Expanded Polystyrene Foam (EPF)

Latar Belakang

Expanded polystyrene foam (EPF) adalah bahan plastik yang memiliki sifat khusus karena strukturnya. Terdiri dari sel-sel individual polistiren densitas rendah, EPF sangat ringan dan dapat menopang berkali-kali beratnya sendiri dalam air. Karena sel-selnya tidak saling berhubungan, panas tidak dapat merambat melalui EPF dengan mudah, sehingga merupakan isolator yang hebat. EPF digunakan dalam perangkat flotasi, isolasi, karton telur, flat untuk daging dan produk, kotak sandwich dan hamburger, kopi cangkir, piring, kemasan kacang, dan pendingin piknik. Meskipun umumnya disebut styrofoam, styrofoam adalah merek dagang dari Dow Chemical Company dan secara khusus mengacu pada jenis EPF biru keras yang digunakan terutama dalam berperahu.

Selama akhir 1800-an, para peneliti mencari bahan yang cocok untuk membuat film, kaca depan kereta, dan berbagai barang kecil seperti sisir menghasilkan plastik awal dari bahan alami dan bahan kimia. Dalam membuat plastik ini, para ilmuwan memanfaatkan kecenderungan alami menuju polimerisasi, di mana dua atau lebih molekul kecil, atau monomer, bergabung membentuk rantai yang seringkali sangat panjang. Rantai molekul yang dihasilkan, atau polimer, terdiri dari unit struktural berulang dari molekul asli. Salah satu polimer alam yang paling dikenal adalah selulosa, rangkaian molekul glukosa yang membentuk komponen utama dinding sel tumbuhan, kapas, kertas, dan rayon . Polystyrene adalah salah satu polimer sintetik yang paling terkenal (lainnya termasuk polietilen, polipropilen, dan poliester). Styrene, hidrokarbon cair dari mana EPF dibuat, diturunkan pada akhir abad kesembilan belas dari storax balsam, yang berasal dari pohon di Asia Kecil yang disebut permen karet manis Oriental. Pada awal abad kesembilan belas, plastik sintetis sepenuhnya dikembangkan dari hidrokarbon, yang strukturnya kondusif untuk polimerisasi yang mudah. Polystyrene, polimer dari mana EPF dibuat, ditemukan pada tahun 1938.

Plastik berbusa ditemukan secara tidak langsung, karena pada awalnya tidak ada yang bisa melihat kelebihannya. Dr. Leo H. Baekeland, ahli kimia Amerika yang mengembangkan plastik sintetik pertama, bakelite, bereksperimen dengan fenol (senyawa asam) dan formaldehida (gas tidak berwarna) ketika mencoba membuat resin tidak berpori. Ketika salah satu campurannya tiba-tiba mulai berbusa, Baekeland mencoba mengendalikan busa sebelum menyadari bahwa itu bisa memiliki keuntungan. Setelah kematian Baekeland pada tahun 1944, fenolat berbusa pertama dikembangkan, segera diikuti oleh busa epoksi. Beberapa saat kemudian, polistiren berbusa. Pada awalnya digunakan terutama dalam perangkat isolasi dan flotasi untuk perahu, pelampung, dan pelampung. Baru setelah EPF menggantikan kertas, kapuk (terbuat dari serat sutra yang membungkus biji pohon ceiba), dan perlindungan kemasan alami lainnya, zat tersebut menjadi sepopuler sekarang ini. Keakrabannya dilanjutkan dengan pertumbuhan besar industri makanan cepat saji dan takeout, yang mulai menggunakan EPF dalam kotak burger dan cangkir kopi. Saat ini EPF adalah plastik yang paling dikenal.

Namun, terlepas dari popularitas dan fitur unik EPF, baru-baru ini EPF diserang karena turunan gas metana—klorofluorokarbon (CFC)—yang digunakan untuk membuat busa itu. CFC bersifat inert, dan tidak berbahaya bagi manusia dan lingkungan setelah dilepaskan. Namun, lama setelah penggunaan pertama mereka, para ilmuwan menyadari bahwa CFC berkontribusi pada penipisan lapisan ozon saat terurai. Lapisan ozon adalah lapisan atmosfer Polistirena dibuat dalam proses yang dikenal sebagai polimerisasi suspensi. Setelah stirena diproduksi dengan menggabungkan etilena dan benzena, ia bergabung dengan air dan zat berlendir untuk membentuk tetesan polistirena. Selanjutnya, tetesan dipanaskan dan digabungkan dengan inisiator, yang memulai proses polimerisasi. Tetesan bergabung untuk membentuk rantai, yang pada gilirannya bergabung menjadi manik-manik. Menghentikan proses dengan terminator itu sulit, karena rantai harus memiliki panjang tertentu agar dapat digunakan. yang melindungi bumi dari sinar ultraviolet yang berbahaya dari matahari. Pada tahun 1988 perwakilan dari 31 negara menandatangani Protokol Montreal, sebuah perjanjian dimana mereka memutuskan untuk mengurangi separuh produksi CFC pada tahun 1998. Perjanjian ini membawa EPF ke kesadaran dunia sebagai ancaman terhadap lapisan ozon. Sementara kemasan busa bertanggung jawab atas kurang dari tiga persen CFC yang dilepaskan ke atmosfer, pengurangan EPF telah ditargetkan sebagai cara untuk menurunkan kadar CFC, dan teknologi baru yang mengeksplorasi cara untuk memproduksi EPF tanpa CFC telah berkembang. EPF juga telah dipilih oleh pecinta lingkungan karena tidak didaur ulang. Namun, tindakan telah diambil, dan program sedang berjalan untuk melihat bahwa persentase EPF yang lebih besar akan didaur ulang di tahun-tahun mendatang.

Bahan Baku

Komponen utama EPF adalah stirena (C ₈ H ₈ ), yang berasal dari minyak bumi atau gas alam dan dibentuk oleh reaksi antara etilen (C ₂ H ₄ ) dan benzena (C ₆ H ₆ ); benzena dihasilkan dari batubara atau disintesis dari minyak bumi. Styrene dipolimerisasi baik dengan panas atau oleh inisiator seperti benzoil peroksida. Menghentikan polimerisasi itu sulit; namun, inhibitor seperti oksigen, belerang, atau kuinol dapat digunakan. Untuk membentuk densitas rendah, sel-sel yang terikat longgar EPF dicatat, polistiren pertama-tama harus disuspensikan dalam air untuk membentuk tetesan. Zat pensuspensi, seperti barium sulfat yang diendapkan secara khusus atau kopolimer asam akrilat dan metakrilat dan esternya (produk organik yang dibentuk oleh reaksi antara asam dan alkohol), kemudian ditambahkan ke dalam air. Banyak agen suspensi digunakan secara komersial. Semuanya sama-sama kental dan berfungsi untuk menahan tetesan, mencegahnya saling menempel. Manik-manik polistiren yang dihasilkan oleh polimerisasi suspensi berukuran kecil dan keras. Untuk membuatnya mengembang, digunakan bahan peniup khusus, termasuk propana, pentana, metilen klorida, dan klorofluorokarbon.

Desain

Seperti semua plastik, EPF terdiri dari rantai polimer dengan berat molekul besar. Berat molekul setara dengan massanya dan dapat dihitung dengan menambahkan massa atom penyusunnya. EPF adalah polimer linier yang unit dasarnya adalah stirena (C ₈ H ₈ ) dan yang massa molekulnya 104, namun ketika dihubungkan bersama seperti dalam plastik, massanya dapat berkisar antara 200.000 dan 300.000 (karena rantai polimer dapat berisi jumlah ikatan molekul yang tidak terbatas, massa terminal tidak dapat ditentukan) .

Manufaktur
Proses

Pertama, stirena dibuat dengan menggabungkan etilen dan benzena. Selanjutnya, stirena dikenakan polimerisasi suspensi dan diperlakukan dengan inisiator polimerisasi, yang bersama-sama mengubahnya menjadi polistirena. Setelah rantai polimer dengan panjang yang diinginkan telah terbentuk, teknisi menghentikan reaksi dengan zat pengakhir. Manik-manik polistiren yang dihasilkan kemudian dibersihkan, dan manik-manik anomali disaring. Untuk membuat EPF sel kecil, pekerja kemudian meleleh, menambahkan zat peniup, dan mengeluarkan manik-manik. Untuk menghasilkan EPF berkulit halus, mereka mengembangkan manik-manik terlebih dahulu, secara dramatis mengurangi kepadatannya. Selanjutnya dipanaskan dan mengembang sebelum didiamkan selama 24 jam agar dapat dingin dan mengeras. Manik-manik kemudian dimasukkan ke dalam cetakan dengan bentuk yang diinginkan.

Membuat stirena

• 1 Unit dasar polistirena adalah stirena, yang merupakan produk dari reaksi dua kali lipat. Etilen dan benzena, dengan adanya katalis seperti aluminium klorida, membentuk etilbenzena (C ₈ H ₈ ), yang kemudian didehidrogenasi (hidrogen dihilangkan) pada 1.112-1.202 derajat Fahrenheit (600-650 derajat Celcius) untuk membentuk stirena (C ₈ H ₈ ).

Membuat polistiren

• 2 Polystyrene dibentuk dari styrene melalui polimerisasi suspensi, sebuah proses dimana tetesan kecil monomer (dalam hal ini, styrene) benar-benar dikelilingi oleh air dan zat mucilaginous. Mendukung dan mengelilingi butiran styrene, zat suspensi menghasilkan tetesan polistiren yang seragam.
• 3 Selanjutnya, inisiator polimerisasi ditambahkan ke tetesan, yang ditangguhkan oleh radiasi panas sekitar 212 derajat Fahrenheit (100 derajat Celcius). Hal ini menghasilkan radikal bebas, sekelompok atom yang sangat mungkin bereaksi dengan atom lain karena mengandung elektron tidak berpasangan yang tersedia untuk ikatan molekul. Radikal bebas kemudian bergabung secara acak membentuk rantai polistirena.
• 4 Menghentikan proses polimerisasi itu sulit. Terminator diperkenalkan ke proses untuk mengakhirinya pada waktu yang tepat. Meskipun bervariasi, panjang rantai harus berada dalam kisaran tertentu, karena polistirena dengan rantai yang terlalu panjang tidak akan mudah meleleh, dan polistirena dengan rantai pendek akan rapuh.

Mempersiapkan manik-manik

• 5 Setelah polimerisasi selesai, campuran—yang terdiri dari manik-manik yang terbuat dari rantai polistirena—didinginkan. Manik-manik ini kemudian dicuci dan dikeringkan. Ukuran manik yang seragam dicapai dengan menyortir manik-manik melalui jerat yang menyaring manik-manik yang terlalu besar dan terlalu kecil.

Membuat busa polistiren yang diperluas

• 6 Pertama, butiran polystyrene harus diperluas untuk mencapai kepadatan yang tepat. Proses ini dikenal sebagai pra-ekspansi, dan melibatkan pemanasan polistirena baik dengan uap (metode yang paling umum) atau udara panas (untuk busa kepadatan tinggi, seperti yang digunakan untuk cangkir kopi); pemanasan dilakukan dalam bejana yang menampung 50 hingga 500 galon (189 hingga 1,892 liter). Selama pra-ekspansi, agitator digunakan untuk menjaga agar manik-manik tidak menyatu. Karena manik-manik yang diperluas lebih ringan dari manik-manik yang tidak mengembang, mereka dipaksa ke atas rongga kapal dan dibuang. Proses ini menurunkan kerapatan manik-manik hingga tiga persen dari nilai aslinya dan menghasilkan EPF sel tertutup berkulit halus yang sangat baik untuk pencetakan detail.
• 7 Selanjutnya, manik-manik yang telah diperluas biasanya "berumur" setidaknya selama 24 jam dalam silo penyimpanan jala. Ini memungkinkan udara berdifusi ke dalam manik-manik, mendinginkannya dan membuatnya lebih keras.

Cetakan

• 8 Setelah penuaan, manik-manik dimasukkan ke dalam cetakan dengan bentuk yang diinginkan. Uap bertekanan rendah kemudian disuntikkan ke dalam dan di antara manik-manik, mengembangkannya sekali lagi dan menyatukannya.
• 9 Cetakan kemudian didinginkan, baik dengan mensirkulasikan air melaluinya atau dengan menyemprotkan air ke luar. EPF adalah isolator yang baik sehingga sulit untuk mendinginkan cetakan. Menggunakan cetakan kecil dapat mengurangi waktu pemanasan dan pendinginan dan dengan demikian mempercepat proses.

Membuat busa polistiren yang diperluas dan diekstrusi

• 10 Proses ini menghasilkan EPF dengan ukuran sel kecil yang dapat digunakan untuk pembuatan papan yang digunakan untuk insulasi. Manik-manik dilelehkan, dan bahan peniup ditambahkan. Polistirena cair kemudian diekstrusi menjadi bentuk yang tepat di bawah kondisi suhu dan tekanan tinggi.

Memotong, mengikat, dan melapisi

• 11 EPF biasanya dipotong dengan alat kerja kayu-I biasa, yang harus dijaga sangat tajam setiap saat untuk memotong dengan mulus. Itu juga bisa direkatkan dengan perekat yang tidak merusaknya. Perekat berbasis air baik, seperti juga fenolat, epoksi, resorsinol, dan urea. EPF tidak tahan terhadap pelapukan atau Membuat EPF melibatkan beberapa langkah. Pertama, manik-manik polistiren menjalani pra-ekspansi, di mana mereka diperluas untuk memberi mereka kepadatan yang tepat. Setelah penuaan dalam silo penyimpanan, manik-manik dimasukkan ke dalam cetakan dan disuntikkan dengan uap, yang memperluas manik-manik sekali lagi dan menyatukannya. Setelah pendinginan, EPF yang dicetak dipotong menjadi bentuk yang tepat dan dilapisi dengan epoksi atau titik pelindung. sinar matahari, dan mudah terbakar, sehingga umumnya pelapis seperti epoksi, berbagai jenis cat, dan zat yang tidak mudah terbakar diterapkan ke permukaan.

Kontrol Kualitas

EPF tunduk pada berbagai tes dan standar yang dirumuskan oleh American Society for Testing and Materials (ASTM) untuk plastik secara umum. Beberapa standar ini berkaitan dengan EPF khususnya karena sifatnya yang unik, namun beberapa pengujian yang diterapkan pada EPF dikembangkan untuk mengukur sifat plastik lainnya.

Lelehan polistirena diuji untuk menentukan apakah cukup kental untuk menghasilkan EPF dengan sifat yang diinginkan. Selanjutnya, manik-manik polistiren berikutnya harus berukuran seragam. Standar untuk manik-manik bulat sempurna didasarkan pada yang terbentuk dalam percobaan pesawat ulang-alik di bawah kondisi gravitasi nol.

EPF yang dibentuk juga diuji untuk kekuatan, sifat mudah terbakar, dan kepadatan, yang sangat penting saat menguji perangkat flotasi. Ketahanan EPF diukur dengan membenturkan pendulum ke material dan mengamati seberapa jauh pantulannya. EPF kemudian diuji porositasnya. Ini melibatkan penentuan berapa banyak sel terbuka dan tertutup yang ada, setelah mempertimbangkan luas permukaan produk dan jumlah sel yang dipotong dengan cara. Permeabilitas kemudian diuji. Tes sederhana melibatkan menempatkan sepotong EPF ke dalam suatu zat dan kemudian mengukur berapa banyak yang diserap.

Konduktivitas termal penting setiap kali EPF digunakan untuk insulasi. Plastik seluler memiliki konduktivitas termal (transmisi panas) terendah dari semua bahan padat yang diketahui. Mereka mengisolasi dengan sangat baik sehingga pengujian konduktivitas termal memakan waktu, bahkan ketika lembaran tipis digunakan. Lembaran EPF tipis (0,79-2 inci atau 2-5 sentimeter) ditempatkan di sebelah pelat pemanas, dan keduanya ditutup oleh pelat dingin untuk meminimalkan kehilangan panas. Sejumlah kecil panas yang terkontrol kemudian diterapkan ke satu sisi lembaran, dan, setelah beberapa jam, jumlah panas yang menembus ke sisi lain diukur. Tentu saja, semua data harus memenuhi standar EPF.

Masa Depan

EPF dapat dibakar dengan aman dan hanya akan menghasilkan karbon dioksida dan air jika prosedurnya ditangani dengan benar, tetapi trennya adalah mendaur ulangnya sedapat mungkin. EPF dapat didaur ulang menjadi beton, karton telur, produk kantor, insulasi busa, dan tong sampah. Sayangnya, hanya satu persen dari 11 miliar kilogram EPF yang dibuang setiap tahun yang didaur ulang. Perusahaan Daur Ulang Polystyrene Nasional, yang terdiri dari tujuh perusahaan besar, termasuk Amoco, Dow, dan Mobil, berencana untuk meningkatkan ini menjadi 25 persen pada tahun 1995 dengan berfokus pada pengguna besar EPF—outlet makanan cepat saji dan tempat makan perguruan tinggi. Sejak Protokol Montreal tahun 1988, penelitian baru telah difokuskan pada cara-cara untuk mengurangi penggunaan CFC, dan mengembangkan bahan peniup alternatif yang tidak akan merusak lapisan ozon. Perkembangan terbaru termasuk proses yang menggunakan karbon dioksida bertekanan untuk menghasilkan sel yang lebih kecil dan lebih seragam. Ini pada gilirannya memberikan busa yang lebih kuat dan lebih halus dari busa sebelumnya.