L’innovazione cambia il mondo
Le giacche imbottite in piumino, quelle con imbottitura sintetica, i capi in pile e molti altri indumenti invernali sfruttano un principio comune: trattenere aria relativamente ferma per rallentare la dispersione del calore.
Ma un indumento protegge automaticamente meglio dal freddo se contiene più aria?
Non necessariamente.
L’aria ha una bassa conducibilità termica. Per sfruttare efficacemente questa proprietà, occorre però limitarne i movimenti. Se può circolare liberamente o essere sostituita dall’aria esterna più fredda, la dispersione termica può aumentare in modo significativo.
La sfida non consiste quindi soltanto nel trattenere quanta più aria possibile, ma nel progettare materiali e indumenti che limitino i movimenti dell’aria e riducano il trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento.
1. Perché l’aria contribuisce all’isolamento termico?
A temperatura ambiente e alla normale pressione atmosferica, la conducibilità termica dell’aria è di circa 0,026 W/(m·K).
Questo valore è inferiore a quello di molti solidi comuni e nettamente inferiore a quello dell’acqua liquida.
Per questo numerosi materiali isolanti — dal piumino e dalle imbottiture sintetiche alle schiume e ad altri materiali porosi — contengono un’elevata percentuale di aria o di altri gas.
Per sfruttarne la bassa conducibilità termica, è tuttavia importante:
Limitare sufficientemente i movimenti del gas.
In uno spazio d’aria abbastanza ampio, le differenze di temperatura possono, in determinate condizioni, generare una circolazione dovuta alle forze di galleggiamento. Questa convezione naturale aumenta il trasporto di calore.
Se l’aria esterna attraversa lo strato isolante o entra dalle aperture dell’indumento sostituendo l’aria calda interna, possono verificarsi ulteriori perdite di calore.
Il contributo dell’aria all’isolamento dipende quindi non soltanto dalla sua quantità, ma anche dalla struttura degli spazi che occupa e da quanto vengono limitati i suoi movimenti.
2. L’aria in movimento non ha automaticamente una conducibilità termica maggiore
A volte si dice: «L’aria ferma isola, mentre l’aria in movimento conduce il calore».
È un’espressione intuitiva, ma non descrive con precisione i meccanismi fisici.
A parità di temperatura e pressione, la conducibilità termica dell’aria non aumenta semplicemente perché l’aria si muove. Il movimento introduce invece un ulteriore meccanismo di trasporto del calore:
La convezione.
Un ventilatore aiuta a comprendere questa differenza.
Normalmente non abbassa direttamente la temperatura dell’aria circostante. Intensifica invece lo scambio termico per convezione tra la pelle e l’aria e favorisce l’evaporazione del sudore. In condizioni ambientali appropriate, questo produce una sensazione di freschezza.
Lo stesso principio vale per l’abbigliamento.
Se l’aria può circolare liberamente all’interno di uno strato isolante o attraversarlo, si crea un trasporto di calore aggiuntivo che può ridurre l’efficacia dell’isolamento.
3. Perché il piumino e le imbottiture sintetiche tengono caldo?
Il piumino e le imbottiture sintetiche non producono calore.
La loro funzione principale è creare una struttura soffice, a bassa densità e di spessore sufficiente, capace di trattenere un grande volume di aria relativamente ferma.
I fiocchi di piumino o le fibre distribuiscono l’aria in piccoli spazi, limitandone la circolazione su larga scala. Si crea così una resistenza termica tra il corpo caldo e l’ambiente più freddo.
A parità delle altre condizioni, il principio può essere riassunto così:
Quanto più sono limitati i movimenti dell’aria e quanto maggiore è lo spessore effettivo dello strato isolante, tanto più elevata è generalmente la resistenza termica.
Per questo il loft, cioè il volume sviluppato dall’imbottitura quando è libera di espandersi, e la sua conservazione nel tempo sono così importanti per le imbottiture tradizionali.
Una struttura di questo tipo permette di ottenere uno strato isolante spesso con una quantità relativamente ridotta di materiale.
4. Perché il piumino è così efficace?
Il piumino possiede una complessa struttura tridimensionale.
Ogni fiocco presenta un piccolo nucleo centrale da cui si sviluppano numerose ramificazioni sottili. Queste si intrecciano formando una struttura capace di trattenere un grande volume d’aria con una massa ridotta.
Il piumino di alta qualità offre quindi un vantaggio importante:
Un elevato volume con un peso contenuto.
Una piccola quantità di piumino può formare uno strato isolante relativamente spesso, nel quale i movimenti dell’aria sono limitati.
Per questo il piumino è uno dei materiali di imbottitura tradizionali che consentono di combinare un buon isolamento termico con un peso ridotto, soprattutto nell’abbigliamento invernale e nei sacchi a pelo.
5. Perché le imbottiture sintetiche si comportano diversamente dal piumino?
Anche le moderne imbottiture sintetiche possono offrire ottime prestazioni isolanti.
I produttori utilizzano fibre fini, cave o arricciate, strutture multistrato e altre soluzioni progettuali per creare volume e limitare i movimenti dell’aria.
La forma e la disposizione delle fibre sintetiche differiscono però da quelle dei fiocchi di piumino naturale. Queste differenze possono influenzare:
il volume ottenuto per unità di massa;
la comprimibilità;
la capacità di recuperare volume dopo la compressione;
il comportamento in presenza di umidità;
la durabilità;
la velocità di asciugatura;
il mantenimento delle prestazioni isolanti nelle diverse condizioni ambientali.
Il piumino di qualità è apprezzato soprattutto per la capacità di sviluppare un volume elevato con una massa ridotta. A seconda del materiale e della progettazione del prodotto, le imbottiture sintetiche possono offrire vantaggi nel comportamento da bagnate, nell’asciugatura, nel costo, nella facilità di manutenzione o nella resistenza a specifiche sollecitazioni meccaniche.
La domanda, quindi, non è semplicemente quale materiale sia “migliore”.
È più utile chiedersi:
Quale struttura permette di ottenere e mantenere la resistenza termica necessaria nelle condizioni d’uso previste, con peso, spessore e durabilità adeguati?
6. Più aria intrappolata significa sempre un isolamento migliore?
No.
Aumentare il volume d’aria non garantisce, da solo, un isolamento migliore. Le prestazioni di una struttura contenente aria dipendono da diversi fattori:
lo spessore dello strato isolante;
le dimensioni e la forma degli spazi d’aria;
la limitazione dei movimenti interni dell’aria;
la permeabilità all’aria del materiale e del prodotto finito;
la struttura della fase solida circostante;
la differenza di temperatura e l’orientamento dello strato isolante;
il grado di compressione;
il contenuto di umidità;
le condizioni del vento esterno.
Suddividere l’aria in spazi sufficientemente piccoli aiuta a limitare la convezione naturale. Una struttura chiusa riduce inoltre il ricambio con l’aria esterna.
Uno spazio chiuso, però, non è necessariamente privo di convezione interna. Se è abbastanza ampio e le condizioni termiche lo consentono, al suo interno può svilupparsi una circolazione d’aria.
I materiali isolanti efficaci, quindi, non si limitano a trattenere aria. Controllano anche:
Dove si trova e quanto liberamente può muoversi.
7. Gli indumenti più aderenti tengono sempre più caldo?
Non necessariamente.
La vestibilità, lo spessore dell’isolamento e il ricambio d’aria devono essere in equilibrio.
Se un indumento è troppo ampio e lascia entrare aria fredda mentre quella calda fuoriesce, questo ricambio può aumentare la dispersione termica.
Se invece è troppo stretto, può comprimere il piumino o l’imbottitura sintetica. La compressione riduce lo spessore effettivo dello strato isolante e può diminuirne la resistenza termica.
Anche uno strato d’aria relativamente ferma tra il corpo e l’indumento contribuisce all’isolamento.
L’obiettivo non è quindi eliminare tutti gli spazi d’aria, ma:
Mantenere uno strato isolante stabile e limitare il ricambio d’aria incontrollato.
Per questo la vestibilità, i polsini, il collo, il fondo del capo, le cerniere, le cuciture e i materiali esterni influenzano le prestazioni termiche effettive durante l’uso.
8. Che cosa determina realmente la capacità di un indumento di tenere caldo?
La protezione dal freddo non dipende da un solo fattore. Un sistema di abbigliamento deve tenere conto di più fenomeni.
Conduzione
Il calore si trasferisce attraverso le fibre, l’aria e gli altri materiali dalle zone più calde a quelle più fredde.
Convezione e ricambio d’aria
L’aria in movimento trasporta calore all’interno dell’indumento, sulla sua superficie e tra lo spazio interno e l’ambiente esterno.
Irraggiamento
Il corpo, gli indumenti e le superfici circostanti scambiano continuamente energia sotto forma di radiazione termica.
Evaporazione
L’evaporazione dell’acqua richiede calore. La quantità di sudore che evapora e il punto in cui avviene l’evaporazione influenzano la dispersione termica del corpo e il comfort.
Un abbigliamento invernale efficace deve quindi fare più che trattenere aria:
Deve limitare le perdite di calore indesiderate e, allo stesso tempo, gestire i movimenti dell’aria e l’umidità nelle reali condizioni d’uso.
9. Dalle imbottiture voluminose alle strutture porose ingegnerizzate
Il piumino e le imbottiture sintetiche tradizionali sfruttano il proprio loft per creare uno spessore isolante. L’aria viene trattenuta nei piccoli spazi tra le fibre, dove i suoi movimenti sono limitati.
I materiali porosi ingegnerizzati offrono un’altra possibilità progettuale: controllare la geometria dei pori e delle pareti per limitare i movimenti del gas e modificare i percorsi di trasferimento del calore.
L’attenzione progettuale si sposta così dalla domanda:
«Quanta aria possiamo trattenere?»
alla domanda:
«Con quanta efficacia possiamo limitare il trasferimento di calore a parità di spessore?»
Entrambi gli approcci seguono le stesse leggi fisiche, ma le applicano attraverso strutture diverse.
10. Come applica Y-Warm questo approccio?
Y-Warm non dipende principalmente da una struttura di imbottitura voluminosa, come quella del piumino o delle imbottiture sintetiche tradizionali.
Utilizza invece una struttura ingegnerizzata a celle chiuse, con pareti di spessore nanometrico.
Con uno spessore di circa 1 mm, il volume di materiale corrispondente a una superficie di un centimetro quadrato può contenere oltre 10.000 celle distinte di dimensioni micrometriche.
Queste celle suddividono il gas in numerosi piccoli spazi separati, limitando i movimenti su larga scala e gli scambi diretti di gas tra una cella e l’altra.
Le pareti sottili, insieme alla progettazione complessiva della struttura, contribuiscono a mantenere ridotta la frazione solida e a limitare i percorsi di conduzione termica al suo interno.
L’obiettivo non è quindi soltanto trattenere più aria, ma:
Ottimizzare gli spazi gassosi e la struttura solida per ridurre il trasferimento di calore all’interno di uno strato di materiale ultrasottile.
Conclusione: trattenere aria non basta
L’aria è un componente importante di molti materiali isolanti. La sua bassa conducibilità termica, insieme alla limitazione dei suoi movimenti, contribuisce a ridurre il trasferimento di calore.
Tuttavia, un’elevata percentuale d’aria non garantisce da sola un isolamento efficace.
Contano la struttura degli spazi che contengono l’aria, la sua libertà di movimento, lo spessore effettivo dello strato isolante e la gestione complessiva di conduzione, convezione, irraggiamento, umidità e flussi d’aria esterni.
Il piumino e le imbottiture sintetiche tradizionali creano lo spessore necessario soprattutto grazie al proprio loft. I materiali porosi ingegnerizzati agiscono sul trasferimento di calore attraverso la progettazione dei pori e della struttura solida.
Il principio comune è questo:
L’efficacia dell’isolamento non dipende dalla massima quantità d’aria trattenuta, ma dal controllo del trasferimento di calore attraverso l’aria e la struttura che la circonda.
Per Y-Warm, ciò significa utilizzare celle chiuse e pareti di spessore nanometrico per ottenere isolamento termico in uno strato ultrasottile, senza dipendere principalmente da un’imbottitura voluminosa.
