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¿Por qué el poliestireno expandido de las cajas blancas es tan ligero?

Categoría: Tecnología

Se dice que el poliestireno expandido está compuesto aproximadamente por un 98% de aire y solo un 2% de resina [1]. ¿Cómo se forma una caja hecha casi enteramente de aire? En este artículo exploraremos cómo pequeñas partículas se expanden unas 50 veces para formar la caja, cómo los números "50 veces" y "2%" se conectan mediante el cálculo, y cómo esas pequeñas celdas de aire funcionan como aislamiento térmico y amortiguación.

1. El 98% del volumen del poliestireno expandido es aire

Según la Asociación de Poliestireno Expandido, el poliestireno expandido está compuesto por aproximadamente un 98% de aire en su volumen, mientras que la materia prima representa solo el 2% [1]. Los materiales temáticos del Premio de Diseño de Tokio también confirman que el 98% es aire y que se utiliza apenas un 2% de materia prima plástica [3]. Es importante notar que este 98% se refiere a la proporción del volumen, no al peso. Sentimos que una caja grande es ligera porque la mayor parte del espacio que ocupa es aire, y la cantidad de resina es muy pequeña.

2. Cómo se fabrica: perlas de 1 mm que se expanden con vapor y se unen en un molde

La materia prima son perlas de poliestireno de aproximadamente 1 mm de diámetro, conocidas como perlas de materia prima [2]. El proceso de fabricación consta de dos etapas. Primero, se aplica vapor a estas perlas para que se hinchen. Esto se llama pre-expansión y, en muchos productos, el volumen aumenta unas 50 veces [2]. A continuación, las perlas hinchadas (perlas expandidas) se colocan en un molde y se aplica vapor nuevamente. Las perlas se adhieren entre sí, formando una caja o placa con la forma del molde [2]. Imagina muchos globos hinchados que se presionan dentro de una caja hasta pegarse. Sin embargo, no se inflan con aire desde la boca, sino que la propia perla se hincha con vapor. El factor de 50 veces es una estimación; también se pueden fabricar con otros factores de expansión [2]. El tamaño de las perlas de materia prima varía; la misma página de la asociación menciona tanto "alrededor de 1 mm" como "0.3 a 2 mm", mostrando un rango de tamaños [2].

3. Cómo el cálculo conecta los datos de "50 veces" y "2%" de resina

Puedes verificar si los datos de la asociación de "aproximadamente 50 veces" y "98% de aire" coinciden mediante un cálculo simple. Como la cantidad de resina no cambia al hincharse, si el volumen aumenta 50 veces, la proporción que ocupa la resina es 1/50. 1 dividido entre 50 es igual a 0.02, lo que equivale al 2%. El 98% restante es aire [1]. También podemos estimar el tamaño de las perlas. Aunque el volumen aumenta 50 veces, la longitud no aumenta 50 veces. Si asumimos que las perlas se hinchan uniformemente manteniendo su forma esférica, el diámetro aumenta aproximadamente 3.7 veces, que es la raíz cúbica de 50. Una perla de 1 mm tendría un diámetro de alrededor de 3.7 mm según este cálculo. Dado que la forma real de las perlas es irregular, esto es solo una estimación. Si la masa de la resina permanece constante y solo el volumen se multiplica por k, la proporción de volumen de la resina se convierte en 1/k.

4. Qué hacen las pequeñas celdas cerradas de aire además de hacerlo ligero

No solo el aire ocupa la mayor parte del volumen, sino que es crucial que este aire esté atrapado en pequeñas celdas independientes llamadas células cerradas [1]. Las perlas expandidas se conectan como un panal de abejas, y cada celda contiene aire [4]. Como el aire conduce mal el calor, cuando muchas celdas se alinean, la transferencia de calor se dificulta. En caso de impacto, el aire dentro de las celdas actúa como un amortiguador que absorbe el choque [4]. La ligereza, el aislamiento térmico y la amortiguación no son propiedades separadas, sino tres caras de la misma celda de aire [1]. Esta propiedad fue ideal para las cajas de pescado. Desde alrededor de 1967, se introdujeron cajas de pescado de poliestireno expandido con agujeros en lugar de cajas de madera, permitiendo transportar pescado fresco junto con hielo y agua de mar hasta los centros de consumo [6]. Esto ayuda a que el pescado se estropee menos porque el aire en las celdas dificulta la transferencia de calor.

5. Su origen: primero se usó como sustituto del corcho, no como caja de pescado

Aunque hoy asociamos fuertemente el poliestireno expandido con las cajas de pescado, se dice que su punto de partida fue como sustituto del corcho. Se desarrolló en Alemania en 1950 y comenzó a fabricarse en Japón a finales de la década de 1950 [6]. La cronología de BASF indica que la producción de Styropor comenzó en 1951. Esta espuma blanca dura es 98% aire y tiene excelentes propiedades de aislamiento térmico; también se menciona que los primeros experimentos se realizaron dentro de una lata de crema para zapatos [5]. La ligereza y el aislamiento térmico fueron características descubiertas desde el principio. El material que nació como sustituto del corcho se extendió más tarde como cajas de pescado y material de aislamiento para viviendas. Las mismas celdas de aire han encontrado diferentes trabajos según la época.

6. Cómo observar con una lupa los bordes rotos del poliestireno expandido en casa

Si tienes una caja de poliestireno expandido o material de embalaje en casa, observa con una lupa las partes que ya faltan o las superficies rotas. Deberías ver las marcas de las pequeñas perlas pegadas. Coloca una regla para medir el tamaño de las perlas y piensa cuántas veces más grande es que la materia prima de 1 mm. Por seguridad, no introduzcas los fragmentos en la boca, no los rasgues ni los esparzas y no realices esta actividad cerca de niños pequeños. No rompas el material nuevo, utiliza solo las superficies que ya están rotas. Una vez que termines de observar, busca lugares en tu casa donde se utilice poliestireno expandido. ¿Para qué se usan las celdas de aire allí: para ligereza, retención de calor o amortiguación? Si piensas en las razones, verás otras facetas del mismo material.

Fuentes

  1. Asociación de Poliestireno Expandido (JEPSA), "¿Qué es el poliestireno expandido?" https://www.jepsa.jp/eps/ (Materiales de la industria que explican que el 98% del volumen es aire y sobre las células cerradas.)
  2. Asociación de Poliestireno Expandido (JEPSA), "Cómo se hace el poliestireno expandido" https://www.jepsa.jp/styrofoam/howtomake/ (Información sobre el tamaño de las perlas de materia prima y los procesos de pre-expansión y moldeo.)
  3. Premio de Diseño de Negocios de Tokio, "Poliestireno expandido" (Materiales temáticos) https://design-award.metro.tokyo.lg.jp/archive/2017/03/thema.html (Confirmación de la cifra de que el 98% es aire.)
  4. Mynavi Agriculture, "Explicación del poliestireno expandido" https://agri.mynavi.jp/2019_01_30_54957 (Artículo explicativo sobre el aislamiento térmico y la amortiguación de las celdas de aire.)
  5. Cronología de BASF, 1951 https://www.basf.com/global/en/who-we-are/history/chronology/1945-1964/1951 (Cronología oficial en inglés sobre el inicio de la producción en 1951 y los primeros experimentos.)
  6. Día del Poliestireno Expandido (Explicación del aniversario) https://bestcalendar.jp/dates/kinenbi/3026 (Fuente secundaria sobre el año de desarrollo, el origen como sustituto del corcho y la historia de las cajas de pescado.)