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UNIVERSIT DEGLI STUDI DI BRESCIA FACOLT DI INGEGNERIA

Dipartimento di Chimica e Fisica per lIngegneria e per i Materiali

Corso di Laurea in Ingegneria dei Materiali

Tesi di Laurea

CARATTERIZZAZIONE FISICO-

MECCANICA DI POLISTIRENE ESPANSO

PER IL SETTORE ALIMENTARE

Relatore:

Prof. Fabio BIGNOTTI

Correlatore:

Ing. Stefano PANDINI

Laureandi:

GIRARDI Marco

Matr. n. 51604

GRASSINI Carlo

Matr. n. 51547

Anno Accademico 2005-2006

Indice

- i -

IInnddiiccee

Introduzione.........................................................................................................1

Parte I

1. Solidi cellulari e polimeri espansi .....................................................................4

1.1 Introduzione ..............................................................................................4

1.2 Meccanismi di formazione delle celle........................................................6

Nucleazione..................................................................................................7

Accrescimento ............................................................................................11

1.3 Dimensione caratteristica delle celle.......................................................12

Anisotropia..................................................................................................12

2. Propriet dei polimeri espansi........................................................................14

2.1 Densit .....................................................................................................14

2.2 Propriet termiche....................................................................................16

Conduttivit della fase solida ......................................................................17

Contributo della fase gassosa ....................................................................18

Irraggiamento .............................................................................................18

Conduttivit totale.......................................................................................19

Fenomeni diffusivi.......................................................................................20

Altre propriet termiche ..............................................................................20

2.3 Propriet meccaniche...............................................................................21

Comportamento meccanico a compressione..............................................21

Comportamento a trazione .........................................................................24

Indice

- ii -

2.4 Microstruttura e propriet .........................................................................25

3. Principali famiglie di polimeri espansi ............................................................29

3.1 Schiume poliuretaniche...........................................................................29

3.2 Schiume fenoliche...................................................................................31

3.3 Schiume di PVC......................................................................................34

Schiume di PVC rigide................................................................................34

Schiume di PVC flessibili ............................................................................35

3.4 Schiume poliolefiniche ............................................................................36

Polietilene espanso ....................................................................................37

Polipropilene espanso ................................................................................37

3.5 Altri polimeri espansi...............................................................................38

4. Il polistirene espanso .....................................................................................39

4.1 Schiume EPS da polistirene espandibile..................................................40

4.2 Schiume estruse XPS da polistirene cristallo.........................................42

4.3 Propriet del polistirene espanso .............................................................43

4.4 Applicazioni ..............................................................................................44

Edilizia ........................................................................................................44

Imballaggio .................................................................................................45

Altre applicazioni ........................................................................................47

Bibliografia.........................................................................................................48

Parte II

1. Introduzione ...................................................................................................52

2. Materiali e realizzazione provini .....................................................................53

Procedura per il taglio dei provini ...............................................................54

Indice

- iii -

3. Prove sperimentali .........................................................................................55

3.1 Misure di densit.....................................................................................55

3.2 Caratterizzazione della morfologia..........................................................57

3.3 Caratterizzazione meccanica a compressione........................................59

3.4 Caratterizzazione del comportamento a rottura ......................................60

Bibliografia.........................................................................................................64

Parte III

1. Misure di densit............................................................................................66

1.1 Valutazione dellomogeneit di densit, secondo normativa...................66

1.2 Valutazione delleffetto della geometria dei provini e della ripetibilit delle

misure di densit ...............................................................................................67

1.3 Confronto densit dei diversi materiali ....................................................72

Confronto tra vassoi di tutti i materiali.........................................................72

Confronto tra vassoio e lastra per SG1, SG2, SG3 ....................................73

2. Caratterizzazione microstrutturale .................................................................75

2.1 Osservazioni qualitative ..........................................................................75

2.2 Misure dei diametri apparenti di cella......................................................78

2.3 Diametro medio e densit .......................................................................81

3. Prove di compressione...................................................................................83

3.1 Introduzione ............................................................................................83

3.2 Presentazione curve di compressione ....................................................84

3.3 Confronti .................................................................................................87

3.4 Correlazione modulo densit ...............................................................93

3.5 Recupero dopo compressione ................................................................95

Indice

- iv -

4. Caratterizzazione del comportamento a rottura ...........................................100

4.1 Introduzione ...........................................................................................100

4.2 Confronti.................................................................................................102

Bibliografia.......................................................................................................109

Conclusioni ......................................................................................................110

Appendice........................................................................................................110

Ringraziamenti.................................................................................................126

Introduzione

- 1 -

IInnttrroodduuzziioonnee

I polimeri espansi costituiscono un settore molto importante del mercato dei

materiali polimerici e, cosa ancor pi rilevante, un settore in crescita. Le

applicazioni di questa classe di materiali sono vastissime e spaziano in settori

assai diversi, dallimballaggio alledilizia, dallo sport e tempo libero allautomobile.

In particolare, il polistirene espanso (che insieme ai poliuretani espansi occupa la

posizione principe nel mercato dei polimeri espansi) al giorno doggi cos diffuso,

anche nella vita quotidiana, da far s che il termine (improprio) polistirolo sia

ormai di uso comune anche tra chi non ha nulla a che fare con il mercato dei

materiali polimerici. Tuttavia, a una tale e crescente importanza industriale ed

economica del settore non corrisponde una altrettanto ampia e dettagliata

letteratura scientifica. Al di fuori delle aziende produttrici direttamente interessate,

gli studi scientifici e ingegneristici sui polimeri espansi e sulle loro propriet non

ammontano a un volume proporzionato a quello che ci si aspetterebbe, viste tutte

le considerazioni di cui sopra.

Lo stesso dipartimento di Chimica e Fisica per lIngegneria e per i Materiali

dellUniversit degli studi di Brescia, fino a non molto tempo fa, non si era mai

occupato di studi e ricerche riguardanti il mondo dei polimeri espansi di interesse

industriale. Tuttavia, di recente, i contatti stabiliti con una azienda del territorio, la

Sirap-Gema S.p.A. di Verolanuova, hanno fornito loccasione per intraprendere

una ricerca in questo senso.

La Sirap-Gema S.p.A. produce unampia gamma di prodotti in polistirene

espanso, tra cui vassoi per il packaging di prodotti alimentari freschi. Il loro

processo produttivo consta essenzialmente di 3 fasi:

1 step: estrusione di lastre di polistirene, durante la quale avviene una

pre-espansione del polimero;

2 step: termoformatura delle lastre per ottenere i vassoi, in cui si ha la

completa espansione;

3 step: tranciatura dei vassoi termoformati.

Introduzione

- 2 -

Questultima fase ha messo in evidenza notevoli differenze tra le varianti di

vassoi prodotti, in quanto si osservato che alcune producono pochi sfridi di

tranciatura, mentre altre ne generano in quantit eccessiva; tale fenomeno, non

gradito durante il processo produttivo, deve essere ridotto al minimo poich gli

sfridi potrebbero inquinare gli alimenti, e per far ci occorre studiare i diversi tipi di

materiale, cercando di capire la causa relazionandola alle propriet meccaniche,

fisiche o strutturali dellespanso.

Lo scopo del presente lavoro di tesi consiste in primo luogo in una

presentazione generale del mondo dei polimeri espansi, delle principali famiglie

esistenti sul mercato nonch delle loro propriet, tecnologie produttive,

applicazioni. Particolare enfasi sar data al polistirene espanso e alla

caratterizzazione fisico-meccanica dei polimeri espansi, che sono stati studiati nel

corso della tesi. In secondo luogo, verranno presentati i risultati di alcune prove di

laboratorio (misurazione della densit, osservazioni morfologiche al microscopio,

prove di compressione e di flessione) che sono state condotte su alcuni materiali

forniti da Sirap-Gema.

Le prove hanno essenzialmente lo scopo di mettere a punto delle affidabili

metodologie di caratterizzazione sperimentale di questi materiali. In questo ambito

si cercher di discuterne, sia pure a livello preliminare (dato che per una

discussione pi completa sarebbe stato necessario un lavoro pi esteso, non

effettuabile nellambito di questa tesi) i risultati ottenuti, alla luce delle conoscenze

teoriche acquisite nella prima parte del lavoro.

Il lavoro di tesi dunque suddiviso in tre parti ben distinte:

La parte I , a carattere essenzialmente bibliografico, vuole essere una

presentazione e una introduzione ai polimeri espansi, con un occhio di

riguardo al polistirene espanso;

La parte II presenta i metodi e le procedure seguite nella

caratterizzazione fisico-meccanica dei materiali;

La parte III , infine, presenta i risultati da noi ottenuti nelle prove di

laboratorio effettuate e un primo tentativo di interpretazione alla luce delle

conoscenze a nostra disposizione.

- 3 -

Parte I

PPAARRTTEE II

Solidi cellulari e polimeri espansi

- 4 -

Parte I

11.. SSooll iiddii cceell lluullaarr ii ee ppooll iimmeerr ii eessppaannssii

1.1 Introduzione

Con il termine solidi cellulari si indicano quei materiali costituiti da un insieme

di celle , ovvero spazi contenenti gas delimitati da spigoli ed, eventualmente,

facce solide [1] . Si tratta dunque (generalmente) di sistemi bifasici. La propriet

pi immediata di questa tipologia di materiali che la loro densit risulta sempre

minore (a volte anche di due ordini di grandezza) rispetto a quella del solido che

ne costituisce la struttura. Tuttavia non basta che un materiale abbia densit

inferiore a quella del solido che lo compone perch si possa parlare di un solido

cellulare: questa propriet infatti comune anche ad altre classi di materiali, come

i materiali fibrosi o i feltri. Perch si possa parlare di solidi cellulari le celle devono

essere chiaramente individuabili e ben

delimitate. Materiali contenenti porosit isolate

in un continuo solido non sono da considerarsi

solidi cellulari, sebbene a livello tecnologico la

loro produzione consista spesso nell'arrestare

in anticipo il processo di espansione che

altrimenti porterebbe alla formazione di un

solido cellulare.

Molti materiali naturali sono solidi cellulari:

le spugne, ad esempio, ma anche il sughero,

o i coralli. Osservati al microscopio, questi

mostrano una struttura cellulare quale appunto

quella appena descritta. Le stesse ossa del

nostro corpo, all'interno, hanno una struttura

spongiforme (vedere Figura 1).

Le interessanti propriet di materiali di questo tipo hanno portato allo sviluppo di

tecnologie per la fabbricazione di materiali sintetici a struttura cellulare, tra i quali i

pi rilevanti, nonch oggetto della presente trattazione, sono i polimeri espansi , o

schiume polimeriche . Come dice il nome, si tratta di materiali polimerici che

Figura 1: Immagine al m icroscopio della struttura interna, spugnosa, di un osso umano [2]


- 5 -

Parte I

vengono ad assumere la struttura di solido cellulare mediante un processo di

espansione. Questo consiste nel generare bolle di gas nel polimero fluido (se

termoplastico) o in un prepolimero (se termoindurente), fare crescere le bolle

stesse e, infine, congelare l'intera struttura mediante brusco raffreddamento (per

termoplastici) o grazie alla reticolazione (per termoindurenti). Eventualmente il

materiale da espandere pu essere una miscela polimerica, un copolimero o una

struttura IPN (Interpenetrating Polymer Network). E' anche possibile espandere

polimeri caricati con fibre di rinforzo o simili. In questi casi, ovviamente, il materiale

risultante ha pi di due fasi [3] .

Ci sono principalmente due modi per formare una schiuma polimerica: si pu

introdurre un gas tal quale in soluzione nel polimero, per poi causarne

lespansione mediante abbassamento di pressione (espansione fisica ), oppure il

gas pu venire liberato da opportune reazioni chimiche attivate termicamente

(espansione chimica ). In entrambi i casi, il risultato una massa schiumosa che

viene poi indurita, una volta raggiunte le propriet desiderate (in termini di densit,

dimensioni delle celle ecc.). In genere il prodotto appena formato instabile: le

celle appena raffreddate si trovano in depressione (a causa del salto di

temperatura), la reticolazione non ancora completa (nei termoindurenti), nelle

celle ancora presente lespandente, ecc. Per questi motivi, segue in genere alla

formatura un periodo detto di maturazione , o stagionatura , durante il quale il

polimero espanso si stabilizza: si riequilibra la pressione tra le celle mediante

fenomeni diffusivi, viene perso lespandente per diffusione, si completa la

reticolazione, ecc.

Per quanto riguarda la struttura delle celle, si

distinguono sostanzialmente due grandi

famiglie: i solidi cellulari a celle aperte e a celle

chiuse . Idealmente, in una struttura a celle

aperte (Figura 2) le celle non hanno facce, ma

solo spigoli: lintera struttura costituita da

bacchette di solido concentrate negli spigoli e

non vi sono membrane a delimitare lateralmente

le celle. Utilizzando una definizione meno

restrittiva (e pi applicativa), in una struttura a

Figura 2: Schiuma metallica (alluminio) con struttura a celle aperte [4]


- 6 -

Parte I

celle aperte le celle sono tutte intercomunicanti tra loro, attraverso membrane

comunque esistenti alle facce, ma forate pi o meno ampiamente. Al contrario,

una struttura a celle chiuse (Figura 3) caratterizzata dallaver tutte le celle

indipendenti tra loro, separate da membrane integre ad ogni faccia. Va da s che

nella pratica si ha quasi sempre a che fare con

strutture intermedie tra questi due estremi, per

cui presente una certa percentuale di celle

rotte nelle strutture a celle chiuse, esistono

strutture a celle prevalentemente aperte, e cos

via.

Tendenzialmente, le schiume termoindurenti

possono essere ottenute sia a celle chiuse che

aperte, mentre quelle termoplastiche tendono pi

facilmente ad essere a celle chiuse. Dal punto di vista applicativo, la tipologia di

struttura cellulare importantissima: per applicazioni termoisolanti, ad esempio,

una struttura a celle chiuse lideale, poich lisolamento delle celle impedisce

linnesco di moti convettivi nel gas di cella. Viceversa, una struttura a celle aperte

adatta per applicazioni dove sia necessaria la capacit di assorbire liquidi, o

siano richieste propriet fonoassorbenti.

1.2 Meccanismi di formazione

delle celle

Il processo per la preparazione di un

polimero espanso consiste, in estrema

sintesi, nelle seguenti fasi:

Generazione di bolle di gas in

un sistema liquido (Figura 4-a)

Accrescimento delle bolle e

formazione di una schiuma

polimerica (Figura 4-b)

Stabilizzazione della schiuma

per aumento della viscosit del liquido (Figura 4-c)

Figura 4: Schema delle fasi del processo di espansione. a) Nucleazione bolle; b) Accrescimento bolle; c) Stabilizzazione schiuma d) Solidificazione struttura

Figura 3: Schiuma metallica (alluminio) con struttura a celle chiuse [4]


- 7 -

Parte I

Solidificazione della schiuma in una struttura cellulare (Figura 4-d).

Il controllo dei parametri operativi, quali tempi, temperature, pressioni e

concentrazioni di espandente, consente di ottenere strutture cellulari diverse a

seconda delle necessit.

Rimandiamo ad un capitolo successivo una discussione da un punto di vista

tecnologico del processo di espansione: qui ora ci soffermiamo sui fenomeni fisici

che sono alla base dellespansione di un polimero per lottenimento della struttura

cellulare.

Inizialmente si ha una fase liquida continua, che nel caso di polimeri

termoplastici consiste nel polimero stesso portato allo stato fluido, mentre nel caso

di termoindurenti consiste in un liquido precursore, generalmente un prepolimero

non ancora reticolato. Questa fase liquida viene additivata con opportuni agenti,

detti espandenti , che hanno lo scopo di generare, successivamente, delle bolle di

gas allinterno della massa liquida. Si parla di espandenti fisici (e

conseguentemente di espansione fisica) quando il gas (ad esempio aria o azoto)

viene direttamente disciolto nella fase liquida, formando una soluzione o un

sistema colloidale molto prossimo al punto di saturazione; le bolle di gas verranno

generate portando il sistema alla soprassaturazione, mediante rapide variazioni di

temperatura o pressione. Espansione fisica anche quando viene introdotto un

liquido bassobollente (come triclorofluorometano) il quale poi produrr gas

volatilizzandosi non appena la temperatura salir. Gli espandenti chimici , invece,

sono sostanze introdotte nella massa liquida che, in opportune condizioni di

temperatura e pressione, reagiscono tra loro chimicamente generando gas (un

esempio la reazione tra isocianato e acqua che genera anidride carbonica

gassosa nellespansione di alcune schiume poliuretaniche).

Nucleazione

La nucleazione delle bolle di gas nel sistema liquido di partenza un processo

in cui viene generata una seconda fase allinterno di una fase continua in equilibrio

metastabile. La nucleazione pu essere omogenea , quando le bolle si formano

interamente nella fase liquida, o eterogenea , quando le bolle si formano

allinterfaccia con una terza fase (tipicamente solida).


- 8 -

Parte I

Secondo la teoria classica della nucleazione [5] , alla formazione di una bolla

di gas in una massa liquida, per nucleazione omogenea , associata una

variazione di energia libera di Gibbs esprimibile come:

1) )()( LBBLB xVppAG +=

dove la tensione superficiale allinterfaccia gas-liquido, A la superficie della

bolla, pB e pL le pressioni rispettivamente allinterno della bolla e nel liquido, VB il

volume della bolla, x il numero di moli di gas e B e L i potenziali chimici delle

molecole rispettivamente nella bolla e nella fase liquida.

Supponendo di essere in condizioni di equilibrio, la pressione della bolla pB

coincide con la tensione di vapore p, ed

inoltre i potenziali chimici B e L sono

uguali. Ne consegue che, se R il raggio

della bolla, lequazione 1 pu essere

cos riscritta:

2) )(3

44 32 LppRRG =

Nellequazione 2 si possono

identificare due termini: un contributo di

energia libera di superficie che, essendo

positivo, si oppone alla nucleazione e un

contributo negativo di energia libera di

volume, che tende a promuovere la nucleazione. Lespressione di G cos scritta

risulta avere un punto di massimo in corrispondenza di un valore di R, detto

raggio critico R C. Per valori del raggio inferiori a RC, le bolle formatesi tendono a

ridisciogliersi nel liquido (in quanto un loro accrescimento termodinamicamente

sfavorito, poich comporta aumento di energia libera), mentre per R > Rc la bolla

tende ad accrescersi (in quanto allaccrescimento corrisponde in ogni caso una

diminuzione di energia libera). Il valore del raggio critico si ricava dallequazione 1,

eguagliando a zero la derivata dellespressione appena scritta, ovvero imponendo

d(G)/dR = 0. Si ricava cos:

3) L

C ppR

= 2

Figura 5: Grafico qualitativo dell'energia libera (con i contributi superficiale e volumetrico) di nucleazione in funzione del raggio della bolla.


- 9 -

Parte I

Il raggio critico risulta dunque tanto pi piccolo (e, di conseguenza, la

nucleazione di bolle stabili tanto pi favorita) quanto pi la tensione di vapore

elevata rispetto alla pressione del liquido. Unelevata differenza tra questi valori si

pu ottenere alzando la temperatura (e di conseguenza p ) oppure abbassando la

pressione del liquido pL. Lenergia libera in corrispondenza del raggio critico

detta barriera energetica GC e rappresenta lenergia necessaria per generare

un nucleo stabile, in grado di accrescersi. Quanto pi tale barriera bassa, tanto

pi la velocit di nucleazione sar elevata. Tipicamente, quello che si fa

soprassaturare di gas un fuso polimerico, per poi imporre un rapido salto di

pressione (o di temperatura) che generi linstabilit termodinamica che porta alla

nucleazione delle bolle. Lentit di questo salto influisce sulla barriera energetica,

dunque sulla velocit di nucleazione.

In realt, studiando la nucleazione di bolle di gas nel processo di produzione di

polimeri espansi, subentrano molteplici complicazioni a quella che la trattazione

analitica classica della nucleazione omogenea, la quale nata per spiegare il

fenomeno, assai pi semplice, dellebollizione di sostanze omogenee. Nel nostro

caso si ha infatti a che fare con un fuso polimerico, la cui viscosit dunque non

funzione solo di temperatura e pressione ma anche dello sforzo cui sottoposto

(non-newtonianit ). La soluzione che forma con il gas in essa disciolto non

ideale, e inoltre in genere sovrassaturata di gas ad alte pressioni (dunque non in

equilibrio), al fine di costituire una ulteriore forza motrice alla nucleazione. Lipotesi

di equilibrio chimico nelle condizioni di nucleo critico non valida, di conseguenza

le semplificazioni fatte sopra per arrivare allespressione del raggio critico e

dellenergia libera non sono, a rigore, valide.

Non negli scopi della presente trattazione approfondire le complesse

equazioni termodinamiche del fenomeno: basti la considerazione che, in genere,

tutti i fattori di complicazione enunciati tendono a diminuire il valore della G di

nucleazione, quindi a favorirla. Le trattazioni analitiche del fenomeno si basano

sulle equazioni della teoria classica della nucleazione, modificate attraverso

opportuni coefficienti correttivi che tengano conto dei fenomeni sopra citati. Si

veda [5] per approfondimenti.

Nel caso la nucleazione avvenga in corrispondenza dellinterfaccia con una

terza fase, generalmente solida, essa si dice eterogenea . Sempre riferendoci alla


- 10 -

Parte I

teoria classica, lenergia libera in questo caso esprimibile come:

4) BLBslslsbsbblblet VppAAAG )( +=

dove bl, sb, sl sono le tensioni superficiali tra bolla e liquido, bolla e solido e

solido e liquido, rispettivamente (si veda Figura 6). Senza entrare nel merito dei

passaggi analitici necessari

per giungere a queste

conclusioni, possibile

ricavare unequazione per il

raggio critico che coincide

con lequazione 3, ovvero

con il caso della

nucleazione omogenea.

In realt, ci che cambia la barriera energetica GC, che viene diminuita dalla

presenza della fase solida. In particolare, viene diminuita tanto pi quanto pi la

tensione superficiale sl elevata e quanto minore la tensione sb. Gli agenti

nucleanti dunque dovranno essere scelti in maniera tale da non legarsi fortemente

con il liquido ed essere il pi affini possibile con il gas, al fine di facilitare la

nucleazione eterogenea.

Da un semplice bilancio di tensioni superficiali allequilibrio, possibile ricavare

che:

5) sb

blsl

=cos

evidente che a un basso valore della barriera energetica corrisponde un basso

valore dellangolo di contatto . In definitiva quindi, quanto pi tale angolo di

equilibrio sar basso (e le bolle dunque spalmate sul solido) tanto pi la

velocit di nucleazione risulter elevata grazie alla riduzione della barriera

energetica.

Tipicamente, nucleazione omogenea ed eterogenea avvengono

contemporaneamente, e sono competitive tra loro. La competitivit si gioca sulla

concentrazione dellagente nucleante: per basse concentrazioni prevalgono i

fenomeni di nucleazione omogenea, per alte concentrazioni la nucleazione

Figura 6: Schema di nucleo eterogeneo: sono evidenziate le tensioni superficiali tra le diverse fasi.


- 11 -

Parte I

eterogenea favorita. Per concentrazioni intermedie, intorno al limite di solubilit

dellagente nucleante, si hanno fenomeni comparabili.

Giocando sulle pressioni di saturazione (per lomogenea), sulle concentrazioni di

nucleante (per leterogenea) o su entrambi (nella zona dove i due fenomeni

competono) si ottengono velocit di nucleazione differenti, le quali porteranno ad

una struttura pi o meno densa di bolle.

Accrescimento

Laccrescimento delle bolle di gas nucleate nel liquido polimerico un fenomeno

logicamente successivo, ma di fatto contemporaneo e competitivo alla

nucleazione. Infatti, quando una bolla nucleata stabilmente (ha cio raggio

uguale o superiore al raggio critico RC), essa inizia subito ad accrescersi per

diffusione del gas dal liquido circostante. Ci fa s che si abbia un gradiente di

concentrazione del gas nella zona circostante la bolla in accrescimento: in

particolare, intorno a s la bolla forma una zona povera di gas, cosa che

sfavorisce in quella zona la nucleazione di nuove bolle. Per questo motivo, se la

velocit di nucleazione bassa, ben presto laccrescimento delle bolle gi formate

impoverisce il liquido al punto da inibire la nucleazione: in questo modo si forma

una struttura fatta di poche bolle grandi. Viceversa, unelevata velocit di

nucleazione fa s che numerosi nuclei si formino prima che le bolle in

accrescimento assorbano troppo gas dal liquido, cosicch la struttura risultante

di numerose bolle di piccole dimensioni, che si traduce in un espanso ad alta

densit di celle.

La crescita delle bolle regolata principalmente da due fenomeni: la diffusione

e le forze viscose . Dapprima una bolla si accresce prevalentemente grazie alla

diffusione di gas dal liquido circostante, lavorando contro le forze viscose del fluido

che tendono invece ad opporsi allespansione. Raggiunto lequilibrio di

concentrazione tra bolla e gas, la crescita si arresta poich non pi disponibile

gas nella fase liquida per diffondere nelle bolle: a questo punto si pu avere

ulteriore crescita per diffusione di gas dalle bolle piccole a quelle grandi, o per

espansione fisica dovuta a variazioni di temperatura o pressione.

Se il liquido ha bassa viscosit, si pu accettare una modellizzazione della

crescita basata esclusivamente sulle equazioni dei fenomeni diffusivi: il caso ad


- 12 -

Parte I

esempio dei poliuretani nella fase iniziale dellespansione, quando ancora il peso

molecolare del polimero sufficientemente basso da considerare i fenomeni

viscosi quasi trascurabili. Per fusi polimerici termoplastici, o comunque ad alto

peso molecolare, la viscosit del liquido invece troppo elevata perch si possa

modellizzare la crescita basandosi sulla sola diffusione, e dunque necessario

ricorrere a modelli assai complessi (per i quali necessario un approccio di tipo

numerico), in cui si tengano presenti contemporaneamente i contributi diffusivi e

viscosi. Tali modelli non sono oggetto della presente trattazione: si veda [5] per

chiarimenti e ulteriori rimandi bibliografici.

1.3 Dimensione caratteristica delle celle

E importante, volendo caratterizzare la struttura cellulare, definire innanzitutto la

dimensione lineare caratteristica delle celle. Questa pu essere definita in

diversi modi: valor medio tra la larghezza massima e minima di una cella, raggio di

una sfera di ugual volume, distanza media tra i centri di celle adiacenti

In realt, la dimensione delle celle in un espanso non mai uniforme, ma

distribuita statisticamente, a volte anche con varianza molto elevata. Parlando di

dimensione caratteristica si intende dunque, in genere, il valor medio di tale

distribuzione.

Per misurare questa grandezza ci si basa su immagini ottenute al microscopio;

esistono diverse metodologie per ricavare la lunghezza caratteristica dalle

immagini. Citiamo soltanto la norma ASTM D 3576 [6] , che sar discussa ed

applicata ad un caso reale in un capitolo successivo.

Anisotropia

Molto spesso la struttura dei polimeri espansi anisotropa , seppure in maniera

limitata (si veda ad esempio Figura 7). Le celle, a meno che non si siano formate

in condizioni di completa libert di espansione nelle tre dimensioni, non hanno

forma equiassica, ma una direzione si rivela mediamente diversa dalle altre:

questo in genere causato dal processo tecnologico di espansione. In ogni caso,

lanisotropia delle celle si ripercuote sullintero espanso, rendendo le propriet

meccaniche e fisiche, in generale, diverse a seconda della direzione lungo cui

esse vengono misurate.


- 13 -

Parte I

Per quantificare ci, si

definisce lanisotropia della

struttura cellulare come

rapporto tra la dimensione

media maggiore e quella

minore:

6) min

max

L

LR =

Normalmente, negli

espansi tale valore

intorno ad 1.3, ma dipende

fortemente dal processo

tecnologico di formatura e di lavorazione dellespanso.

Figura 7: Immagine al microscopio ottico di struttura anisotropica delle celle di un Polistirene espanso.

Propriet dei polimeri espansi

- 14 -

Parte I

22.. PPrroopprr iieett ddeeii ppooll iimmeerr ii eessppaannssii

Per i solidi cellulari, le propriet meccaniche, fisiche e termiche sono in generale

frutto della combinazione di quattro fattori:

La natura del solido che costituisce la matrice

La natura del fluido allinterno delle celle

Le quantit relative di solido e fluido (ovvero, la densit del solido

cellulare)

La morfologia della struttura cellulare

Nel mondo dei polimeri espansi, giocando su questi fattori si possono ottenere

materiali con un ampio spettro di propriet: da rigidi a flessibili, da galleggianti ad

assorbenti, termoisolanti o isolanti acustici. Densit relative pi o meno elevate,

strutture con un numero pi o meno alto di celle per unit di volume determinano

le propriet meccaniche e fisiche le quali, a loro volta, determinano il settore di

impiego del materiale.

2.1 Densit

Una caratteristica comune praticamente a tutti i polimeri espansi, in maggiore o

minore misura, la leggerezza . La densit apparente o, pi semplicemente, la

densit f (la f a pedice sta per foam, schiuma) di un polimero espanso,

definita [6] come il rapporto tra la massa di un campione di geometria nota e il suo

volume.

7) f

ff V

m=

probabilmente la caratteristica pi importante per un polimero espanso, in

quanto influenza molte altre propriet. Per le schiume varia da pochi kg/m3 (ordine

di grandezza della densit dellaria) a poco meno di 1000 kg/m3 (ordine di

grandezza della densit dei polimeri compatti). In ogni caso i solidi cellulari sono i

materiali con i valori pi bassi di densit, e ci fondamentale in molte


- 15 -

Parte I

applicazioni: nellimballaggio, ad esempio, ma anche in edilizia.

Un altro modo di esprimere la densit di un espanso attraverso la densit

relativa , ovvero [7] la densit della schiuma rapportata alla densit del polimero

compatto che ne costituisce la matrice, p (il pedice p sta per polymer):

8) p

f

=

Questa misura pu anche essere vista come la frazione volumetrica di

polimero in una schiuma: considerando trascurabile la massa del gas mg, infatti,

si ha che:

9) f

p

p

p

f

p

p

p

f

gp

p

p

f

f

p

f

V

V

V

m

V

m

V

m

V

mm

V

m

V

m

=/

/

+

==

Sono propriamente definiti polimeri espansi quelli il cui valore della densit

relativa uguale o inferiore a 0.3: questo valore corrisponde ad un rapporto tra

dimensione caratteristica delle celle e spessore medio delle pareti di 10 circa. Vale

a dire che, per valori di densit superiori, lo spessore delle pareti superiore a

1/10 della lunghezza caratteristica delle celle, e in questo caso pi che di celle

vere e proprie si deve parlare di porosit isolate, e il materiale definito un

semiespanso .

La densit relativa una propriet strettamente collegata alla morfologia della

struttura cellulare: come da equazione 9, infatti, essa di fatto coincide con la

frazione di volume occupata dal solido. Adottando un modello, idealizzato, di cella

di forma cubica (come quelle in Figura 8), se t lo spessore medio degli spigoli

delle celle e l la lunghezza delle nervature, allora valgono [8] :

10)

2

1

=l

tc

p

f

11) l

tc

p

f2=


- 16 -

Parte I

Lequazione 10 si applica a polimeri espansi a celle aperte, la 11 ad espansi a

celle chiuse. Le costanti c1 e c2 hanno valore prossimo a 1 e dipendono dalla

forma delle celle. Entrambe le equazioni valgono nellipotesi che t


- 17 -

Parte I

Conduttivit della fase solida

La conduzione attraverso il polimero solido stata studiata (si veda [9] )

considerando lespanso come

formato da celle cubiche, di

uguali dimensioni, allineate ed

equispaziate.

Supponendo che il flusso

termico sia perpendicolare ad

una delle facce delle celle, e

che il polimero sia

uniformemente distribuito nelle

sole pareti cellulari (come in

Figura 9-a), abbiamo che i 2/3 del materiale solido (4 facce su 6) sono orientati

nella direzione del flusso e sono dunque efficaci per la conduzione. La conduttivit

termica in questo caso risulta dunque:

13) pols

fs kk

=

3

2

essendo la densit relativa uguale alla frazione volumetrica di solido, mentre kpol

la conduttivit termica del polimero compatto. Nel caso diametralmente opposto,

in cui il materiale solido invece concentrato totalmente nelle nervature (una

struttura a celle aperte ideale, dunque, come in Figura 9-b) la frazione di solido

efficace per la conduzione, orientata cio nel senso del flusso termico, solo di

1/3 (4 spigoli su 12). Pertanto risulta:

14) pols

fs kk

=

3

1

In realt, il solido distribuito tra pareti e nervature, e le celle non sono

perfettamente allineate, n cubiche. Pertanto, unequazione semi-empirica che

descrive con buona approssimazione la conduttivit della sola fase solida del

polimero la seguente:

15) pols

fNs kk

=

33

28.0

Figura 9: Modello a celle cubiche allineate ed equispaziate per lo studio della conduzione attraverso il polimero solido. a) Polimero con centrato nelle pareti cellulari; b) Polimero concentrato nel le nervature


- 18 -

Parte I

dove N la frazione di solido contenuta nelle nervature, e 0.8 un coefficiente

empirico che tiene conto della non idealit della struttura.

Contributo della fase gassosa

Il fluido contenuto nelle celle contribuisce al trasferimento di calore per

conduzione pura ed eventualmente con moti convettivi. Se le celle sono chiuse e

sufficientemente piccole (meno di 10 mm), il contributo convettivo diventa

praticamente trascurabile. La convezione, quando presente, un meccanismo di

scambio termico molto efficiente: per questo motivo i migliori isolanti termici sono

espansi a celle chiuse con piccoli diametri cellulari.

La conduttivit della miscela gassosa dipende dalla natura dei gas, dalla loro

concentrazione e dalla temperatura, mentre la pressione sostanzialmente

ininfluente. Allinterno delle celle, in genere, non vi un solo fluido ma una miscela

di gas di diversa natura e diverso peso molecolare. La conduttivit complessiva

non una semplice somma dei contributi dei singoli gas, ma risulta una funzione

pi complessa, in ragione delle eventuali interazioni tra le molecole delle diverse

componenti della miscela. In generale, si ha:

16) =

=n

iiim kwk

1

dove ki la conduttivit della i-esima specie della miscela, mentre wi un fattore

peso, proporzionale alla frazione molare yi del gas, determinato secondo un

modello scelto allo scopo [8] [5] .

Il contributo alla conduttivit dellespanso, kg, risulta dunque pari a:

17) ms

fg kk

=

1

dove (1 - f/s) la frazione volumetrica di gas.

Irraggiamento

Le pareti cellulari si trasferiscono calore anche mediante irraggiamento. Per

descrivere questo contributo, il modello pi semplice quello di radiazione tra

lastre piane e parallele a temperature T1 e T2 e a distanza x, considerando le

pareti cellulari come corpi grigi. Il contributo radiativo alla conduttivit risulta cos:


- 19 -

Parte I

18) xTT

ki

+

=3

21

22

4

dove la costante di Stefan-Boltzmann, ed lemissivit delle pareti.

In realt, le pareti cellulari non sono

completamente opache: per questo, la

conduttivit radiativa nellequazione 18 va

moltiplicata per un opportuno coefficiente C 1,

corrispondente al numero di celle che devono

essere attraversate prima che la radiazione sia

completamente assorbita.

Anche la conduttivit radiativa risulta funzione

della densit relativa f/s: per lespressione di

tale dipendenza rimandiamo a [8] .

Conduttivit totale

La conduttivit totale funzione della densit

relativa, cos come tutte le sue componenti. Considerando trascurabile il contributo

convettivo, possibile costruire un grafico (come in Figura 11) che ne descrive

landamento generale

per un espanso a

celle chiuse. Come si

vede, si ha un minimo

di conduttivit intorno

a f/s = 0.03 0.07:

a questi livelli, la

conduttivit

dellespanso (intorno

a 0.04 W/mK) di

poco superiore a

quella dellaria (0.025

W/mK) che ne riempie

Figura 10: Trasmissione del calore per irraggiamento tra pareti cellulari

Figura 11: Andamento qualitativo della conduttivit termi ca in funzione della densit relativa in un polimero espa nso a celle chiuse.


- 20 -

Parte I

le celle [7] ; [11] .

Tutte le componenti della conduttivit sono influenzate dalla temperatura: in

genere si ha un aumento della conduttivit allaumentare della temperatura, ma

non mancano casi in cui si hanno dei lievi aumenti a basse temperature, legati alla

condensazione di un componente della miscela dei gas. I valori della conduttivit

forniti in letteratura si riferiscono generalmente alla temperatura standard di 10C.

Fenomeni diffusivi

Per garantire un buon isolamento termico, la conduttivit del gas contenuto nelle

celle deve essere molto bassa: questo si ottiene tipicamente con gas ad elevato

peso molecolare, ad esempio triclorofluorometano (TCFM)1. Con il passare del

tempo, per si ha il fenomeno dellinvecchiamento : i gas a bassa conduttivit

contenuti nelle celle fuoriescono per processi diffusivi, lasciando il posto allaria,

che ha invece una conduttivit pi elevata. Perci, con il passare del tempo le

propriet termoisolanti di un espanso tendono a peggiorare.

La diffusione avviene in modo indipendente per le diverse specie gassose, ed

regolata principalmente da due fenomeni:

la permeazione delle molecole di gas attraverso le pareti cellulari;

leffusione attraverso fori nelle pareti cellulari.

Per una trattazione quantitativa, si veda [8] .

Altre propriet termiche

Le altre propriet termiche di un polimero espanso, quali le temperature di

rammollimento e/o di fusione, il calore specifico, e il coefficiente di espansione

termica, sono generalmente quelle del polimero compatto corrispondente, in

quanto il contributo dei fluidi a queste propriet molto piccolo.

importante sottolineare che, sebbene il calore specifico di un espanso sia

praticamente pari a quello del polimero, a parit di volume la capacit termica di

1 Luso del TCFM e dei CFC in generale per ultimamente deprecato, per ragioni di impatto

ambientale. Si tende quindi a sostituirli con gas pi compatibili, sebbene meno performanti in

termini di isolamento termico, come gli idroclorofluorocarburi (HCFC) o il pentano. [7] ; [3] .


- 21 -

Parte I

un espanso molto minore, in virt del fatto che la densit, dunque la massa,

inferiore (di due ordini di grandezza!). Infatti, i polimeri espansi termoisolanti

scambiano pochissimo calore per raggiungere lequilibrio termico con un corpo

con cui vanno in contatto. Questo un ulteriore vantaggio nellimpiego degli

espansi per applicazioni termoisolanti.

2.3 Propriet meccaniche

Comportamento meccanico a compressione

Se sottoposto a compressione, un polimero espanso d tipicamente una curva

sforzo - deformazione simile a quella in Figura 12.

Sono chiaramente distinguibili tre zone:

Una prima zona dove il materiale risponde in modo elastico-lineare.

Una zona estesa di plateau.

Unultima zona di rapida crescita dello sforzo.

Nella zona di elasticit lineare , come schematizzato in Figura 13, per un

polimero a celle aperte, la

compressione dellespanso

si traduce, a livello

microscopico, nella

flessione delle nervature. Il

modulo di Young a

compressione della schiuma

viene cos ad essere

strettamente correlato al

modulo a flessione delle

nervature, considerate

come travi di polimero

compatto. Il rapporto tra il modulo della schiuma e il modulo del polimero compatto

risulta essere funzione della frazione volumetrica di polimero, dunque della densit

relativa, secondo lequazione 19:

Figura 12: Tipico andamento di una curva - di compressione per un polimero espanso.


- 22 -

Parte I

19)

2

s

f

s

f

E

E

Per un polimero a celle chiuse, a questa si

accompagna il contributo del fluido, la cui

pressione aumenta a causa della sollecitazione,

opponendosi alla compressione, e la

deformazione a trazione del polimero costituente

le facce, perpendicolarmente alla direzione di

compressione. Si adotta dunque un modello

misto in cui si considerino contemporaneamente

tutti i 3 contributi, come il modello degli elementi

in parallelo riportato in Figura 14.

Il contributo della flessione delle nervature descritto da unequazione analoga

alla 19, con in pi per un fattore

moltiplicativo:

20) ( )2

21 86.0

=

s

f

s

Nf C

E

E

dove C1 una costante e la

frazione di solido contenuta negli

spigoli delle celle.

Il contributo del fluido e quello della

trazione delle membrane sono

descritti, rispettivamente, dalle

equazioni 21 e 22:

21)

)1(

)21(0

s

f

fGf

p

d

dpE

==

22)

=

s

f

s

Mf C

E

E

)1(1

dove p0 la pressione iniziale del fluido e f il rapporto di Poisson della schiuma.

Figura 13: Schema della flessione delle nervature, in un modello cubico di cella aperta.

Figura 14: Modello con tre elementi in parallelo per descrivere la compressione di polimeri espansi a celle chiuse.


- 23 -

Parte I

Rimandiamo a [8] per una trattazione pi approfondita del modello appena

esposto.

Nella zona di plateau avvengono fenomeni di varia natura, a seconda delle

caratteristiche del polimero: in ogni caso, comunque, si ha un collasso della

struttura cellulare, che si traduce nella curva in un tratto a sforzo costante.

Per espansi con caratteristiche duttili o elastomeriche , il collasso avviene per

piegamento, distorsione o deformazione plastica, e conseguente cedimento

strutturale delle nervature laterali. Se lespanso a celle chiuse, la pressione

interna complica il fenomeno, opponendosi alla compressione e facendo avvenire

uno stiramento plastico delle pareti cellulari. In alcuni casi, si pu anche avere

lesplosione fisica di alcune celle, se la pressione interna notevolmente pi alta

della pressione atmosferica.

Per espansi rigidi con caratteristiche fragili , sia a celle aperte che chiuse, il

collasso avviene quando il momento flettente che agisce sulle nervature (ed

eventualmente sulle facce) supera il limite di rottura: la cella si rompe in modo

fragile e la struttura via via si sbriciola. Leffetto del fluido per espansi a celle

chiuse, in questo caso, solitamente trascurabile.

Lultimo tratto della curva sforzo-deformazione, che si osserva dopo il completo

collasso, corrisponde alla fase di densificazione . La struttura ormai collassata

viene compattata, e il modulo rapidamente sale, tendendo (al limite) al modulo

elastico del polimero compatto, quando le pareti cellulari vengono in contatto tra

loro. A questo punto, di fatto, il polimero-base ad essere sollecitato a

compressione.

Figura 15: Schema delle fasi di una prova di compressione su un generico espanso. a) struttura non sollecitata; b) fase elastico-lineare ; c) collasso strutturale; d) densificazione


- 24 -

Parte I

Ad eccezione dei polimeri espansi molto rigidi e con caratteristiche fragili, il

recupero al cessare della sollecitazione in genere considerevole: ci

essenzialmente dovuto allaria che rapidamente diffonde rigonfiando il materiale

(celle aperte) , o al fluido interno alle celle che si espande depressurizzandosi

(celle chiuse).

Comportamento a trazione

Similmente al comportamento a compressione, il comportamento a trazione pu

essere idealmente suddiviso in tre fasi

(vedi Figura 16):

Una prima fase di risposta

elastico-lineare, dovuta alla

flessione delle nervature delle

celle.

Una seconda fase in cui, a

causa dellallungamento delle

celle, il braccio delle forze che

causano la flessione degli

spigoli si riduce progressivamente: pertanto, lo sforzo cresce meno

rapidamente.

Unultima fase in cui, essendo oramai gli spigoli sostanzialmente allineati

tra loro, il polimero-

base ad essere posto in

trazione: si assiste

pertanto ad un aumento

del carico.

Per espansi polimerici con

comportamento fragile, in genere

si ha solo la prima fase, al

termine della quale si ha rottura

fragile per flessione delle

nervature.

Figura 16: Tipica curva - di trazione per un espanso polimerico duttile.

Figura 17: Schema del comportamento a trazione di un tipico polimero espanso a comportamento duttile. a) tratto elastico-lineare; b) fase di allineamento degli spigoli; c) trazione degli spigo li allineati


- 25 -

Parte I

2.4 Microstruttura e propriet

Come gi stato detto, le propriet macroscopiche dei polimeri espansi

dipendono, oltre che dalla densit e dalla natura di solido e gas che li

compongono, anche dalla struttura interna: morfologia, dimensioni, orientazione,

disposizione delle celle.

Lo strumento pi idoneo per studiare questi parametri il microscopio , ottico

od elettronico. Sulle immagini acquisite si possono poi fare valutazioni sulle

propriet morfometriche, anche avvalendosi di un opportuno software di analisi

dimmagine.

Per osservare una microstruttura al microscopio ottico, necessario che lo

spessore del provino non sia superiore alla met del diametro medio delle celle: in

caso contrario, la sovrapposizione tra celle di piani differenti renderebbe di difficile

individuazione la struttura dellespanso. Con il microscopio ottico si possono

ottenere, al massimo, fino a 1000 ingrandimenti utili.

Neanche le migliori immagini catturate con il microscopio ottico possono per

competere con la qualit delle immagini ottenibili con un microscopio elettronico a

scansione (SEM).

Tale strumento,

sebbene non

consenta di

distinguere i colori,

garantisce oltre ad

ingrandimenti molto

maggiori (fino a

100000 volte) una

profondit di

campo molto pi

elevata e un

contrasto molto

soddisfacente, il che porta ad avere unimmagine molto nitida (come in Figura 18)

e adatta a valutazioni quantitative sui parametri strutturali.

Per poter essere osservata al SEM, una superficie polimerica (non conduttiva)

Figura 18: Immagine SEM di schiuma polimerica in polimetilacrilimmide [13]


- 26 -

Parte I

viene generalmente metallizzata , ossia ricoperta da un sottile strato (circa 20 nm)

di metallo, generalmente oro. Questo perch la tecnologia alla base del

microscopio elettronico richiede che il campione liberi elettroni con facilit in

seguito alla collisione con il fascio elettronico primario proveniente dallo strumento

[12] .

Osservando i campioni al microscopio, si nota come spesso la microstruttura dia

importanti informazioni per la comprensione delle propriet macroscopiche del

materiale. Certo, non sempre lo studio della morfologia al microscopio in grado

di rendere ragione di tutte le propriet macroscopiche: tuttavia molte di queste

possono essere spiegate, o meglio comprese, proprio attraverso unindagine

microstrutturale che metta in evidenza le

correlazioni struttura-propriet.

Per quanto riguarda le propriet

termiche , un materiale che garantisca un

buon isolamento avr sicuramente una

struttura a celle completamente chiuse, o

con una bassissima percentuale di celle

rotte, in modo da poter garantire la

presenza allinterno delle celle di una

miscela di gas con bassissima

conduttivit termica, e da impedire la generazione di moti convettivi significativi nel

fluido.

Lisolamento acustico una propriet

che gli espansi, a dispetto della loro

bassa densit (e dunque basse capacit

di riduzione della trasmissione sonora),

possono ottenere grazie alla capacit di

assorbire le onde sonore con frequenze

medio-alte. Allo scopo necessaria una

microstruttura a celle aperte, per far s

che londa sonora si propaghi allinterno

del labirinto delle celle del materiale, per

essere poi trasformata in calore per attrito.

Figura 19: Immagine SEM di schiuma di poliuretano a celle chiuse. [14]

Figura 20: Immagine SEM di schiuma poliuretanica a celle aperte. [15]


- 27 -

Parte I

La permeabilit a gas e liquidi ovviamente funzione della percentuale di celle

aperte. Infatti, in una struttura prevalentemente aperta facile per gas e vapori

permeare e diffondere attraverso le celle. Unopportuna struttura con unelevata

percentuale di celle rotte in grado di assorbire e trattenere anche per lunghi

periodi grandi quantit di acqua o di liquidi: questa caratteristica ad esempio

sfruttata dalle schiume fenoliche per la conservazione dei fiori recisi, o in alcune

tipologie di polistirene espanso per vassoi destinati a contenere carne fresca e ad

assorbirne i liquidi.

Viceversa, una struttura a celle completamente chiuse garantisce unottima

impermeabilit: propriet sfruttata sia nella realizzazione di contenitori per alimenti

sia per applicazioni richiedenti il galleggiamento . Va notato, a questo proposito,

che negli espansi a celle chiuse di fatto ogni singola cella costituisce un elemento

galleggiante, cosicch tali materiali non affondano nemmeno in caso di grave

danneggiamento o foratura.

Losservazione microscopica consente di individuare la presenza di eventuale

anisotropia nel materiale: pertanto, qualora una dimensione cellulare risultasse

pi lunga delle altre due, o vi fosse una evidente orientazione preferenziale delle

celle nella struttura, nelle immagini acquisite da microscopio si possono ricavare

importanti considerazioni sia qualitative che quantitative allo scopo.

E importante anche valutare la trasformazione della microstruttura dopo

sollecitazione meccanica , particolarmente in quelle applicazioni (come

limballaggio o la protezione individuale) nelle quali il materiale sar sottoposto a

urti e sollecitazioni durante la sua vita. Si va dunque a verificare la presenza di

eventuali deformazioni permanenti, rotture delle celle, nascita di fessurazioni,

alterazioni delle pareti cellulari dopo la sollecitazione al fine di comprendere come

questa possa modificare la struttura e, di conseguenza, le propriet

macroscopiche dellespanso.


- 28 -

Parte I

Per acquisire informazioni

quantitative si pu utilizzare

un opportuno software di

analisi di immagine , in grado

di esaminare le immagini

ottenute dal microscopio per

ricavarne quante pi

informazioni possibili in

termini di quantit,

distribuzione per dimensione

e superficie, forma,

orientazione, connettivit della

struttura globale. Per approfondire, si veda [12] .

Figura 21: Microstruttura di un polistirene espanso dopo prova di compressione: sono visibili le distorsioni delle pareti cellulari.

Principali famiglie di polimeri espansi

- 29 -

Parte I

33.. PPrr iinncciippaall ii ffaammiiggll iiee ddii ppooll iimmeerr ii eessppaannssii

3.1 Schiume poliuretaniche

I poliuretani (PU) , in generale,

sono polimeri in cui sono presenti pi

gruppi uretanici (NHCOO, vedi Figura

22), ottenuti dalla sintesi di molecole

contenenti pi gruppi isocianici (di- o

poli-isocianati) e molecole contenenti

pi gruppi ossidrilici (dioli o polioli). La

polifunzionalit delle molecole

consente la formazione di polimeri

reticolati, quindi termoindurenti.

Le propriet e le caratteristiche del prodotto polimerico ottenuto dipendono sia

dalla struttura dei prodotti di base, polioli e poli-isocianati, sia dal tipo di

catalizzatori e additivi impiegati; questi ultimi vengono spesso premiscelati con i

polioli e contribuiscono, durante la reazione con lisocianato, sia a controllare la

reazione di sintesi del poliuretano, sia a modificare le propriet del polimero finale.

I polioli utilizzati nella sintesi dei poliuretani hanno generalmente peso

molecolare compreso tra 400 e 6000 e funzionalit (numero dei gruppi ossidrilici

reattivi per molecola) comprese tra 2 ed 8. Si tratta di catene polietere o

poliestere, o di miscele dei due tipi. La flessibilit della struttura molecolare dei

polioli, nonch la loro funzionalit, contribuiranno a determinare le propriet della

resina finale, in particolare lottenimento di una struttura rigida o flessibile.

Le schiume poliuretaniche sono sicuramente la famiglia di poliuretani pi

importante, in quanto assorbe pi del 60% della produzione in Europa [16] .

Lottenimento dei poliuretani espansi frutto di due meccanismi contemporanei: il

primo la reazione dellisocianato con i gruppi alcolici del poliolo: questa reazione

causa lallungamento della catena del poliolo e la formazione di un polimero

poliuretanico pi o meno reticolato.

Figura 22: Reazione di sintesi di un gruppo uretanico da un isocianato e un alcool.


- 30 -

Parte I

Il secondo meccanismo produce il gas rigonfiante mediante espansione chimica

o fisica: nel primo caso, alla reazione base della sintesi appaiata quella del

gruppo isocianico con lacqua, che genera lo sviluppo di anidride carbonica

gassosa che costituisce lagente espandente. Nel caso dellespansione fisica,

invece, un liquido bassobollente (tipicamente degli HCFC, cio

idroclorofluorocarburi) viene inglobato nella massa reagente e, sfruttando parte del

calore di polimerizzazione, passa allo stato gassoso espletando cos la sua

funzione di espandente.

I poliuretani espansi si possono dividere in due grandi famiglie: le schiume

rigide e le schiume flessibili : a queste si pu aggiungere un gruppo di schiume

con propriet intermedie che usualmente vengono chiamate semi-rigide . Come

dice il nome, la

differenza tra le

famiglie sta

appunto nella

rigidit meccanica

della struttura: a

livello molecolare,

ci si traduce in

una diversa

densit di reticolazione, che viene ottenuta con polioli e poliisocianati con

differente funzionalit (numero di gruppi funzionali attivi per ogni molecola) e peso

molecolare (vedi Tabella 1).

Il mercato pi ampio appartiene alle schiume poliuretaniche flessibili : si tratta

di espansi a celle aperte, con modulo elastico molto basso e recupero rapido e

completo dopo deformazione a compressione. Possono essere a base di polioli

polieterei o poliesterei. La maggior parte delle schiume flessibili prodotta in

impianti di tipo continuo oppure a lotti, mediante stampaggio. Le schiume flessibili

trovano applicazione laddove sono richieste la sofficit e la leggerezza che le

contraddistinguono, vale a dire nellimbottitura di sedili o supporti schiena, anche

nel mondo dellautomobile, come materassi o cuscini, come isolanti termici

nellabbigliamento sportivo e spesso anche nel settore dellimballaggio, come

protezioni per oggetti particolarmente delicati inseriti in protezioni pi rigide

Schiume Rigide Semi-rigide Flessibili

Funzionalit 3.0 8.0 3.0 3.5 2.0 3.0

Modulo elastico [MPa] > 700 700 70 < 70

Tabella 1: Modulo elastico delle diverse famiglie di schiume poliuretaniche, secondo la funzionalit dei polioli utilizzati nella reazione. [3]


- 31 -

Parte I

esterne (spesso in polipropilene). Per la loro struttura a celle aperte, sono

utilizzate anche per lisolamento acustico e vibrazionale, nel settore

automobilistico ad esempio.

Le schiume poliuretaniche rigide , invece, sono tipicamente strutture a celle

prevalentemente chiuse (pi del 90% [3] ) con scarsa flessibilit; dopo

compressione, non recuperano completamente la deformazione. Le loro

caratteristiche meccaniche sono conseguenza della struttura molecolare molto

densamente reticolata. Varie sono le tecnologie di produzione, che spaziano dalla

produzione, continua o a lotti, di blocchi o pannelli, alla realizzazione di strutture

sandwich mediante stampaggio a compressione, al riempimento di manufatti di

vario genere, al Reactive Injection Moulding (RIM), nel quale polioli e

poliisocianati sono miscelati e pompati nello stampo in proporzioni predeterminate

al fine di polimerizzare direttamente in sede di formatura.

Le applicazioni principali dei poliuretani espansi rigidi sono nel settore edile,

dove viene sfruttata la loro rigidit unitamente alla loro bassa conducibilit termica

(dovuta alla struttura a celle prevalentemente chiuse). Per la stessa ragione sono

largamente impiegate anche negli impianti refrigeranti, sia domestici che

industriali. Le loro caratteristiche di buona adesivit le rendono inoltre adatte alla

realizzazione di laminati, ad esempio come nucleo di pannelli sandwich dove

sono rivestite da resine poliestere o epossidiche caricate: ne risulta una struttura

leggera, con buona rigidit flessionale e buone propriet di isolamento termico:

lutilizzo largo nel settore aeronautico e dei trasporti.

Le schiume semirigide hanno propriet intermedie tra quelle delle due famiglie

principali: hanno un grado di reticolazione maggiore delle schiume flessibili che

conferisce loro, a temperature non elevate, una certa rigidit strutturale

unitamente per ad una capacit di recuperare le deformazioni a compressione

marcatamente maggiore di quella delle schiume puramente rigide. Una

applicazione tipica delle schiume semirigide nellimbottitura di parti interne degli

autoveicoli (cruscotti, portiere).

3.2 Schiume fenoliche

Le resine fenoliche sono polimeri termoindurenti ottenuti dalla condensazione

di fenoli (tipicamente fenolo) e aldeidi (tipicamente formaldeide) [18] . Il polimero


- 32 -

Parte I

termoindurente non viene prodotto direttamente a partire dai monomeri, ma questi

vengono preliminarmente miscelati per produrre degli oligomeri, cio catene

contenenti solo alcune unit monomeriche.

A seconda del pH a cui viene effettuata la reazione di oligomerizzazione e a

seconda del rapporto molare tra fenolo e aldeide, si possono ottenere due famiglie

di resine fenoliche: le novolacche o le resoliche . Le prime vengono ottenute a pH

acido, utilizzando un eccesso di fenolo (tipico rapporto molare tra formaldeide e

fenolo compreso tra 0,75 e 0,85) e sono solitamente solide, mentre le seconde

sono prodotte a pH basico (tipicamente 8 < pH < 11), impiegando un eccesso di

formaldeide e sono di solito liquide. La struttura chimica di una tipica novolacca e

di una tipica resolica prodotte a partire da fenolo e da formaldeide mostrata in

Figura 23. In realt va ricordato che la reazione di sintesi delle novolacche e delle

resoliche una tipica polimerizzazione a stadi e il prodotto finale una miscela

non solo di oligomeri a diversa massa molecolare, ma anche a struttura chimica

diversa, variabile a seconda della posizione reciproca dei gruppi ossidrilici (-OH),

metilenici (-CH2-) e metilolici (-CH2OH) sullanello aromatico.

Le novolacche, una volta prodotte, sono stabili, contenendo solo ossidrili, che

non possono reagire alle temperature ordinarie, per cui non tendono a reticolare

spontaneamente; le resoliche invece sono molto pi reattive. Infatti, esse

contengono sia gruppi ossidrili che metilolici, i quali tendono a reagire con velocit

pi o meno elevata, a seconda del pH

e della temperatura. Ne consegue che

le resine resoliche sono in grado di

indurire per semplice riscaldamento,

mentre le novolacche necessitano

dellaggiunta di agenti reticolanti, il pi

comune dei quali

lesametilentetrammina. In entrambi i

casi la reticolazione viene effettuata

mediante graduale riscaldamento della

miscela di reazione fino a una temperatura di 160-180C.

Le resine utilizzate per produrre le schiume fenoliche sono tipicamente

resoliche. Per quanto in letteratura siano riportati lavori nei quali viene descritta la

Figura 23: Struttura chimica di una tipica novolacca (in alto) e di una tipica resolica (in basso).

OH

OH

CH2OH

CH2OH

OH

CH2OH

OH

HO OH OH


- 33 -

Parte I

produzione di schiume a partire da novolacche, attualmente queste non sono

utilizzate a livello commerciale.

Il processo di formazione della schiuma solitamente di tipo fisico, e viene

realizzato utilizzando liquidi basso-bollenti quali idrocarburi o

idroclorofluorocarburi, anche se sono stati descritti processi in cui lespansione

viene ottenuta, similmente a quanto avviene nei poliuretani, mediante produzione

in situ di CO2, generata mediante reazione tra lacqua presente nella resina e

piccole quantit di isocianati appositamente aggiunti alla miscela di reazione.

La pi comune applicazione delle schiume fenoliche nella vita quotidiana

costituita dai blocchetti per la conservazione dei fiori recisi, che assorbono e

trattengono a lungo grandi quantit di acqua (fino a 50 volte il loro peso), grazie

anche alla loro struttura a celle aperte. Altre applicazioni sono nel campo

ortopedico, nella produzione di stampi che riproducono perfettamente lanatomia

del piede e che servono per produrre calzature personalizzate, oppure nel settore

minerario, dove sono impiegate per riempire cavit o aperture prodotte durante

lescavazione di miniere o gallerie. Schiume a celle chiuse destinate allisolamento

termico sono state introdotte sul mercato per un certo periodo, ma

successivamente sono state ritirate, principalmente a causa della corrosione

indotta dagli acidi impiegati per catalizzare il processo di reticolazione, i quali

rimangono inglobati nella schiuma. Molti sforzi sono in corso per superare questo

problema, in quanto, di per s, le resine fenoliche sono particolarmente

interessanti per applicazioni nellisolamento termico, grazie alla elevata

temperatura di utilizzo (150C), alla bassissima co nduttivit termica e ai buoni

livelli di resistenza meccanica raggiunti a densit economicamente vantaggiose.

Unaltra utilissima caratteristica delle resine fenoliche, e dunque delle schiume

da esse derivate, che esse sono tra le materie plastiche pi sicure dal punto di

vista della resistenza al fuoco : bruciano infatti lentamente e con difficolt, senza

propagare la fiamma e senza liberare gas tossici. Per questo motivo uno dei

campi di applicazione pi interessanti per le schiume fenoliche lisolamento nelle

costruzioni edili e, pi in generale, nella fabbricazione di pannelli sandwich e

laminati che richiedano buone propriet di resistenza al fuoco.

Infine, va ricordato che le resine fenoliche sono biologicamente inerti e hanno


- 34 -

Parte I

una buona resistenza chimica (fatta eccezione per acidi e basi concentrati).

3.3 Schiume di PVC

Il polivinilcloruro (PVC) un polimero termoplastico ottenuto dalla

polimerizzazione del cloruro di vinile (CH2CHCl). uno dei polimeri pi diffusi nelle

applicazioni quotidiane, principalmente grazie alla sua versatilit: infatti, con

diverse formulazioni di

additivi, in particolare con

laggiunta di plastificanti ,

si possono ottenere

tipologie di PVC con una

vastissima gamma di

propriet, da rigide (PVC-

U, o unplasticized PVC) a

flessibili (PVC-P, plasticized PVC).

Lampiezza delle propriet ottenibili determina unaltrettanto vasta possibilit di

scelta per quanto riguarda le tecnologie di lavorazione, e le applicazioni possibili.

Infatti, il campo di applicazione del polivinilcloruro vastissimo: si va dalledilizia

allimballaggio, al settore elettrotecnico (rivestimento di cavi) e automobilistico,

allindustria dello sport e del tempo libero, allabbigliamento (finta pelle) e

alloggettistica quotidiana: cards, cartellette, giocattoli, e molto altro ancora.

Per quanto riguarda la produzione di espansi , cos come per il polimero

compatto, si fa distinzione tra schiume di PVC rigide e flessibili. La produzione di

schiume avviene mediante processi detti in sospensione (S-PVC) o in emulsione

(E-PVC): lespansione avviene mediante lintroduzione di agenti espandenti, fisici

o chimici.

Schiume di PVC rigide

Le schiume rigide di PVC, attualmente, sono utilizzate per la produzione di tre

principali categorie di manufatti: profilati , lastre e tubi [19] . Rispetto a prodotti

equivalenti in PVC compatto, la variante espansa offre i vantaggi tipici della

struttura cellulare (leggerezza, isolamento termico e acustico) unitamente ad un

costo inferiore per unit di volume: il principale svantaggio , invece, la riduzione

Figura 24: Struttura chimica del cloruro di vinile monomero (CVM ) e del polivinilcloruro (PVC).


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Parte I

di tenacit a causa della densit inferiore. Non va dimenticato, inoltre, che il PVC

un ottimo polimero dal punto di vista della resistenza al fuoco e alla fiamma, in

quanto la presenza di alogeni fa s che esso abbia propriet autoestinguenti.

Il PVC rigido espanso spesso usato in sostituzione del legno : infatti, questo

materiale pu essere segato, inchiodato, forato con le medesime attrezzature e

tecnologie tipiche della lavorazione del legno. Il PVC espanso rigido pu anche

essere prodotto in modo da

assomigliare al legno

anche esteticamente,

diventando quindi a tutti gli

effetti sostitutivo del legno

per le stesse applicazioni

di questo. In termini di

costo per unit di volume,

la schiuma di PVC pi

cara del legno; tuttavia, se

si considerano fattori quali

la tendenza a

salvaguardare il patrimonio forestale, i costi di manutenzione e di operazioni di

finitura dei manufatti in legno contrapposti alla elevata durevolezza e alla scarsa

manutenzione richiesta dal PVC, allora anche sotto laspetto economico limpiego

delle schiume rigide di PVC diviene assai vantaggioso.

Applicazioni tipiche, dunque, sono bordature, cornici e pannelli per ledilizia e

per la serramentistica; tavole e pannelli per cartelli, segnalazioni, porte e pareti,

tubi per fluidi non sotto pressione, e cos via. Le lastre di PVC espanso rigido,

inoltre, possono essere termoformate, cosa che estende ulteriormente il gi vasto

campo dimpiego di questo materiale.

Schiume di PVC flessibili

Anche le schiume di PVC flessibili trovano applicazione in settori quali ledilizia ,

limballaggio, lindustria automobilistica: ovviamente in casi dove sia richiesta la

loro peculiare flessibilit e sofficit: tappezzerie, ricoprimenti per pareti e altri

elementi architettonici, pavimentazioni e cos via.

Figura 25: Lastre estruse di PVC espanso rigido. [20]


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Parte I

Applicazioni comuni nella vita

quotidiana del PVC flessibile espanso

sono le stuoie da ginnastica, le solette per

calzature, i giubbotti di salvataggio.

Spesso della schiuma di PVC flessibile

utilizzata nellabbigliamento (ad esempio

in alcuni tipi di giubbotti da lavoro) come

imbottitura per conferire un miglior

isolamento termico al capo.

3.4 Schiume poliolefiniche

Le poliolefine (polietilene , PE, e polipropilene , PP) sono i materiali polimerici

pi semplici dal punto di vista strettamente chimico, essendo composte

unicamente da carbonio ed idrogeno: tuttavia la loro versatilit, la loro

processabilit in numerose forme diverse, unitamente al fatto che forniscono un

ottimo bilancio di propriet meccaniche, una buona resistenza chimica e un basso

assorbimento di umidit, il tutto a costi contenuti, le rendono insostituibili per molte

applicazioni; perci esse rappresentano una fetta molto importante del mercato

dei materiali polimerici.

Sia il PE che il PP possono esere prodotti anche in forma espansa: al momento,

per, il mercato delle schiume poliolefiniche solo una piccola parte del mercato

complessivo delle schiume polimeriche, sebbene sia in continua crescita [21] : ci

dovuto principalmente al fatto che, nonostante le poliolefine siano tra i polimeri

pi economici, le tecnologie per la produzione di espansi poliolefinici sono ancora

piuttosto costose, e ci rende complessivamente le schiume di PE e PP meno

vantaggiose economicamente del polistirene o dei poliuretani.

Gli espansi poliolefinici mantengono le propriet positive dei corrispondenti

polimeri compatti, aggiungendo ad esse le caratteristiche di leggerezza,

isolamento termico, acustico ed elettrico, tipiche degli espansi. Le schiume

poliolefiniche vengono classificate come espansi rigidi o semi-rigidi, sebbene le

schiume di PE ad elevato grado di espansione abbiano una consistenza pi vicina

a quella dei poliuretani flessibili che non al polistirene espanso rigido. Hanno una

struttura cellulare prevalentemente a celle chiuse .

Figura 26: Fogli di PVC espanso flessibile, per applicazioni varie.


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Parte I

Polietilene espanso

Le schiume polietileniche si dividono in schiume ad alta densit e a bassa

densit . Lo spartiacque tra le due categorie generalmente fissato per una

densit intorno ai 250 300 kg/m3.

Il polietilene espanso pu essere prodotto in due forme: estruso e reticolato .

Dal punto di vista microstrutturale, la forma reticolata (nella quale le catene di PE

formano un reticolo: si tratta dunque di una schiuma termoindurente) ha

dimensioni cellulari mediamente pi piccole e maggiormente omogenee, nonch

un aspetto e una consistenza, al tatto, maggiormente gradevoli.

Le schiume polietileniche hanno unottima capacit smorzante e di

assorbimento di energia: per questo motivo sono largamente usate

nellimballaggio protettivo . Un aspetto importante, per quanto riguarda gli

espansi del PE, la loro ottima facilit di lavorazione: sono infatti facilmente

tagliabili in varie forme e con varie attrezzature, e saldati per semplice

riscaldamento. Inoltre, lintrinseca bassa conducibilit elettrica del PE, unita alla

struttura cellulare che la abbassa ulteriormente, fanno del PE espanso un ottimo

isolante elettrico , dunque adatto anche per la protezione di oggetti (del settore

dellelettronica, ad esempio) per i quali tale caratteristica risulta fondamentale.

Schiume di PE ad alta densit sono utilizzate anche per il rivestimento dei cavi

elettrici.

Polipropilene espanso

Il PP espanso entrato piuttosto recentemente nel mercato delle schiume

polimeriche, tuttavia il suo consumo in continua crescita grazie alle ottime

propriet meccaniche (in particolare riguardo allassorbimento di energia) unite a

costi non particolarmente elevati. Per questi e altri motivi, sta gradualmente

sostituendo le schiume polietileniche reticolate in molte applicazioni, tra cui quelle

legate allindustria automobilistica .

Il PP espanso, normalmente, prodotto con due tecnologie: lestrusione di

lastre, o la sinterizzazione di perle pre-espanse (processo simile a quello

dellEPS, vedi cap. 4.1). Le schiume polipropileniche sono rinforzabili con fibre di

vetro. Come le altre poliolefine, hanno unottima resistenza chimica, elettrica e

allabrasione, anche in condizioni di temperature elevate (fino a 70C); la


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Parte I

resistenza allumidit molto buona, grazie anche alla struttura a celle chiuse

della schiuma. Ottimo lassorbimento di energia, il che fa s che le schiume di PP

siano largamente usate nel settore dellimballaggio protettivo , in particolare

quando i prodotti da proteggere sono particolarmente delicati, o devono resistere

ad ambienti con condizioni critiche di temperatura o umidit.

Lastre di PP estruso sono utilizzate nel settore dellautomobile, ad esempio nel

vano sottocofano, con funzioni anche di assorbimento dei rumori e di barriera

allumidit; il PP sinterizzato da perle (EPP), invece, utilizzato nel settore

automobilistico per la sua ottima resistenza allimpatto, per paraurti, pannelli per

portiere, poggiatesta, protezioni varie allinterno dellabitacolo. Si stima che il

mercato delle schiume polipropileniche sia destinato a crescere, oltre che per le

alte prestazioni, anche per caratteristiche interessanti quali la possibilit di

riutilizzo delle parti stampate, il basso peso e la riciclabilit.

3.5 Altri polimeri espansi

Tecnicamente, tutti i polimeri possono essere prodotti in forma espansa. il

mercato che determina, sulla base delle prestazioni, delleffettiva applicabilit e dei

costi del materiale, quali categorie risultino le pi richieste, le pi utilizzate, e

dunque le pi importanti. Le famiglie rapidamente presentate fino qui, unitamente

alle schiume polistireniche che saranno affrontate con maggior dettaglio nel

capitolo successivo, sono appunto quelle che, grazie alle loro caratteristiche,

risultano le pi diffuse e le pi largamente utilizzate in una vasta gamma di

applicazioni. Non va per dimenticato che, sebbene inferiori per volumi produttivi,

perch magari destinati a settori applicativi ristretti o di nicchia, esistono molti

altri polimeri normalmente prodotti e commercializzati anche in forma espansa.

Solo per elencarne alcuni, citiamo il policarbonato (PC) alveolare, utilizzato in

edilizia sotto forma di lastre, altre schiume strutturali rigide quali quelle ottenute

dallABS (acrilonitrile-butadiene-stirene ), dal polibutilene-tereftalato (PBT).

Per una vasta panoramica sulle varie tipologie di polimeri espansi, sulle loro

propriet e applicazioni, si rimanda ai testi citati in bibliografia, in particolare a [3] ,

[7] e [25] .

Il polistirene espanso

- 39 -

Parte I

44.. IIll ppooll iisstt ii rreennee eessppaannssoo

Tra i polimeri espansi, sicuramente le schiume polistireniche, insieme a quelle

poliuretaniche, rappresentano la famiglia pi importante sia dal punto di vista dei

volumi produttivi che da quello della vastit delle applicazioni. La diffusione di

questi materiali tale che, nel linguaggio comune, parlando di polistirolo (termine

improprio per

indicare il

polistirene) si

intende sempre la

forma espansa.

Il polistirene, in

quanto tale, un

polimero vinilico

amorfo, rigido,

piuttosto fragile e trasparente. A causa di questa trasparenza si usa riferirsi al

polistirene compatto come PS cristallo, sebbene il termine sia improprio,

essendo il polimero amorfo. Viene ottenuto per polimerizzazione radicalica del

vinilbenzene, o stirene (Figura 27). Si presta molto bene alla realizzazione di

blends o copolimeri con ottime propriet: citiamo qui solo lABS (Acrilonitrile-

butadiene-stirene), materiale che presenta un eccellente insieme di caratteristiche,

per cui molto usato per la realizzazione di oggetti per il mercato di massa.

Il polimero stirenico di gran lunga pi usato per realizzare espansi il PS

omopolimero. Con esso si preparano espansi con due diverse tecnologie:

PS espanso ottenuto attraverso direct gassing del PS cristallo e

successiva estrusione (XPS)

PS espanso ottenuto per pre-espansione di perle di PS espandibile e

successiva sinterizzazione a caldo di queste (EPS)

Le due tecnologie portano allottenimento di materiali con propriet molto

diverse, e di conseguenza trovano impiego in differenti settori applicativi.

Figura 27: Formula chimica dello stirene monomero e del polistirene.


- 40 -

Parte I

4.1 Schiume EPS da polistirene espandibile

Il polistirene espanso EPS si produce partendo dal polistirene espandibile. Si

tratta di polistirene che viene polimerizzato in presenza di un agente espandente

(solitamente dal 4 al 7% in peso di una miscela di isomeri del pentano ) che viene

inglobato nel polimero stesso. La polimerizzazione si effettua in sospensione

acquosa, in modo da ottenere delle particelle quasi sferiche dette perle, di

diametro variabile da 0.2 a 3 mm, di PS cristallo impregnato di espandente.

Successivamente, le perle di PS espandibile vengono centrifugate ed essiccate,

per eliminare lacqua; si fanno poi passare attraverso diversi setacci, in modo da

suddividere le diverse granulometrie, ed eventualmente si sottopongono ad un

trattamento superficiale. Uno schema tecnologico-impiantistico del processo

visibile in Figura 28.

Le perle di PS espandibile cos prodotte devono essere stoccate a temperature

moderate (meno di 20C) e per un tempo limitato: in genere si va da un mese a

sei mesi circa tra la produzione e la lavorazione. Uno stoccaggio eccessivamente

lungo porterebbe a una diffusione dellespandente allesterno, con conseguente

perdita di propriet.

Figura 28: Schema tecnologico -impiantistico della fabbricazione delle perle di PS espandibile. [22]


- 41 -

Parte I

Nella fabbricazione di prodotti in EPS, le perle di PS espandibile rappresentano

il prodotto di partenza. Esse vengono dapprima sottoposte ad una pre-

espansione , che avviene in apposite apparecchiature dove le perle sono

intimamente mescolate con vapore dacqua saturo ad

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