Polistiren Üretimi (polystyrene production)

Polistiren bilinen en eski vinil polimerlerinden biridir; ilk olarak Fransız kimyacı M. Berthelot tarafından 1851’de benzen ve etilenin sıcak tüplerden geçirilmesiyle elde edilmiştir. Genel amaçlı ve kristalin homopolimerleri ile, stiren-akrilonitril (SAN), stiren-maleik anhidrid (SMA), stiren-bütadien (SBR) ve stiren-akrilikler gibi çeşitli kopolimerleri bulunur.

Stiren ortam sıcaklığında bile çok kolaylıkla polimerleşebilen bir monomerdir; ancak bu koşullarda polimerizasyonun tamamlanması aylarca sürer. Sıcaklığın artması polimerizasyonu hızlandırır; örneğin, 150 0C’de polimerizasyon süresi sadece birkaç saattir. Isının yükseltilmesiyle beraber bir başlatıcı (inisiatör) ilave edildiğinde reaksiyonlar daha kısa sürede biter. Yüksek molekül ağırlıklı ve dayanıklı ürün elde etmek, yan reaksiyonları asgariye indirmek için proseslerin çoğu orta derecelerdeki sıcaklıklarda ve bir başlatıcıyla yapılır.

Stiren polimerizasyonu genellikle serbest radikal mekanizması üzerinden yapılır; polimerizasyon başlatıcının ısıl olarak parçalanıp serbest aktif radikaller oluşmasıyla başlatılır. Tipik başlatıcılar peroksitler ve tersiyer bütil perbenzoat gibi bileşiklerdir. Aktif radikaller stiren monomeriyle birleşerek yeni ve daha büyük bir radikal meydana getirir; bu yeni radikal de diğer bir monomeri kendisine katar; peşpeşe katılmalarla uzun polimerik zincirler meydana gelir.

Polistiren üretiminde en yaygın uygulaması olan proses çok ekonomik olan sürekli bulk (kütle) polimerizasyonudur. Bu prosesle yüksek-darbe polistiren, stiren-akrilonitril reçineler, genel amaçlı (kristal dereceli) polistiren ve parlaklık derecesi yüksek, gerilmeye dayanıklı çeşitli polistirenler üretilebilir.

Polimerizasyon kesikli veya sürekli yapılabilir. Sürekli prosesler için çeşitli konfigürasyonlar mümkündür; fakat proses akışları birbirine benzer. Şekil-1’de tipik bir sürekli kütle polimerizasyonu prosesi akım şeması görülmektedir.

Stiren, önce bir ön-polimerizasyon reaktöründe, çalışma parametrelerine bağlı olarak kısmen polimerleştirildikten sonra bir başlatıcıyla beraber sürekli karıştırılan reaktöre verilir. Polimerizasyon hızı reaktörlerin (veya kolonlar) sıcaklığı 110-180 0C arasında değiştirilerek ayarlanır, proses koşulları ve katkı maddeleri ilavesiyle molekül ağırlığı dağılımı kontrol altında tutulur. Reaksiyonlar tamamlandıktan sonra sıcaklık 260 0C’nin üstüne çıkarılarak polimer ergitilir ve basınçla küçük delikleri olan bir kalıptan (die) şeritler halinde basılır; bunlar soğutulur, kesilir ve depolamaya verilir. Reaksiyona girmemiş olan stiren monomeri vakumda çekilir ve tekrar sisteme döndürülür.



Şekil-1: Sürekli bir kütle polimerizasyonu prosesiyle polistiren üretimi

Kesikli polimerizasyon yönteminde stiren önce bir otoklavda ön polimerizasyon işlemine sokularak molekül ağırlığı yükseltilir; bu işlem sırasında az miktarlarda yağlayıcı, plastifiyan, polimerizasyon regülatörü ve antioksidan ilavesi yapılabilir. Ön polimerizasyon akımı bir batch reaktöre pompalanır, burada stirenin bir kısmı buharlaşarak ayrılır. Reaktördeki karışım ısıtılır ve bir başlatıcı ilave edilerek polimerizasyon reaksiyonları başlatılır. Polimerizasyon tamamlandıktan sonra reaktörden alınan ergimiş haldeki karışım kalıntı stiren, etil benzen ve düşük molekül ağırlıklı polimerlerin uzaklaştırılması için bir ayırıcıdan (devolatilizer) geçirildikten sonra tekrar ısıtılarak sürekli proseste olduğu gibi işlemlere devam edilir. Batch proseste verim daha yüksektir.

Polistiren, çok yaygın olmasa da süspansiyon polimerizasyonu yöntemiyle de üretilir. Böyle bir proseste karıştırıcılı ve soğutma ceketli bir reaktör kullanılır; stiren, başlatıcılar ve su (açığa çıkan ısıyı alması için) reaktöre konur ve sürekli karıştırarak %90-93 stiren dönüşümü sağlanır, sonra santrifüjlenir, polimer tanecikleri ayrılır, kurutulur ve depolanır. Polimerizasyon sırasında reaksiyon ortamına uçucu bir hidrokarbon (pentan, propilen, metilen klorür gibi) ilave edilerek polistiren köpük üretilebilir. Elde edilen polimer buhar veya kaynar suyla ısıtıldığında içerdiği uçucu bileşiğin kabarcıklaşmasıyla köpük ürün oluşur.