Il primo “espanso” naturale è il legno stesso, che è per sua natura micro-alveolato. A livello industriale invece le prime schiume di lattici naturali e sintetici furono sviluppate negli anni ’20, ma solo negli anni ’40 verrà espanso il polistirene, un polimero termoplastico.

L’uso di polimeri termoplastici è esploso nel secondo dopoguerra complice la facile reperibilità di idrocarburi insaturi (butene, propilene, etilene, butadiene, etc) derivati dai nuovi metodi di raffinazione del petrolio. Fin dagli anni ’60 perciò vennero sperimentati svariati metodi di cellulazione per trasformare i polimeri termoplastici in schiume flessibili e semi flessibili, ed è proprio a quest’epoca che risalgono le prime produzioni di polietilene espanso.

Inizialmente il polietilene venne espanso ad alta densità usando l’azoto come espandente. In seguito, vennero impiegati anche i gas HCFC per raggiungere densità inferiori. Sviluppi tecnologici come la doppia vite di estrusione permisero di migliorare le produzioni estruse a ciclo continuo, dando un forte impulso alla diffusione del materiale.

Il trattato di Montreal del 1989 interruppe l’uso consolidato dei gas CFC e HCFC come agenti espandenti, stimolando l’affinamento delle tecnologie alternative disponibili, e in particolare l’espansione chimica.

Oggi il mercato delle schiume flessibili è dominato da poliuretani e poliolefine, la più importante delle quali è di gran lunga il polietilene. I suoi espansi sono disponibili in numerose varietà, sia per metodo di produzione che per caratteristiche chimico-fisiche.

Il polietilene a bassa densità è uno dei polimeri più versatili in commercio. Trova il suo maggiore impiego nella produzione di film da imballaggio, ma è anche usato nello stampaggio a iniezione di oggetti rigidi e nell’estrusione di schiume espanse. Tra le applicazioni più tecniche quella per recipienti e superfici resistenti alla corrosione, componenti saldabili, componenti per i quali è richiesta flessibilità e resilienza.

LDPE ha una densità variabile tra 910 e 940 Kg/m3, è chimicamente inerte a temperatura ambiente, è termicamente stabile fino a 80°C, è molto duttile e resiliente, offre un eccellente resistenza ad acidi, alcoli, basi ed eteri, e una buona resistenza a tutti i composti organici con l’eccezione degli idrocarburi alogenati. È atossico, inodore e resistente a funghi e muffe.

Una volta espanso il polietilene mantiene le sue proprietà chimiche, con il vantaggio di una densità ridotta dal 50% fino a oltre il 98%. Le schiume di polietilene trovano impiego nei più svariati settori per l’ampia gamma di soluzioni ottenibili.

L’espanso può raggiungere densità inferiori a 15 Kg/m3, una ridotta conduttività termica e una bassa rigidità dinamica, pur mantenendo una buona resilienza e tenacità. Le caratteristiche meccaniche dipendono in larga parte dal tipo di espanso e dalla densità.

Nel settore dell’imballaggio il PE espanso è solitamente utilizzato con densità comprese tra 14 Kg/m3 e 40 Kg/m3, mentre l’EPS con densità variabili da 14 Kg/m3 fino a oltre 600 Kg/m3.

Resilienza: assorbe l’energia in un breve lasso di tempo, ossia resiste agli urti. Il polietilene espanso è un materiale duttile a temperatura ambiente, non si spezza.

Tenacità: assorbe l’energia in un lasso di tempo prolungato, ossia si deforma plasticamente prima di spezzarsi. La conformazione molecolare dei polimeri conferisce loro un’ottima tenacità e resistenza alla fatica, ma il comportamento degli espansi dipende molto dalla loro densità. Tipicamente EPS ha un comportamento più fragile di EPE.

Elasticità: si deforma elasticamente in risposta ad uno sforzo e riacquista la propria forma quando esso cessa. Gli espansi convenzionali possono avvantaggiarsi della compressione del gas contenuto nelle celle chiuse. Fintanto che le celle sono integre il materiale ha un buon comportamento elastico. Una deformazione elastica è reversibile, ovvero permette al materiale di recuperare la forma originale.

Modulo elastico: Il polietilene espanso è in genere un materiale soffice, per il quale la correlazione tra sforzo applicato e deformazione risultante è dipendente dallo sforzo stesso. In trazione ha un comportamento vicino a quello del reticolato, mentre in compressione mostra un andamento esponenziale dello sforzo, poiché il suo modulo elastico dipende dalla compressione del gas nelle celle. In questo caso il modulo elastico cresce linearmente al crescere dello sforzo applicato.

Resistenza alla compressione: Il polietilene espanso convenzionale ha un comportamento esponenziale, mentre l’EPS offre una risposta lineare, e resiste anche alle piccole deformazioni.

Resistenza alla trazione: ha un’ampia resistenza ad uno sforzo di trazione.

Conduttività termica: impedisce la trasmissione del calore.

Riduzione del rumore: impedisce la trasmissione del suono.

Trasmissione del vapore: rallenta la trasmissione del vapore. Il polietilene espanso a celle chiuse risulta di gran lunga superiore agli espansi a celle aperte.

Impermeabilità all’acqua: impedisce l’assorbimento e il passaggio dell’acqua. Anche in questo caso risultano superiori gli espansi a celle chiuse, ma la differenza è trascurabile. Ad ogni modo, il poluetilene espanso fisico gode del vantaggio di una superficie particolarmente idrofoba.

Stabilità dimensionale: resiste ad uno stress termico senza deformarsi.

Resistenza agli agenti chimici: Si conserva e rimane inalterato quando posto a contatto con sostanze corrosive o solventi. Il polietilene espanso è un materiale dotato di una grande inerzia chimica, e perciò risulta molto resistente. EPS invece è sensibile a molti solventi organici.

Riciclabilità: È possibile riutilizzare il materiale quando il prodotto giunge a fine vita. Il polietilene espanso convenzionale è facilmente riciclabile per la produzione di film, espansi e altri manufatti in LDPE.

LDPE viene prodotto in reattore tubolare o in autoclave per polimerizzazione radicalica libera dell’etilene. L’etilene a sua volta è prodotto per steam cracking del petrolio raffinato.

L’energia delle materie prime è un concetto in aggiunta alle tabelle di input / output della metodologia dell’inventario del ciclo di vita; è pensato per facilitare l’interpretazione dell’uso delle risorse. Poiché la spina dorsale dei polimeri sono generalmente le catene di idrocarburi, l’industria delle materie plastiche definisce l’energia delle materie prime come la porzione di input di risorse che finisce nel polimero anziché essere usata come combustibile.

Il processo di espansione del LDPE prevede la fusione del polimero (punto di fusione variabile tra 110°C e 120°C) e l’estrusione con un agente espandente. Si tratta di una lavorazione a basso impatto ambientale, che non richiede acqua, non emette gas nocivi in atmosfera e richiede una modesta quantità di energia elettrica: 0.6 KWh/Kg equivalente a 2,2 MJ.

Il polietilene è una delle plastiche più facilmente riciclabili, perché è sufficiente fonderlo per poter estrudere e stampare nuovi manufatti. Mentre le campagne di riciclaggio del EPS sono sporadiche, il riciclo del LDPE è diffuso e ben collaudato. L’espanso convenzionale, non reticolato, è chimicamente equivalente al LDPE non espanso, e viene pertanto riciclato allo stesso modo.

Per riciclare l’LDPE è sufficiente macinarlo, pulirlo (se proveniente da fonti esterne non sicure), fonderlo ed estruderlo in pellet da utilizzare per l’estrusione e l’espansione o stampaggio di nuovi prodotti. L’impianto necessario al processo si compone dunque di:

• Shredder
• Estrusore monovite
• Pellettizzatore

Con una temperatura di fusione compresa tra 105°C e 115°C, il riciclo del LDPE risulta economico non solo nei requisiti d’impianto, ma anche nel processo.

L’espanso convenzionale non è altro che LDPE addizionato con quantità ridotte di altre sostanze utili all’estrusione, perciò può essere riciclato altrettanto facilmente. La quantità di additivi presente nel materiale è variabile tra il 2% e il 6% in peso, e pertanto risulta semplice miscelarlo con materiale vergine fino a rendere tollerabile l’impatto delle cariche.

Avendo cura di conteggiare gli additivi presenti nel rigenerato, esso può venire impiegato in quantità fino al 25% per l’estrusione di nuovo espanso. Per applicazioni meno sensibili alla purezza della materia prima, come l’estrusione di film, è possibile impiegarlo in percentuale fino al 80%. Altre applicazioni del LDPE riciclato sono il packaging di farmaci, il rivestimento di cavi elettrici, le tubazioni e gli oggetti realizzati con stampaggio a iniezione.

Riciclando il materiale è possibile recuperare la materia prima al solo costo energetico di fusione e pellettizzazione degli scarti: mentre la produzione di LDPE vergine richiede oltre 25 MJ di energia, è possibile ottenere materiale rigenerato usando meno di 3 MJ, mentre l’energia di feedstock del materiale viene conservata. Il riciclo del materiale, oltre a ridurre l’impiego delle materie prime, permette anche un notevole risparmio energetico sul ciclo di vita del prodotto.

L’impatto ambientale di polietilene e polipropilene espansi, non reticolati, è molto moderato. La produzione non richiede acqua, rilascia in atmosfera solo gas che sono a rischio ambientale molto basso o nullo, riduce al minimo il consumo di materia prima, e richiede modeste quantità di energia. Per di più, il prodotto è completamente riciclabile a fine vita.

La riduzione della densità del prodotto da 19 a 15,5 kg/m3 (ovvero da 19 a 15,5 gr/m2 per i prodotti di riferimento di spessore 1 mm) comporta una riduzione minima del 18% dell’utilizzo di materie prime e di energia elettrica necessaria alla produzione dell’espanso.

Da un altro punto di vista, a parità di Kg di prodotto immesso sul mercato sono stati confezionati il 18% in più di prodotti con equivalente riduzione dei livelli di co2 generati per unità di prodotto.