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Articulo de referencia

Poliestireno

8 H 8 ) n \n| MolarMass =\n| Appearance =\n| Odor =\n| Density = 0.96–1.05 g/cm 3 \n| MeltingPt= ~\n| MeltingPtC = 240\n| MeltingPt_ref = {{cite book|author=Wunsch, J.R. |t...

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Envases de poliestireno expandido
Un envase de yogur de poliestireno
Base de un vaso termoformado ; los detalles finos, como el símbolo de materiales en contacto con alimentos para el vidrio y el tenedor , y el símbolo del código de identificación de la resina, se moldean fácilmente.

El poliestireno ( PS ) / ˌ p ɒ l i ˈ s t aɪ r iː n / es un polímero sintético hecho de monómeros del hidrocarburo aromático estireno . [ 5 ] El poliestireno puede ser sólido o espumado . El poliestireno de uso general es transparente, duro y quebradizo. Por peso, se considera una resina relativamente barata y una barrera bastante pobre al oxígeno y al vapor de agua, con un punto de fusión relativamente bajo. [ 6 ] [ 7 ] El poliestireno es uno de los plásticos más utilizados , con una escala de producción de varios millones de toneladas por año. [ 8 ] El poliestireno es naturalmente transparente a la luz visible, pero se puede colorear con colorantes. Sus usos incluyen embalaje protector (como cacahuetes de embalaje y cajas de discos ópticos ), contenedores, tapas, botellas, bandejas, vasos, cubiertos desechables , [ 6 ] maquetas y (como material alternativo al vinilo ) discos de vinilo . [ 9 ]

Como polímero termoplástico , el poliestireno se encuentra en estado sólido (vítreo) a temperatura ambiente, pero fluye si se calienta por encima de unos 100  °C, su temperatura de transición vítrea . Vuelve a ser rígido al enfriarse. Este comportamiento térmico, que puede controlarse mediante reticulación fotoinducida, se aprovecha para la extrusión (como en el caso del poliestireno expandido ) y también para el moldeo y el termoformado al vacío , ya que el material puede moldearse con gran precisión. [ 10 ]

Según las normas ASTM , el poliestireno se considera no biodegradable . Se acumula como basura en el medio ambiente exterior , particularmente a lo largo de las costas y vías fluviales, especialmente en forma de espuma, y ​​en los océanos. [ 11 ]

Historia

El poliestireno fue descubierto en 1839 por Eduard Simon , un boticario de Berlín. [ 12 ] A partir del estoraque , la resina del árbol Liquidambar orientalis , destiló una sustancia oleosa que denominó estireno . Varios días después, Simon descubrió que se había espesado formando una gelatina, ahora conocida como polímero , a la que llamó óxido de estireno ("Styroloxyd") porque supuso que era el resultado de la oxidación ( el óxido de estireno es un compuesto distinto). En 1845, el químico jamaicano John Buddle Blyth y el químico alemán August Wilhelm von Hofmann demostraron que la misma transformación del estireno tenía lugar en ausencia de oxígeno. [ 13 ] Llamaron al producto "metastireno"; el análisis mostró que era químicamente idéntico al Styroloxyd de Simon. [ 14 ] En 1866, Marcellin Berthelot identificó correctamente la formación de metaestireno/estireno-óxido a partir de estireno como un proceso de polimerización. [ 15 ] Aproximadamente 80 años después, se comprendió que el calentamiento del estireno inicia una reacción en cadena que produce macromoléculas , siguiendo la tesis del químico orgánico alemán Hermann Staudinger (1881-1965). Esto finalmente llevó a que la sustancia recibiera su nombre actual: poliestireno.

La empresa IG Farben comenzó a fabricar poliestireno en Ludwigshafen alrededor de 1931, con la esperanza de que fuera un sustituto adecuado del zinc fundido a presión en muchas aplicaciones. El éxito se logró cuando desarrollaron un reactor que extruía el poliestireno a través de un tubo calentado y una cuchilla, produciendo poliestireno en forma de gránulos. [ 16 ]

Ray McIntire (1918–1996), ingeniero químico de Dow Chemical, redescubrió un proceso patentado por primera vez a principios de la década de 1930 por el inventor sueco Carl Munters . [ 17 ] Según el Science History Institute, "Dow compró los derechos del método de Munters y comenzó a producir un material ligero, resistente al agua y flotante que parecía perfectamente adecuado para la construcción de muelles y embarcaciones, así como para el aislamiento de viviendas, oficinas y gallineros". [ 18 ] En 1944, se patentó el Styrofoam . [ 19 ]

Antes de 1949, el ingeniero químico Fritz Stastny (1908-1985) desarrolló perlas de poliestireno preexpandidas mediante la incorporación de hidrocarburos alifáticos, como el pentano. Estas perlas son la materia prima para moldear piezas o extruir láminas. BASF y Stastny solicitaron una patente, que se concedió en 1949. El proceso de moldeo se presentó en la Kunststoff Messe de 1952 en Düsseldorf. Los productos recibieron el nombre de Styropor. [ 20 ]

La estructura cristalina del poliestireno isotáctico fue descrita por Giulio Natta . [ 21 ]

En 1954, la empresa Koppers Company de Pittsburgh , Pensilvania, desarrolló espuma de poliestireno expandido (EPS) bajo la marca comercial Dylite. [ 22 ] En 1960, Dart Container , el mayor fabricante de vasos de espuma, envió su primer pedido. [ 23 ]

Estructura y producción

El poliestireno es inflamable y, al quemarse, libera grandes cantidades de humo negro .
El poliestireno expandido es ligero. Este es un hombre en Guiyang , China, cargando una gran cantidad de embalajes de poliestireno expandido.

En términos químicos , el poliestireno es un hidrocarburo de cadena larga en el que los centros de carbono alternos están unidos a grupos fenilo (un derivado del benceno ). La fórmula química del poliestireno es (C8 H8 )n ; contiene loselementos químicoscarbonoehidrógeno.

Las propiedades del material están determinadas por las atracciones de van der Waals de corto alcance entre las cadenas poliméricas. Dado que las moléculas constan de miles de átomos, la fuerza de atracción acumulativa entre ellas es grande. Al calentarse (o deformarse rápidamente, debido a una combinación de propiedades viscoelásticas y de aislamiento térmico), las cadenas pueden adquirir un mayor grado de conformación y deslizarse unas sobre otras. Esta debilidad intermolecular (frente a la alta resistencia intramolecular debida a la cadena principal de hidrocarburos) confiere flexibilidad y elasticidad. La capacidad del sistema para deformarse fácilmente por encima de su temperatura de transición vítrea permite que el poliestireno (y los polímeros termoplásticos en general) se ablanden y moldeen fácilmente al calentarse. El poliestireno extruido es casi tan resistente como el aluminio puro , pero mucho más flexible y mucho menos denso (1,05  g/cm³ para el poliestireno frente a 2,70  g/cm³ para el aluminio). [ 24 ]

Producción

El poliestireno es un polímero de adición que se forma cuando los monómeros de estireno se polimerizan (interconectan). Durante la polimerización, se rompe el enlace π carbono-carbono del grupo vinilo y se forma un nuevo enlace σ carbono-carbono , que se une al carbono de otro monómero de estireno en la cadena. Dado que en su preparación se utiliza un solo tipo de monómero, se trata de un homopolímero. El enlace σ recién formado es más fuerte que el enlace π que se rompió, por lo que resulta difícil despolimerizar el poliestireno. Una cadena de poliestireno suele estar compuesta por unos pocos miles de monómeros, lo que da como resultado una masa molar de entre 100 000 y 400 000  g/mol.

Cada átomo de carbono de la cadena principal tiene geometría tetraédrica , y aquellos carbonos que tienen un grupo fenilo (anillo de benceno) unido son estereogénicos . Si la cadena principal se dispusiera como una cadena plana alargada en zigzag, cada grupo fenilo estaría inclinado hacia adelante o hacia atrás con respecto al plano de la cadena.

La relación estereoquímica relativa de los grupos fenilo consecutivos determina la tacticidad , que afecta a varias propiedades físicas del material. [ 25 ]

Táctica

En el poliestireno, la tacticidad describe el grado de alineación uniforme (posición en un mismo lado) del grupo fenilo en la cadena polimérica. La tacticidad influye notablemente en las propiedades del plástico. El poliestireno estándar es atáctico . El diastereómero en el que todos los grupos fenilo se encuentran en el mismo lado se denomina poliestireno isotáctico , el cual no se produce comercialmente.

poliestireno atáctico

La única forma de poliestireno comercialmente importante es la atáctica , en la que los grupos fenilo se distribuyen aleatoriamente a ambos lados de la cadena polimérica. Esta disposición aleatoria impide que las cadenas se alineen con la regularidad suficiente para alcanzar la cristalinidad . El plástico tiene una temperatura de transición vítrea T g de ≈90  °C. La polimerización se inicia con radicales libres . [ 8 ]

poliestireno sindiotáctico

La polimerización de Ziegler-Natta puede producir un poliestireno sindiotáctico ordenado con los grupos fenilo situados en lados alternos de la cadena principal de hidrocarburos. Esta forma es altamente cristalina con una T m (punto de fusión) de 270 °C (518 °F) . La resina de poliestireno sindiotáctico se produce actualmente bajo la marca XAREC por la corporación Idemitsu, que utiliza un catalizador metalocénico para la reacción de polimerización. [ 26 ]  

Degradación

El poliestireno es relativamente inerte químicamente. Si bien es impermeable y resistente a la degradación por muchos ácidos y bases, es fácilmente atacado por muchos disolventes orgánicos (por ejemplo, se disuelve rápidamente al exponerse a la acetona ), disolventes clorados y disolventes de hidrocarburos aromáticos. Debido a su resistencia e inercia, se utiliza para fabricar muchos objetos comerciales. Al igual que otros compuestos orgánicos, el poliestireno arde produciendo dióxido de carbono y vapor de agua , además de otros subproductos de degradación térmica. El poliestireno, al ser un hidrocarburo aromático , generalmente se quema de forma incompleta, como lo indica la llama humeante .

El proceso de despolimerización del poliestireno en su monómero , el estireno , se denomina pirólisis . Este proceso implica el uso de altas temperaturas y presiones para romper los enlaces químicos entre cada compuesto de estireno. La pirólisis suele alcanzar los 430 °C (806 °F) . [ 27 ] El elevado coste energético de este proceso ha dificultado el reciclaje comercial del poliestireno para convertirlo de nuevo en monómero de estireno.  

Organismos

El poliestireno generalmente se considera no biodegradable. Sin embargo, ciertos organismos son capaces de degradarlo, aunque muy lentamente. [ 28 ]

En 2015, los investigadores descubrieron que los gusanos de la harina , la forma larvaria del escarabajo tenebrio Tenebrio molitor , podían digerir y subsistir saludablemente con una dieta de EPS. [ 29 ] [ 30 ] Aproximadamente 100 gusanos de la harina podían consumir entre 34 miligramos (0,52 g) y 39 miligramos (0,60 g) de esta espuma blanca al día. Se comprobó que las heces de los gusanos de la harina eran seguras para su uso como tierra para cultivos. [ 29 ]  

En 2016, también se informó que los gusanos gigantes ( Zophobas morio ) pueden comer poliestireno expandido (EPS). [ 31 ] Un grupo de estudiantes de secundaria de la Universidad Ateneo de Manila descubrió que, en comparación con las larvas de Tenebrio molitor , las larvas de Zophobas morio pueden consumir mayores cantidades de EPS durante períodos de tiempo más prolongados. [ 32 ]

En 2022, los científicos identificaron varios géneros bacterianos, incluidos Pseudomonas , Rhodococcus y Corynebacterium , en el intestino de los gusanos gigantes que contienen enzimas codificadas asociadas con la degradación del poliestireno y el producto de degradación estireno. [ 33 ]

La bacteria Pseudomonas putida es capaz de convertir el aceite de estireno en el plástico biodegradable PHA . [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] Esto podría ser útil algún día para la eliminación eficaz de la espuma de poliestireno. Cabe destacar que el poliestireno debe someterse a pirólisis para transformarse en aceite de estireno.

Formularios producidos

El poliestireno se suele moldear por inyección , termoformar al vacío o extruir, mientras que el poliestireno expandido se extruye o moldea mediante un proceso especial. También se producen copolímeros de poliestireno ; estos contienen uno o más monómeros además del estireno. Asimismo, se han producido compuestos de poliestireno expandido con celulosa [ 40 ] [ 41 ] y almidón [ 42 ] . El poliestireno se utiliza en algunos explosivos aglutinados con polímeros (PBX).

Láminas o poliestireno moldeado

Caja de CD fabricada con poliestireno de uso general (GPPS) y poliestireno de alto impacto (HIPS).
Maquinilla de afeitar desechable de poliestireno

El poliestireno (PS) se utiliza para fabricar cubiertos y vajilla desechables de plástico , estuches para CD , carcasas de detectores de humo , marcos para matrículas , kits de montaje de maquetas de plástico y muchos otros objetos donde se requiere un plástico rígido y económico. Los métodos de producción incluyen el termoformado ( formado al vacío ) y el moldeo por inyección .

Las placas de Petri de poliestireno y otros recipientes de laboratorio , como tubos de ensayo y microplacas, desempeñan un papel importante en la investigación y la ciencia biomédicas. Para estos usos, los artículos casi siempre se fabrican mediante moldeo por inyección y, a menudo, se esterilizan después del moldeo, ya sea por irradiación o por tratamiento con óxido de etileno . La modificación de la superficie posterior al moldeo, generalmente con plasmas ricos en oxígeno , se realiza con frecuencia para introducir grupos polares. Gran parte de la investigación biomédica moderna se basa en el uso de estos productos; por lo tanto, desempeñan un papel fundamental en la investigación farmacéutica. [ 43 ]

Las láminas delgadas de poliestireno se utilizan en los condensadores de película de poliestireno porque forman un dieléctrico muy estable , pero su uso ha caído en gran medida en desuso en favor del poliéster .

Espumas

Primer plano de un envase de poliestireno expandido.

Las espumas de poliestireno contienen entre un 95 % y un 98 % de aire. [ 44 ] [ 45 ] Las espumas de poliestireno son buenos aislantes térmicos y, por lo tanto, se utilizan con frecuencia como materiales de aislamiento en la construcción, por ejemplo, en el aislamiento de encofrados de hormigón y en sistemas de construcción con paneles estructurales aislados. La espuma de poliestireno gris, que incorpora grafito , posee propiedades aislantes superiores. [ 46 ]

Carl Munters y John Gudbrand Tandberg, de Suecia, recibieron una patente estadounidense para la espuma de poliestireno como producto aislante en 1935 (patente estadounidense número 2.023.204). [ 47 ]

Las espumas de poliestireno también presentan buenas propiedades de amortiguación, por lo que se utilizan ampliamente en embalajes. La marca registrada Styrofoam de Dow Chemical Company se usa informalmente (principalmente en EE. UU. y Canadá) para todos los productos de poliestireno expandido, aunque estrictamente hablando, solo debería usarse para las espumas de poliestireno extruido de celda cerrada fabricadas por Dow Chemicals.

Las espumas también se utilizan para estructuras arquitectónicas que no soportan peso (como pilares ornamentales ).

Poliestireno expandido (EPS)

Láminas de poliestireno expandido (EPS) hechas de bolitas de poliestireno expandido (EPS). La de la izquierda proviene de una caja de embalaje. La de la derecha se usa para manualidades. Tiene una textura similar al corcho y al papel, y se utiliza para decoración de escenarios, maquetas de exposiciones y, a veces, como una alternativa económica a los tallos de shola ( Aeschynomene aspera ) para trabajos artísticos.
Sección transversal de un bloque de poliestireno expandido bajo un microscopio óptico ( campo claro , objetivo = 10×, ocular = 15×). Las esferas más grandes son perlas de poliestireno expandido que se comprimieron y fusionaron. El orificio brillante en forma de estrella en el centro de la imagen es un espacio de aire entre las perlas, donde los bordes de estas no se han fusionado por completo. Cada perla está formada por burbujas de poliestireno de paredes delgadas rellenas de aire.

El poliestireno expandido (EPS) (comúnmente llamado "espuma de poliestireno" en Norteamérica) es una espuma de celda cerrada, rígida y resistente, con una densidad normal que oscila entre 11 y 32  kg/m³ . [ 48 ] Suele ser blanco y está compuesto por perlas de poliestireno preexpandidas. El proceso de fabricación del EPS comienza convencionalmente con la creación de pequeñas perlas de poliestireno. Los monómeros de estireno (y potencialmente otros aditivos) se suspenden en agua, donde experimentan polimerización por radicales libres. Las perlas de poliestireno formadas mediante este mecanismo pueden tener un diámetro promedio de alrededor de 200  μm. A continuación, las perlas se impregnan con un agente espumante, un material que permite su expansión. El pentano se utiliza comúnmente como agente espumante. Las perlas se añaden a un reactor con agitación continua junto con el agente espumante, entre otros aditivos, y este penetra en los poros de cada perla. Finalmente, las perlas se expanden mediante vapor. [ 49 ]

El EPS se utiliza para envases de alimentos , láminas moldeadas para aislamiento de edificios y material de embalaje, ya sea como bloques sólidos formados para alojar el artículo que se protege o como relleno suelto tipo "cacahuetes" que amortiguan artículos frágiles dentro de cajas [ 50 ] . El EPS también se ha utilizado ampliamente en aplicaciones de seguridad vial y automotriz, como cascos de motocicleta y barreras de carretera en pistas de carreras de automóviles . [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]

Una parte significativa de todos los productos de EPS se fabrican mediante moldeo por inyección. Los moldes suelen fabricarse con aceros (que pueden ser endurecidos y chapados) y aleaciones de aluminio. Los moldes se controlan mediante un sistema de canales divididos por compuertas y bebederos. [ 54 ] En el mundo angloparlante , el EPS se conoce coloquialmente como "espuma de poliestireno" , una denominación genérica de la marca de poliestireno extruido de Dow Chemical . [ 55 ]

EPS en la construcción de edificios

Las láminas de EPS se suelen empaquetar como paneles rígidos (en Europa, el tamaño común es de 100  cm x 50  cm, aunque, dependiendo del tipo de conexión y las técnicas de pegado, suele ser de 99,5  cm x 49,5  cm o 98  cm x 48  cm; menos común es de 120 x 60  cm; en Estados Unidos, el tamaño es de 4 x 8 pies (1,2 x 2,4 m) o 2 x 8 pies (0,61 x 2,44 m) ). Los espesores comunes van de 10 mm a 500 mm. A menudo se añaden muchas personalizaciones, aditivos y finas capas externas adicionales en uno o ambos lados para mejorar diversas propiedades. Un ejemplo de esto es la laminación con tablero de cemento para formar un panel estructural aislado .      

La conductividad térmica se mide según la norma EN 12667. Los valores típicos oscilan entre 0,032 y 0,038  W/(m⋅K) dependiendo de la densidad del panel de EPS. El valor de 0,038  W/(m⋅K) se obtuvo a 15  kg/m³ mientras que el valor de 0,032  W/(m⋅K) se obtuvo a 40  kg/m³ según la ficha técnica del K-710 de StyroChem Finland. La adición de cargas (grafito, aluminio o carbono) ha permitido que la conductividad térmica del EPS alcance valores cercanos a 0,030–0,034  W/(m⋅K) (tan bajos como 0,029  W/(m⋅K)) y, por lo tanto, tiene un color gris/negro que lo distingue del EPS estándar. Varios fabricantes de EPS han producido una variedad de estos EPS de mayor resistencia térmica para el uso de este producto en el Reino Unido y la UE.

La resistencia a la difusión del vapor de agua ( μ ) del EPS es de alrededor de 30–70.

El ICC-ES ( Servicio de Evaluación del Consejo Internacional de Códigos ) exige que los paneles de EPS utilizados en la construcción cumplan con los requisitos de la norma ASTM C578. Uno de estos requisitos es que el índice de oxígeno límite del EPS, medido según la norma ASTM D2863, sea superior al 24  % en volumen. El EPS típico tiene un índice de oxígeno de alrededor del 18  % en volumen; por lo tanto, se añade un retardante de llama al estireno o poliestireno durante su fabricación.

Los paneles que contienen retardante de llama, al ser probados en un túnel utilizando el método de prueba UL 723 o ASTM E84, tendrán un índice de propagación de llama inferior a 25 y un índice de desarrollo de humo inferior a 450. ICC-ES exige el uso de una barrera térmica de 15 minutos cuando se utilizan paneles de EPS en el interior de un edificio.

Según la organización EPS-IA ICF, la densidad típica del EPS utilizado para encofrados de hormigón aislados ( hormigón de poliestireno expandido ) es de 1,35 a 1,80 libras por pie cúbico (21,6 a 28,8 kg/m³ ) . Esto corresponde a EPS de tipo II o tipo IX según la norma ASTM C578. Los bloques o paneles de EPS utilizados en la construcción se suelen cortar con hilo caliente. [ 56 ] 

Poliestireno extruido (XPS)

El poliestireno extruido tiene una textura lisa y se puede cortar en formas con bordes afilados sin que se desmorone.

La espuma de poliestireno extruido (XPS) está compuesta por celdas cerradas. Ofrece una rugosidad superficial mejorada, mayor rigidez y menor conductividad térmica. Su densidad oscila entre 28 y 34  kg/ m³ . [ 57 ] [ 58 ]

El poliestireno extruido (XPS) también se utiliza en manualidades y maquetas , especialmente en modelos arquitectónicos . Gracias al proceso de extrusión, el XPS no requiere revestimientos para mantener sus propiedades térmicas y físicas. Por lo tanto, constituye un sustituto más uniforme del cartón ondulado . La conductividad térmica varía entre 0,029 y 0,039 W/(m·K) según la resistencia/densidad, y el valor promedio es de aproximadamente 0,035 W/(m·K).

La resistencia a la difusión del vapor de agua (μ) del XPS es de alrededor de 80–250.

Los materiales de espuma de poliestireno extruido más comunes incluyen:

Absorción de agua de las espumas de poliestireno

Aunque se trata de una espuma de celda cerrada, tanto el poliestireno expandido como el extruido no son completamente impermeables ni resistentes al vapor. [ 60 ] En el poliestireno expandido existen espacios intersticiales entre los gránulos de celda cerrada expandidos que forman una red abierta de canales entre los gránulos unidos, y esta red de espacios puede llenarse de agua líquida. Si el agua se congela, se expande y puede provocar que los gránulos de poliestireno se desprendan de la espuma. El poliestireno extruido también es permeable a las moléculas de agua y no puede considerarse una barrera de vapor. [ 61 ]

La acumulación de agua suele producirse durante un período prolongado en espumas de poliestireno expuestas constantemente a alta humedad o sumergidas continuamente en agua, como en cubiertas de jacuzzis, muelles flotantes, como flotación suplementaria bajo asientos de embarcaciones y para el aislamiento exterior de edificios subterráneos expuesto constantemente al agua subterránea. [ 62 ] Normalmente, es necesario un barrera de vapor exterior, como una lámina de plástico impermeable o un revestimiento pulverizado, para evitar la saturación.

Poliestireno orientado

El poliestireno orientado (OPS) se produce estirando una película de poliestireno extruido, lo que mejora la visibilidad a través del material al reducir la opacidad y aumentar la rigidez. Se utiliza frecuentemente en envases donde el fabricante desea que el consumidor vea el producto que contiene. Algunas ventajas del OPS son que su producción es menos costosa que la de otros plásticos transparentes como el polipropileno (PP), el tereftalato de polietileno (PET) y el poliestireno de alto impacto (HIPS), y que es menos opaco que el HIPS o el PP. La principal desventaja del OPS es su fragilidad, que hace que se agriete o se rompa con facilidad.

Copolímeros

El poliestireno ordinario ( homopolimérico ) tiene un excelente perfil de propiedades en cuanto a transparencia, calidad de superficie y rigidez. Su rango de aplicaciones se amplía aún más mediante la copolimerización y otras modificaciones ( mezclas, por ejemplo, con PC y poliestireno sindiotáctico). [ 63 ] : 102–104 Se utilizan varios copolímeros basados ​​en estireno : La fragilidad del poliestireno homopolimérico se supera mediante copolímeros de estireno-butadieno modificados con elastómeros. Los copolímeros de estireno y acrilonitrilo ( SAN ) son más resistentes al estrés térmico, al calor y a los productos químicos que los homopolímeros y también son transparentes. Los copolímeros llamados ABS tienen propiedades similares y pueden utilizarse a bajas temperaturas, pero son opacos .

Copolímeros de estireno-butano

Los copolímeros de estireno-butano pueden producirse con un bajo contenido de buteno . Entre los copolímeros de estireno-butano se incluyen el PS-I y el SBC (véase más abajo), ambos resistentes al impacto . El PS-I se prepara mediante copolimerización por injerto , y el SBC mediante copolimerización aniónica en bloque, lo que lo hace transparente en caso de un tamaño de bloque adecuado. [ 64 ]

Si el copolímero de estireno-butano tiene un alto contenido de butileno, se forma caucho de estireno-butadieno (SBR).

La resistencia al impacto de los copolímeros de estireno-butadieno se basa en la separación de fases; el poliestireno y el polibutano no son solubles entre sí (véase la teoría de soluciones de Flory-Huggins ). La copolimerización crea una capa límite sin una mezcla completa. Las fracciones de butadieno (la "fase de caucho") se ensamblan para formar partículas incrustadas en una matriz de poliestireno. Un factor decisivo para la mejora de la resistencia al impacto de los copolímeros de estireno-butadieno es su mayor capacidad de absorción de trabajo de deformación. Sin fuerza aplicada, la fase de caucho se comporta inicialmente como un relleno . Bajo tensión, se forman microfisuras que se propagan a las partículas de caucho. La energía de la fisura propagada se transfiere a las partículas de caucho a lo largo de su trayectoria. Un gran número de fisuras confiere al material, originalmente rígido, una estructura laminada. La formación de cada lámina contribuye al consumo de energía y, por lo tanto, a un aumento de la elongación a la rotura. Los homopolímeros de poliestireno se deforman al aplicarles una fuerza hasta que se rompen. Los copolímeros de estireno-butano no se rompen en este punto, sino que comienzan a fluir, se solidifican hasta alcanzar la resistencia a la tracción y solo se rompen a una elongación mucho mayor. [ 65 ] : 426

Con una alta proporción de polibutadieno, el efecto de las dos fases se invierte. El caucho de estireno-butadieno se comporta como un elastómero, pero puede procesarse como un termoplástico.

Poliestireno resistente a los impactos (PS-I)

El PS-I ( poliestireno resistente al impacto ) consiste en una matriz continua de poliestireno y una fase de caucho dispersa en ella. Se produce por polimerización de estireno en presencia de polibutadieno disuelto (en estireno). La polimerización tiene lugar simultáneamente de dos maneras: [ 66 ]

  • Copolimerización por injerto : La cadena de poliestireno en crecimiento reacciona con un doble enlace del polibutadieno . Como resultado, varias cadenas de poliestireno se unen a una molécula de polibutadieno.
    • En la figura, S representa la unidad repetitiva de estireno.
    • B la unidad repetitiva de butadieno. Sin embargo, el bloque central a menudo no consiste en el homopolímero de butano representado, sino en un copolímero de estireno-butadieno:
SSSSSS SSSSSSSSSSSSS BB S BB S B S BBBBS B SS BBB S B SSSSSSSSSSSSSS SSSSSSSSSSSSSSSS

Al utilizar un copolímero estadístico en esta posición, el polímero se vuelve menos susceptible a la reticulación y fluye mejor en estado fundido. Para la producción de SBS, el estireno se homopolimeriza mediante copolimerización aniónica. Normalmente, se utiliza un compuesto organometálico como el butillitio como catalizador. A continuación, se añade butadieno y, tras el estireno, se polimeriza de nuevo. El catalizador permanece activo durante todo el proceso (para lo cual los productos químicos utilizados deben ser de alta pureza). La distribución del peso molecular de los polímeros es muy baja ( polidispersidad en el rango de 1,05, por lo que las cadenas individuales tienen longitudes muy similares). La longitud de los bloques individuales se puede ajustar mediante la proporción de catalizador a monómero. El tamaño de las secciones de caucho, a su vez, depende de la longitud del bloque. La producción de estructuras pequeñas (menores que la longitud de onda de la luz) garantiza la transparencia. Sin embargo, a diferencia del PS-I, el copolímero de bloques no forma partículas, sino que tiene una estructura lamelar.

caucho de estireno-butadieno

El caucho de estireno-butadieno (SBR) se produce, al igual que el PS-I, mediante copolimerización por injerto, pero con un menor contenido de estireno. Por lo tanto, el caucho de estireno-butadieno consiste en una matriz de caucho con una fase de poliestireno dispersa en ella. [ 67 ] A diferencia del PS-I y el SBC, no es un termoplástico , sino un elastómero . Dentro de la fase de caucho, la fase de poliestireno se ensambla en dominios. Esto provoca una reticulación física a nivel microscópico. Cuando el material se calienta por encima del punto de transición vítrea, los dominios se desintegran, la reticulación se suspende temporalmente y el material puede procesarse como un termoplástico. [ 68 ]

acrilonitrilo butadieno estireno

El acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) es un material más resistente que el poliestireno puro.

Otros

El SMA es un copolímero con anhídrido maleico . El estireno puede copolimerizarse con otros monómeros; por ejemplo, el divinilbenceno puede utilizarse para reticular las cadenas de poliestireno y obtener el polímero empleado en la síntesis de péptidos en fase sólida . La resina de estireno-acrilonitrilo (SAN) presenta una mayor resistencia térmica que el estireno puro.

Problemas medioambientales

Producción

Las espumas de poliestireno se producen utilizando agentes espumantes que forman burbujas y expanden la espuma. En el poliestireno expandido, estos suelen ser hidrocarburos como el pentano , que pueden presentar un riesgo de inflamabilidad en la fabricación o el almacenamiento del material recién fabricado, pero tienen un impacto ambiental relativamente leve. El poliestireno extruido se suele fabricar con hidrofluorocarbonos ( HFC-134a ), [ 69 ] que tienen un potencial de calentamiento global aproximadamente 1000–1300 veces mayor que el del dióxido de carbono. [ 70 ] En Europa, donde el HFC-134a se prohibió desde principios de 2022, el XPS se produce utilizando dióxido de carbono como agente espumante, logrando un ODP (potencial de agotamiento de la capa de ozono) de 0 y un GWP (potencial de calentamiento global) inferior a 5. Los envases, en particular el poliestireno expandido, contribuyen a la generación de microplásticos procedentes tanto de actividades terrestres como marítimas. [ 71 ]

degradación ambiental

El poliestireno no es biodegradable , pero es susceptible a la fotooxidación . [ 72 ] Por esta razón, los productos comerciales contienen estabilizadores de luz .

Basura

Vaso de poliestireno desechado en la orilla del lago Michigan.

Los animales no reconocen la espuma de poliestireno como un material artificial y pueden confundirla con alimento. [ 73 ] La espuma de poliestireno se dispersa con el viento y flota en el agua debido a su baja densidad. Puede tener efectos graves en la salud de las aves y los animales marinos que ingieren cantidades significativas. [ 73 ] Las truchas arcoíris juveniles expuestas a fragmentos de poliestireno muestran efectos tóxicos en forma de cambios histomorfométricos sustanciales. [ 74 ]

Reducción

Restringir el uso de envases de poliestireno expandido para comida para llevar es una prioridad para muchas organizaciones ambientales de residuos sólidos . [ 75 ] Se han realizado esfuerzos para encontrar alternativas al poliestireno, especialmente a la espuma en entornos de restaurantes. El impulso original fue eliminar los clorofluorocarbonos (CFC), que eran un componente anterior de la espuma.

Estados Unidos

En 1987, Berkeley, California , prohibió los envases de alimentos de CFC. [ 76 ] Al año siguiente, el condado de Suffolk, Nueva York , se convirtió en la primera jurisdicción de EE. UU. en prohibir el poliestireno en general. [ 77 ] Sin embargo, las impugnaciones legales de la Sociedad de la Industria del Plástico [ 78 ] impidieron que la prohibición entrara en vigor hasta que finalmente se retrasó cuando los partidos Republicano y Conservador obtuvieron la mayoría de la legislatura del condado. [ 79 ] Mientras tanto, Berkeley se convirtió en la primera ciudad en prohibir todos los envases de alimentos de espuma. [ 80 ] En 2006, alrededor de cien localidades en los Estados Unidos, incluyendo Portland, Oregón , y San Francisco tenían algún tipo de prohibición de la espuma de poliestireno en restaurantes. Por ejemplo, en 2007 Oakland, California , exigió a los restaurantes que cambiaran a envases de alimentos desechables que se biodegradaran si se agregaban al compost de alimentos. [ 81 ] En 2013, San José se convirtió, según se informó, en la ciudad más grande del país en prohibir los envases de alimentos de espuma de poliestireno. [ 82 ] Algunas comunidades han implementado prohibiciones generalizadas de poliestireno, como Freeport, Maine , que lo hizo en 1990. [ 83 ] En 1988, se promulgó en Berkeley, California, la primera prohibición en EE. UU. de espuma de poliestireno en general. [ 80 ]

El 1 de julio de 2015, la ciudad de Nueva York se convirtió en la ciudad más grande de Estados Unidos en intentar prohibir la venta, posesión y distribución de espuma de poliestireno de un solo uso (la decisión inicial fue revocada en apelación). [ 84 ] En San Francisco, los supervisores aprobaron la prohibición más estricta de "Styrofoam" (EPS) en Estados Unidos, que entró en vigor el 1 de enero de 2017. El Departamento de Medio Ambiente de la ciudad puede hacer excepciones para ciertos usos, como el transporte de medicamentos a temperaturas específicas. [ 85 ]

La Asociación de Restaurantes Ecológicos de EE. UU. no permite el uso de espuma de poliestireno como parte de su estándar de certificación. [ 86 ] Varios líderes ecologistas, incluido el Ministerio de Medio Ambiente de los Países Bajos, aconsejan a las personas que reduzcan su daño ambiental utilizando tazas de café reutilizables. [ 87 ]

En marzo de 2019, Maryland prohibió los envases de alimentos de espuma de poliestireno y se convirtió en el primer estado del país en aprobar una prohibición de este tipo a través de la legislatura estatal. Maine fue el primer estado en incorporar oficialmente una prohibición de envases de alimentos de espuma. En mayo de 2019, el gobernador de Maryland, Hogan, permitió que la prohibición de la espuma (Proyecto de Ley 109 de la Cámara de Representantes) entrara en vigor sin firma, convirtiendo a Maryland en el segundo estado en tener una prohibición de envases de alimentos de espuma en vigor, pero es el primero en entrar en vigor el 1 de julio de 2020. [ 88 ] [ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]

En septiembre de 2020, la legislatura del estado de Nueva Jersey votó a favor de prohibir los envases y vasos desechables de espuma para alimentos hechos de espuma de poliestireno. [ 92 ]

Fuera de los Estados Unidos

Residuos de poliestireno expandido en Japón

China prohibió los envases y la vajilla de poliestireno expandido para llevar alrededor de 1999. Sin embargo, el cumplimiento ha sido un problema y, en 2013, la industria china del plástico presionó para que se derogara la prohibición. [ 93 ]

India y Taiwán también prohibieron los utensilios de servicio de alimentos de espuma de poliestireno antes de 2007. [ 94 ]

El gobierno de Zimbabue , a través de su Agencia de Gestión Ambiental (EMA), prohibió los envases de poliestireno (conocidos popularmente como «kaylite» en el país), en virtud del Instrumento Legal 84 de 2012 (Reglamento de Enmienda sobre Envases y Botellas de Plástico), 2012 (Nº 1). [ 95 ] [ 96 ]

La ciudad de Vancouver , Canadá, anunció su plan Cero Residuos 2040 en 2018. La ciudad introducirá modificaciones a sus ordenanzas para prohibir que los titulares de licencias comerciales sirvan alimentos preparados en vasos y envases para llevar de espuma de poliestireno, a partir del 1 de junio de 2019. [ 97 ]

En 2019, la Unión Europea votó a favor de prohibir los envases y vasos de poliestireno expandido para alimentos, y la ley entró oficialmente en vigor en 2021. [ 98 ] [ 99 ]

Fiji aprobó el Proyecto de Ley de Gestión Ambiental en diciembre de 2020. Las importaciones de productos de poliestireno fueron prohibidas en enero de 2021. [ 100 ]

Reciclaje

El símbolo del código de identificación de resina para poliestireno
El símbolo del código de identificación de resina para poliestireno

En general, el poliestireno no se acepta en los programas de recogida selectiva de residuos y, en los casos en que sí se acepta, no se separa ni se recicla. En Alemania, el poliestireno se recoge en virtud de la ley de envases (Verpackungsverordnung), que obliga a los fabricantes a responsabilizarse del reciclaje o la eliminación de cualquier material de embalaje que vendan.

Actualmente, la mayoría de los productos de poliestireno no se reciclan debido a la falta de incentivos para invertir en las compactadoras y los sistemas logísticos necesarios. Debido a la baja densidad de la espuma de poliestireno, su recolección no es rentable. Sin embargo, si el material de desecho se somete a un proceso de compactación inicial, su densidad cambia de 30  kg/m³ a 330  kg/m³ y se convierte en un producto reciclable de alto valor para los productores de gránulos de plástico reciclado. Los restos de poliestireno expandido se pueden agregar fácilmente a productos como láminas aislantes de EPS y otros materiales de EPS para aplicaciones de construcción; muchos fabricantes no pueden obtener suficientes restos debido a problemas de recolección. Cuando no se utiliza para fabricar más EPS, los restos de espuma se pueden convertir en productos como perchas, bancos de parque, macetas, juguetes, reglas, cuerpos de grapadoras, contenedores de plántulas, marcos de fotos y molduras arquitectónicas a partir de PS reciclado. [ 101 ] A partir de 2016, alrededor de 100 toneladas de EPS se reciclan cada mes en el Reino Unido. [ 102 ]

El EPS reciclado también se utiliza en muchos procesos de fundición de metales. Rastra se fabrica con EPS combinado con cemento para usarse como aislante en la construcción de cimientos y muros de hormigón. Los fabricantes estadounidenses producen encofrados aislantes de hormigón con aproximadamente un 80 % de EPS reciclado desde 1993.

Reciclaje creativo

Un estudio conjunto realizado en marzo de 2022 por los científicos Sewon Oh y Erin Stache de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, descubrió un nuevo método de procesamiento para la transformación del poliestireno en ácido benzoico . El proceso consistió en la irradiación de poliestireno con cloruro de hierro y acetona bajo luz blanca y oxígeno durante 20 horas. [ 103 ] Los científicos también demostraron un proceso comercial escalable similar para la transformación del poliestireno en moléculas pequeñas valiosas (como el ácido benzoico) en tan solo unas horas. [ 103 ]

Incineración

Si el poliestireno se incinera adecuadamente a altas temperaturas (hasta 1000  °C [ 104 ] ) y con abundante aire [ 104 ] (14 m³ / kg ), los productos químicos generados son agua, dióxido de carbono y posiblemente pequeñas cantidades de compuestos halogenados residuales de retardantes de llama. [ 104 ] Si la incineración es incompleta, también quedarán hollín de carbono y una mezcla compleja de compuestos volátiles. [ 105 ] Según el Consejo Estadounidense de Química , cuando el poliestireno se incinera en instalaciones modernas, el volumen final es el 1 % del volumen inicial; la mayor parte del poliestireno se convierte en dióxido de carbono, vapor de agua y calor. Debido a la cantidad de calor liberado, a veces se utiliza como fuente de energía para la generación de vapor o electricidad . [ 104 ] [ 106 ]

Cuando el poliestireno se quemaba a temperaturas de 800–900  °C (el rango típico de un incinerador moderno), los productos de la combustión consistían en "una mezcla compleja de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), desde alquilbencenos hasta benzoperileno. Se identificaron más de 90 compuestos diferentes en los efluentes de la combustión del poliestireno". [ 107 ] El Centro de Investigación de Incendios de la Oficina Nacional de Estándares de Estados Unidos encontró 57 subproductos químicos liberados durante la combustión de espuma de poliestireno expandido (EPS). [ 108 ]

Seguridad

Salud

El Consejo Estadounidense de Química , anteriormente conocido como la Asociación de Fabricantes de Productos Químicos, escribió en 2011:

Basándose en pruebas científicas realizadas durante cinco décadas, las agencias gubernamentales de seguridad han determinado que el poliestireno es seguro para su uso en productos de servicio de alimentos. Por ejemplo, el poliestireno cumple con los estrictos estándares de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) y la Comisión Europea/Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) para su uso en envases para almacenar y servir alimentos. El Departamento de Higiene Alimentaria y Ambiental de Hong Kong revisó la seguridad del servicio de diversos alimentos en productos de poliestireno para servicios de alimentos y llegó a la misma conclusión que la FDA de EE. UU. [ 109 ]

Entre 1999 y 2002, un panel internacional de expertos de 12 miembros, seleccionado por el Centro de Evaluación de Riesgos de Harvard, realizó una revisión exhaustiva de los posibles riesgos para la salud asociados a la exposición al estireno. Los científicos contaban con experiencia en toxicología, epidemiología, medicina, análisis de riesgos, farmacocinética y evaluación de la exposición. El estudio de Harvard informó que el estireno está presente de forma natural en cantidades traza en alimentos como las fresas, la carne de res y las especias, y se produce de forma natural durante el procesamiento de alimentos como el vino y el queso. El estudio también revisó todos los datos publicados sobre la cantidad de estireno que contribuye a la dieta debido a la migración de envases de alimentos y artículos desechables en contacto con alimentos, y concluyó que el riesgo para el público en general por la exposición al estireno proveniente de alimentos o aplicaciones en contacto con alimentos (como envases de poliestireno y recipientes para servicios de alimentos) era demasiado bajo para producir efectos adversos. [ 110 ]

El poliestireno se usa comúnmente en envases para alimentos y bebidas. Se prevé razonablemente que el monómero de estireno (del cual se fabrica el poliestireno) sea un carcinógeno humano. [ 111 ] El estireno se encuentra generalmente en niveles tan bajos en los productos de consumo que los riesgos no son sustanciales. [ 112 ] El poliestireno que se usa para el contacto con alimentos no puede contener más del 1 % (0,5 % para alimentos grasos) de estireno en peso. [ 113 ] Se ha descubierto que los oligómeros de estireno en los envases de poliestireno utilizados para el envasado de alimentos migran a los alimentos. [ 114 ] Otro estudio japonés realizado en ratones de tipo salvaje y AhR nulos encontró que el trímero de estireno, que los autores detectaron en alimentos instantáneos cocidos envasados ​​en recipientes de poliestireno, puede aumentar los niveles de hormona tiroidea. [ 115 ]

El uso de poliestireno en el microondas con alimentos es controvertido. Algunos envases pueden utilizarse de forma segura en el microondas, pero solo si están etiquetados como tales. [ 116 ] Algunas fuentes sugieren que deben evitarse los alimentos que contienen caroteno (vitamina A) o aceites de cocina. [ 117 ]

Debido al uso generalizado del poliestireno, estos graves problemas de salud siguen siendo de actualidad. [ 118 ] [ 119 ]

Riesgos de incendio

Al igual que otros compuestos orgánicos , el poliestireno es inflamable. Según la norma DIN4102 , el poliestireno se clasifica como un producto "B3", lo que significa que es altamente inflamable o "fácilmente inflamable". En consecuencia, aunque es un aislante eficaz a bajas temperaturas, su uso está prohibido en cualquier instalación expuesta en la construcción de edificios . Debe ocultarse tras paneles de yeso , chapa metálica o hormigón. [ 120 ] Se han producido incendios accidentales de grandes proporciones y pérdidas de vidas humanas en materiales plásticos de poliestireno expandido, como en el Aeropuerto Internacional de Düsseldorf y en el Túnel del Canal de la Mancha (donde había poliestireno dentro de un vagón de ferrocarril que se incendió). [ 121 ]

Véase también

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Fuentes

 Este artículo incorpora texto de una obra de contenido libre . Licencia CC BY-SA 3.0 IGO ( declaración de licencia/permiso ). Texto extraído de «Ahogados en plásticos: basura marina y residuos plásticos» (Vital Graphics) , Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente.

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