発泡スチロールフォーム（EPF）

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背景

発泡スチロール（EPF）は、その構造により特殊な特性を持つプラスチック材料です。低密度ポリスチレンの個々のセルで構成されたEPFは、非常に軽量で、水中で自重の何倍もの重量を支えることができます。そのセルは相互接続されていないため、熱はEPFを簡単に通過できず、優れた断熱材です。 EPFは、浮揚装置、断熱材、卵パック、肉や農産物のフラット、サンドイッチやハンバーガーの箱、コーヒーに使用されています。 カップ、プレート、ピーナッツパッケージ、ピクニッククーラー。一般に発泡スチロールと呼ばれていますが、発泡スチロールはダウケミカル社の商標であり、特にボートで主に使用される硬い青いEPFの一種を指します。

1800年代後半、フィルム、馬車のフロントガラス、および櫛などのさまざまな小物の製造に適した材料を探していた研究者は、天然物質と化学物質から初期のプラスチックを製造しました。これらのプラスチックを製造する際に、科学者は、2つ以上の小分子またはモノマーが結合して、しばしば非常に長い鎖を形成する、重合への自然な傾向を利用しました。結果として生じる分子鎖、またはポリマーは、元の分子からの繰り返し構造単位を含みます。最もよく知られている天然高分子の1つは、植物細胞壁、綿、紙、レーヨンの主成分を形成する一連のグルコース分子であるセルロースです。 ポリスチレンは、最もよく知られている合成ポリマーの1つです（その他には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステルなどがあります）。 EPFの原料となる液体炭化水素であるスチレンは、19世紀後半に、オリエンタルスイートガムと呼ばれる小アジアの木に由来する蘇合香から得られました。 19世紀初頭、完全に合成されたプラスチックは炭化水素から開発されました。その構造は重合を容易にします。 EPFの原料となるポリマーであるポリスチレンは、1938年に発明されました。

発泡プラスチックは、最初は誰もその利点を理解できなかったため、間接的に発見されました。最初の完全合成プラスチックであるベークライトを開発したアメリカの化学者、レオH.ベークランド博士は、無孔樹脂を作ろうとしながら、フェノール（酸性化合物）とホルムアルデヒド（無色のガス）を実験しました。彼の混合物の1つが予期せず泡立ち始めたとき、ベークランドはそれが利点を持っている可能性があることに気付く前に泡を制御しようとしました。 1944年にベークランドが亡くなった後、最初の発泡フェノールが開発され、すぐにエポキシ発泡が続きました。しばらくして、ポリスチレンが発泡しました。当初は、主にボート、救命具、ブイの断熱および浮揚装置に使用されていました。 EPFが紙、カポック（セイバの木の種を包む絹のような繊維から作られる）、およびその他の自然な包装保護に取って代わって初めて、この物質が今日のように人気を博しました。その親しみやすさは、ハンバーガーボックスやコーヒーカップでEPFを使用し始めたファーストフードおよびテイクアウト業界の巨大な成長によって促進されました。今日、EPFは簡単に最も認識されているプラ​​スチックです。

しかし、EPFの人気と独自の機能にもかかわらず、発泡に使用されるガス状メタン誘導体であるクロロフルオロカーボン（CFC）のために、最近攻撃を受けています。 CFCは不活性であり、放出時に人間や環境に無害です。しかし、最初に使用してからずっと後、科学者たちは、CFCが分解するときにオゾン層の破壊に寄与することに気づきました。オゾン層は大気の層です ポリスチレンは、懸濁重合と呼ばれるプロセスで製造されます。スチレンはエチレンとベンゼンを組み合わせて製造された後、水と粘液質物質と結合してポリスチレンの液滴を形成します。次に、液滴が加熱され、開始剤と組み合わされ、重合プロセスが開始されます。液滴は結合して鎖を形成し、それが次に結合してビーズになります。チェーンは使用するために特定の長さでなければならないため、ターミネータでプロセスを停止することは困難です。太陽からの有害な紫外線から地球を守ります。 1988年、31か国の代表者がモントリオール議定書に署名しました。 1998年までにCFCの生産量を半減させることを決議した条約。この合意により、EPFはオゾン層への脅威として世界の意識を高めました。発泡パッケージは大気中に放出されるCFCの3％未満の原因ですが、EPFの削減は、CFCレベルを下げる方法として目標とされており、CFCなしで​​EPFを製造する方法を模索する新技術が栄えています。 EPFはリサイクルされていないため、環境保護論者からも選ばれています。しかし、行動はとられており、EPFのより多くの割合が今後数年間でリサイクルされることを確認するためのプログラムが進行中です。

原材料

EPFの主成分はスチレン（C ₈ H ₈ ）、石油または天然ガスに由来し、エチレン（C ₂ H ₄ ）およびベンゼン（C ₆ H ₆ ）;ベンゼンは石炭から製造されるか、石油から合成されます。スチレンは、熱または過酸化ベンゾイルなどの開始剤のいずれかによって重合されます。重合を止めるのは難しい。ただし、酸素、硫黄、キノールなどの抑制剤を使用できます。 EPFが注目されている低密度の緩く付着した細胞を形成するには、最初にポリスチレンを水に懸濁して液滴を形成する必要があります。次に、特別に沈殿させた硫酸バリウムまたはアクリル酸とメタクリル酸の共重合体およびそれらのエステル（酸とアルコールの反応によって形成される有機生成物）などの懸濁剤を水に加える。数多くの懸濁剤が商業的に使用されています。すべてが同様に粘性であり、液滴を保持するのに役立ち、液滴が互いにくっつくのを防ぎます。懸濁重合によって生成されたポリスチレンのビーズは小さくて硬いです。それらを膨張させるために、プロパン、ペンタン、塩化メチレン、およびクロロフルオロカーボンを含む特別な発泡剤が使用されます。

デザイン

すべてのプラスチックと同様に、EPFは分子量の大きいポリマー鎖で構成されています。分子の重量はその質量に相当し、その構成原子の質量を加算することで計算できます。 EPFは、基本単位がスチレン（C ₈ ）である線状ポリマーです。 H ₈ ）そして分子量が104であるが、プラスチックのように結合されている場合、その質量は200,000〜300,000の範囲になります（ポリマー鎖には不特定の数の分子結合が含まれる可能性があるため、末端の質量を決定できません） 。

製造
プロセス

まず、スチレンはエチレンとベンゼンを組み合わせて作られます。次に、スチレンを懸濁重合し、重合開始剤で処理し、一緒にポリスチレンに変換します。所望の長さのポリマー鎖が形成されると、技術者は停止剤との反応を停止します。次に、得られたポリスチレンビーズを洗浄し、異常なビーズをろ過して取り除きます。スモールセルEPFを作成するには、作業員が溶かし、発泡剤を加えて、ビーズを押し出します。滑らかな肌のEPFを生成するために、ビーズを事前に膨張させ、密度を劇的に低下させます。次に、それらを加熱および膨張させてから、24時間放置して、冷却および硬化できるようにします。次に、ビーズは所望の形状の型に供給される。

スチレンの製造

• 1ポリスチレンの基本単位は、2回の反応の生成物であるスチレンです。塩化アルミニウムなどの触媒の存在下で、エチレンとベンゼンはエチルベンゼンを形成します（C ₈ H ₈ ）、次に華氏1,112〜1,202度（摂氏600〜650度）で脱水素（水素を除去）してスチレン（C ₈ ）を形成します。 H ₈ ）。

ポリスチレンの製造

• 2ポリスチレンは、懸濁重合によってスチレンから形成されます。これは、モノマー（この場合はスチレン）の小さな液滴が水と粘液性物質に完全に囲まれるプロセスです。スチレン小球を支えて取り囲むように、懸濁剤はポリスチレンの均一な液滴を生成します。
• 3次に、重合開始剤を液滴に添加します。液滴は、華氏約212度（摂氏100度）の熱放射によって浮遊します。これにより、フリーラジカルが発生します。フリーラジカルは、分子結合に利用できる不対電子を含んでいるため、他の原子と特に反応する可能性があります。次に、フリーラジカルがランダムに結合してポリスチレンの鎖を形成します。
• 4重合プロセスの停止は困難です。ターミネータがプロセスに導入され、適切なタイミングでプロセスが終了します。鎖長が長すぎるポリスチレンは溶けにくく、鎖が短いポリスチレンはもろくなるため、可変ではありますが、鎖長は一定の範囲内に収まる必要があります。

ビーズの準備

• 5重合が完了した後、ポリスチレン鎖で構成されたビーズからなる混合物を冷却します。次に、これらのビーズを洗い流して乾燥させます。均一なビーズサイズは、大きすぎるビーズと小さすぎるビーズをろ過するメッシュを通してビーズを分類することによって達成されます。

発泡スチロールの製造

• 6最初に、ポリスチレンのビーズを膨張させて適切な密度を達成する必要があります。このプロセスは予備膨張として知られており、ポリスチレンを蒸気（最も一般的な方法）または熱風（コーヒーカップに使用されるような高密度フォームの場合）のいずれかで加熱する必要があります。加熱は、50〜500ガロン（189〜1,892リットル）の容器内で行われます。予備膨張中、ビーズが融合しないように攪拌機を使用します。膨張したビーズは膨張していないビーズよりも軽いため、容器の空洞の上部に押し出されて排出されます。このプロセスにより、ビーズの密度が元の値の3％に低下し、詳細な成形に優れた滑らかな肌の独立気泡EPFが得られます。
• 7次に、事前に拡張されたビーズは通常、メッシュ保管サイロで少なくとも24時間「エージング」されます。これにより、空気がビーズに拡散し、ビーズを冷却して硬くします。

成形

• 8エージング後、ビーズは目的の形状の型に供給されます。次に、低圧蒸気がビーズ内およびビーズ間に注入され、ビーズをもう一度膨張させて融合させます。
• 9次に、金型に水を循環させるか、外側に水を噴霧することにより、金型を冷却します。 EPFは非常に優れた絶縁体であるため、金型を冷却するのは困難です。小さな金型を使用すると、加熱時間と冷却時間の両方を短縮でき、それによってプロセスをスピードアップできます。

押し出し、発泡スチロールの発泡体を作る

• 10このプロセスにより、絶縁に使用されるボードの製造に使用できる小さなセルサイズのEPFが得られます。ビーズを溶かし、発泡剤を加えます。次に、溶融ポリスチレンは、高温高圧の条件下で適切な形状に押し出されます。

切断、接着、コーティング

• 11 EPFは通常、一般的な木材Iの作業工具で切断されます。これは、スムーズに切断するために常に非常に鋭利に保つ必要があります。それを破壊しない接着剤で接着することもできます。フェノール、エポキシ、レゾルシノール、尿素と同様に、水性接着剤が適しています。 EPFは耐候性または耐候性ではありません EPFの作成には、いくつかの手順が含まれます。最初に、ポリスチレンビーズは予備膨張を受け、そこで適切な密度を与えるために膨張されます。貯蔵サイロで熟成させた後、ビーズを型に入れて蒸気を注入すると、ビーズが再び膨張し、融合します。冷却後、成形されたEPFは適切な形状にカットされ、保護エポキシまたはポイントでコーティングされます。日光にさらされ、可燃性であるため、一般的にエポキシ、各種塗料、不燃性物質などのコーティングが表面に塗布されます。

品質管理

EPFは、一般にプラスチックに関する米国材料試験協会（ASTM）によって策定された多数の試験および規格の対象となります。これらの規格のいくつかは、特にその独特の特性のためにEPFに関係していますが、EPFに適用されるテストのいくつかは、他のプラスチックの特性を測定するために開発されました。

ポリスチレン溶融物は、所望の特性を備えたEPFを生成するのに十分な粘性があるかどうかを判断するためにテストされます。さらに、後続のポリスチレンビーズは均一なサイズでなければなりません。完全な球形のビーズの標準は、無重力の条件下でのスペースシャトル実験で形成されたものに基づいています。

成形EPFは、強度、可燃性、密度についてもテストされます。これは、浮揚装置をテストするときに特に重要です。 EPFの弾力性は、振り子を材料にぶつけて、それがどれだけ跳ね返るかを観察することによって測定されます。次に、EPFの気孔率がテストされます。これには、製品の表面積と成形によって切断されたセルの数を考慮した後、開いたセルと閉じたセルの数を決定することが含まれます。次に、透過性がテストされます。簡単なテストでは、EPFを物質に入れ、吸収される量を測定します。

EPFを断熱に使用する場合は常に、熱伝導率が重要です。セルラープラスチックは、既知の固体材料の中で最も低い熱伝導率（熱伝達）を持っています。それらは非常によく断熱されているため、薄いシートを使用した場合でも、熱伝導率のテストには時間がかかります。 EPFの薄い（.79-2インチまたは2-5センチメートル）シートはヒータープレートの隣に配置され、熱損失を最小限に抑えるために両方がコールドプレートで囲まれています。次に、制御された少量の熱がシートの片面に加えられ、数時間後、反対側に浸透する熱量が測定されます。もちろん、すべてのデータはEPFの基準を満たしている必要があります。

未来

EPFは安全に焼却することができ、手順が正しく処理されれば二酸化炭素と水しか生成されませんが、可能な限りリサイクルする傾向があります。 EPFはコンクリートにリサイクルできます 卵パック、事務用品、発泡断熱材、ゴミ箱。残念ながら、毎年廃棄される110億キログラムのEPFのうちリサイクルされているのはわずか1パーセントです。 Amoco、Dow、Mobilを含む7つの主要企業で構成されるNational Polysteroid Recycling Companyは、ファーストフード店や大学の飲食店など、EPFの大口ユーザーに焦点を当てることにより、1995年までにこれを25％に増やす予定です。 1988年のモントリオール議定書以来、新しい研究はCFCの使用を減らす方法と、オゾン層に害を及ぼさない代替の発泡剤の開発に焦点を合わせてきました。最近の開発には、加圧二酸化炭素を使用して、より小さく、より均一なセルを生成するプロセスが含まれています。これらは順番に、以前のフォームよりも強くて滑らかなフォームを提供します。