Le schiume rappresentano un sistema disperdente in cui una fase gassosa è distribuita all’interno di un mezzo liquido, solido o gel. Nel caso delle schiume liquide, la fase continua è un liquido che ingloba bolle d’aria o altro gas; nelle schiume solide, il gas è intrappolato in una matrice solida che ne conferisce caratteristiche meccaniche e termiche peculiari [1]. La formazione delle schiume avviene tipicamente tramite dispersione meccanica del gas nella fase condensata, come nel caso delle onde marine che inglobano aria nell’acqua creando la caratteristica schiuma vicino alla cresta dell'onda [1].

Struttura e comportamento delle schiume

La struttura interna delle schiume è costituita da bolle di dimensioni variabili disposte in modo disordinato. La teoria idealizzata della struttura delle schiume si basa sul principio di minimizzazione della superficie totale per un dato volume, fenomeno descritto matematicamente come superfici minimali. Questo modello teorico ha trovato una formulazione geometrica significativa grazie al lavoro di Weaire e Phelan nel 1993, che hanno identificato una configurazione ottimale di celle di eguale volume con minima estensione superficiale. Questa struttura prevede due tipi di celle: circa tre quarti delle celle hanno la topologia di un tetracaidecaedro (poliedro con 14 facce, 2 esagoni e 12 pentagoni con facce leggermente curvate), mentre le restanti hanno la topologia di un dodecaedro [1].

Le leggi di Plateau governano la stabilità e l’assetto dei film sottili che formano le pareti tra le bolle di schiuma. Questi film sono superfici interamente lisce con curvatura media costante e si incontrano sempre a gruppi di tre formando angoli di 120°, formando un bordo chiamato bordo di Plateau. Questi bordi si incrociano a quattro a quattro con angoli di circa 109,47°, formando i vertici della struttura. Qualsiasi deviazione da queste leggi rende la struttura instabile, inducendo un rapido riarrangiamento verso configurazioni energeticamente più favorevoli [1].

Classificazione delle schiume solide

Le schiume solide si dividono in due categorie fondamentali basate sulla topologia dei pori: le schiume a cella aperta e quelle a cella chiusa. Le prime presentano pori interconnessi l'uno all'altro a formare una rete di interconnessione, utile ad esempio per applicazioni filtranti o assorbenti. Le seconde non contengono pori interconnessi, garantendo proprietà isolanti migliori grazie alla presenza di aria intrappolata all’interno dei pori chiusi. Materiali come il polistirene espanso (EPS) e le schiume poliuretaniche fanno parte della categoria delle schiume solide a bassa densità utilizzate diffusamente per isolamento termico e imballaggio per la loro leggerezza e capacità di assorbire urti senza deformarsi permanentemente [1].

Reazioni chimiche nella formazione della schiuma poliuretanica

Il poliuretano (PU) è uno dei materiali più comuni tra le schiume solide ed è ottenuto attraverso reazioni chimiche complesse tra isocianati (contenenti il gruppo funzionale NCO) e composti contenenti idrossili (OH), come polioli poliestere o polietere. La reazione principale è quella tra NCO e OH che porta alla formazione del poliuretano [2].

Un’altra reazione fondamentale coinvolge l’interazione tra gli isocianati NCO e l’acqua, generando inizialmente acido carbammico instabile che si decompone rapidamente in ammine e anidride carbonica: quest’ultima funge da agente espandente interno responsabile della formazione delle bolle gassose all’interno dello scheletro polimerico durante la fase di schiumatura [2].

Ulteriori reazioni secondarie riguardano processi di reticolazione tramite formazione di gruppi allofanato e biureto derivanti dall’interazione degli atomi di idrogeno del gruppo uretanico o dell'urea con altri gruppi isocianato presenti nella miscela reattiva. Queste reazioni contribuiscono ad aumentare il grado di cross-linking nel materiale finale migliorandone rigidità ed elasticità [2].

Il processo globale avviene simultaneamente: polimerizzazione, formazione del gas espandente e reticolazione procedono in parallelo sotto condizioni catalitiche specifiche che accelerano drasticamente i tempi di reazione fino a completamento entro pochi minuti. In assenza di catalizzatori il processo richiede temperature comprese fra 110-130 gradi per raggiungere velocità adeguate [2].

Applicazioni industriali delle schiume

L’uso crescente delle schiume nelle industrie finali riflette la versatilità dei materiali sia in ambito liquido sia solido. Nel settore edile il poliuretano espanso viene impiegato massicciamente come isolante termico per pareti interne ed esterne, tetti e pannelli prefabbricati grazie alle sue proprietà isolanti elevate combinate con leggerezza strutturale. Il polistirene estruso trova applicazione nella costruzione di modelli architettonici oltre che nei rivestimenti isolanti per edifici commerciali e residenziali [1].

Nel campo dell’imballaggio le schiume rispondono alle esigenze contemporanee di protezione meccanica e mantenimento integrità fisica dei prodotti durante trasporto e stoccaggio, specialmente nell’industria alimentare e nel commercio elettronico dove la sicurezza dell’integrità del prodotto è cruciale [1].

Le schiume liquide trovano impiego anche nei cosmetici per facilitare l’applicazione su superfici cutanee grazie alla loro texture leggera; sono inoltre utilizzate negli estintori antincendio poiché possono soffocare fiamme bloccando l’apporto di ossigeno necessario alla combustione [1].

Problemi associati alla formazione indesiderata

In molti processi industriali biochimici la formazione accidentale o incontrollata della schiuma può rappresentare un problema rilevante. Ad esempio nelle lavorazioni alimentari le proteine presenti in soluzione tendono a stabilizzare bolle d’aria sotto agitazione meccanica o aerazione, alterando lo scambio gassoso essenziale per evitare fermentazioni batteriche indesiderate. Per contrastare questi effetti si utilizzano agenti anti-schiumogeni capaci di modificare la tensione superficiale riducendo la stabilità della schiuma stessa [1].

La gestione ottimale del bilanciamento tra formazione controllata della struttura foamica (ad esempio nelle produzioni PU) e prevenzione delle formazioni indesiderate rimane una sfida tecnica centrale sia dal punto di vista chimico sia ingegneristico.

Cosa sono le schiume?

Le schiume sono materiali costituiti da una matrice solida o liquida in cui sono intrappolate delle bolle di gas. Possono essere naturali o artificiali.

Quali sono i tipi di schiume?

Esistono diversi tipi di schiume, come le schiume solide, le schiume liquide e le schiume poliuretaniche. Ogni tipo ha caratteristiche e applicazioni specifiche.

Come si formano le schiume?

Le schiume si formano quando un gas viene disperso in un liquido o in un solido, creando delle bolle. Questo processo può avvenire tramite agitazione, mescolamento o aggiunta di agenti schiumogeni.

Quali sono le applicazioni delle schiume?

Le schiume hanno molteplici applicazioni nelle industrie, come ad esempio nell'isolamento termico, nei materiali da imballaggio, nelle schiume da costruzione e nei prodotti cosmetici.

Le schiume sono stabili?

La stabilità delle schiume dipende da vari fattori, tra cui la composizione chimica, la dimensione delle bolle e la presenza di agenti stabilizzatori. Alcune schiume possono essere molto stabili, mentre altre tendono a collassare rapidamente.

Schiuma: sistema composto da un gas disperso in un liquido o in un solido, creando una struttura a bolle.
Agenti schiumogeni: sostanze chimiche che stabilizzano le bolle di gas e prevengono il collasso della schiuma.
Tensioattivi: sostanze chimiche che riducono la tensione superficiale di un liquido, facilitando la formazione di schiuma.
Poliuretano: polimero ottenuto dalla reazione tra un diisocianato e un poliolo, utilizzato per creare schiume rigide o flessibili.
Schiume solide: schiume costituite da una matrice solida che intrappola gas, conferendo loro rigidità.
Schiume liquide: schiume con una fase liquida continua che ospita bolle di gas, come la schiuma di latte.
Schiume gassose: schiume meno comuni utilizzate in applicazioni sperimentali e di ricerca.
Stabilità della schiuma: capacità di una schiuma di mantenere la sua struttura nel tempo, influenzata da vari fattori.
Viscosità: resistenza di un liquido a deformarsi, che influisce sulla stabilità delle schiume.
Interfacce: zone di contatto tra due fasi, come quella gassosa e quella liquida in una schiuma.
Schiumatura: processo di formazione di schiuma attraverso la dispersione di gas in un liquido o in un solido.
Texture: sensazione al tatto e all'assaggio di un prodotto alimentare, influenzata dalla presenza di schiuma.
Caseina: proteina presente nel latte che agisce come tensioattivo naturale, stabilizzando le bolle di schiuma.
Applicazione: uso pratico di un concetto o di un materiale in un contesto specifico, come nell'industria alimentare o cosmetica.
Innovazione: introduzione di nuove idee o tecnologie che migliorano le applicazioni delle schiume.
Interdisciplinarità: approccio che coinvolge diverse discipline per affrontare problemi complessi, come le schiume.
Rivestimenti: applicazioni di schiume utilizzate come sigillanti o isolanti per migliorare la funzionalità di materiali.

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