая упаковку для пищевых продуктов.

• Со-экструзия - совместная экструзия с полистиролом общего назначения.

Благодаря высокой размерной стабильности и низкой усадке, HIPS хорошо совместим с антиадгезионными добавками, что позволяет избежать дополнительных расходов на смазку пресс-форм. Низкая усадка позволяет использовать пресс-формы, разработанные под полистирол общего назначения.

Перед переработкой рекомендуется предварительная сушка материала при температуре 80 °C в течение 2-3 часов. Рекомендуемая температура формы - 30-60 °C.

Применение HIPS

Благодаря уникальному сочетанию ударной вязкости, жёсткости и лёгкости переработки, ударопрочный полистирол нашёл широчайшее применение в самых разных отраслях.

Электроника и бытовая техника - одно из ключевых применений. Из HIPS производят корпуса телевизоров и мониторов, принтеров и другой оргтехники, корпуса радиоприёмников, а также детали холодильников и другой бытовой техники.

Автомобильная промышленность - детали салона автомобилей, внутренние компоненты, обивка, декоративные элементы.

Упаковочная промышленность - пищевая упаковка, контейнеры, лотки, стаканчики для напитков, упаковка для молочных продуктов. HIPS широко используется в пищевой промышленности, особенно для производства стаканчиков для йогурта, благодаря своей прочности и безопасности.

Холодильная промышленность - внутренние шкафы холодильников, детали, работающие при низких температурах.

Товары народного потребления - игрушки, кухонные принадлежности, контейнеры для хранения, канцелярские принадлежности.

Строительство - сантехника, дренажные трубы, декоративные элементы.

Медицина - одноразовые медицинские изделия, упаковка.

Электротехника - клавиши выключателей, розетки и другие электроизделия (особенно в трудногорючих марках).

Специальные применения - HIPS используется в 3D-печати для прототипов и в качестве поддерживающего материала.

Сравнение HIPS с GPPS

Ударопрочный полистирол (HIPS) и полистирол общего назначения (GPPS) - два близких, но существенно различающихся материала.

Главное отличие - наличие каучуковой модификации в HIPS, которая обеспечивает значительно более высокую ударную вязкость. В то время как GPPS - прозрачный и хрупкий материал, HIPS - непрозрачный и ударопрочный.

По механическим свойствам - HIPS имеет более высокую ударную вязкость (в несколько раз выше, чем у GPPS), но уступает GPPS в прочности на растяжение (на 30% и более) и прочности на изгиб (на 20% и более).

По оптическим свойствам - GPPS прозрачен (светопропускание до 90%), HIPS - непрозрачен.

По электрическим свойствам - у HIPS они несколько хуже, чем у GPPS.

По переработке - оба материала легко перерабатываются, имеют низкую усадку и высокую размерную стабильность. Оба материала соответствуют требованиям FDA для контакта с пищевыми продуктами и имеют класс горючести UL 94HB.

По стоимости - HIPS несколько дороже GPPS, но дешевле АБС-пластика, что делает его экономичной альтернативой для многих применений.

Крупнейшие страны-производители HIPS

Мировой рынок ударопрочного полистирола характеризуется высокой концентрацией производства. Крупнейшие производители базируются в США, Китае, странах Западной Европы, Саудовской Аравии, Южной Корее и Тайване.

Крупнейшие компании-производители:

• INEOS Styrolution (Великобритания/Германия) - один из мировых лидеров

• Trinseo (США)

• Total (Франция/США)

• Americas Styrenics (AmSty) (США) - производит GPPS и HIPS

• Chimei Corporation (Тайвань)

• Chevron Phillips Chemical (США)

• LG Chem (Южная Корея)

• Toyo Styrene (Япония)

• PS Japan (Япония)

• Formosa Chemicals & Fibre Corporation (FCFC) (Тайвань)

• Sinopec (Китай)

• CNPC (Китай)

• TPSC Asia (Сингапур) - мощность 100 000 тонн в год

• Resirene (Мексика)

• Unigel (Бразилия)

Регионы производства:

• Северная Америка: США (AmSty, Trinseo, Chevron Phillips Chemical), Мексика (Resirene)

• Европа: Великобритания (INEOS), Франция (Total), Италия (Versalis)

• Азиатско-Тихоокеанский регион: Китай (Sinopec, CNPC), Тайвань (Chimei, FCFC), Япония (PS Japan, Toyo Styrene), Южная Корея (LG Chem), Сингапур (TPSC Asia), Индия

• Ближний Восток: Иран (Tabriz Petrochemical)

• Латинская Америка: Бразилия (Unigel)

В России ударопрочный полистирол производится компанией «СИБУР» (марки УПС 825ES, УПС 825). Также на рынке представлены импортные марки из Ирана (Tabriz Petrochemical), Италии (Versalis) и других стран.

Заключение

Ударопрочный полистирол - один из важнейших конструкционных термопластов, занимающий значительное место на мировом рынке полимеров. Благодаря уникальному сочетанию ударной вязкости, жёсткости, лёгкости переработки и доступной цены, он широко применяется в производстве корпусов бытовой техники, автомобильных деталей, холодильного оборудования, упаковки и товаров народного потребления. Хотя HIPS уступает GPPS в прозрачности и прочности на растяжение, а также имеет ограниченную стойкость к УФ-излучению, его высокая ударопрочность и морозостойкость делают его незаменимым материалом для многих отраслей промышленности. Понимание особенностей производства, свойств и мировых тенденций помогает участникам рынка принимать обоснованные решения при закупках этого сырья.