Come funzionano i materiali isolanti a celle chiuse? Struttura, prestazioni e applicazioni

I materiali a celle chiuse isolano termicamente perché racchiudono gas a bassa conducibilità termica in piccole celle separate tra loro. Le celle limitano la circolazione del gas e quindi la convezione naturale; le sottili pareti della struttura polimerica riducono il contributo della conduzione attraverso la parte solida. Il ridotto assorbimento d’acqua e la permeabilità al vapore relativamente bassa possono inoltre contribuire a conservare le prestazioni nel tempo.

L’efficacia dell’isolamento dipende però dal materiale specifico e dalle condizioni d’impiego. Dimensioni delle celle, densità, gas contenuto, umidità, temperatura e invecchiamento influenzano la conducibilità termica effettiva.

Che cosa significa «a celle chiuse»?

Un materiale a celle chiuse contiene numerose cavità circondate da pareti continue e in gran parte isolate le une dalle altre. Nei materiali a celle aperte, invece, i pori sono interconnessi e il gas può muoversi più liberamente attraverso la struttura.

Il gas racchiuso nelle celle ha generalmente una conducibilità termica inferiore a quella del polimero solido circostante. Per riferimento, la conducibilità termica dell’aria ferma vicino alla temperatura ambiente è di circa 0,026 W/(m·K); quella di molti polimeri solidi è sensibilmente più elevata. Poiché una schiuma leggera contiene un’elevata frazione di gas, la sua conducibilità termica effettiva può essere molto inferiore a quella del polimero compatto da cui deriva.

La percentuale di celle chiuse è un parametro strutturale importante, valutabile con metodi quali ASTM D6226 e ISO 4590. Da sola, tuttavia, non determina la prestazione termica: occorre considerare anche dimensioni delle celle, densità, composizione del gas, proprietà della matrice solida, umidità, temperatura e invecchiamento.

Quali fattori determinano le prestazioni termiche?

Dimensioni e struttura delle celle

Nelle schiume convenzionali a celle chiuse, le dimensioni delle celle vanno comunemente da alcune decine di micrometri a circa un millimetro. Sono quindi molto maggiori del cammino libero medio delle molecole d’aria in condizioni ambientali, che è dell’ordine di alcune decine di nanometri.

Per questo motivo, le schiume convenzionali a celle chiuse non basano generalmente il proprio isolamento soprattutto sull’effetto Knudsen. Il loro funzionamento dipende principalmente dal confinamento di gas a bassa conducibilità, dalla limitazione della convezione, dalla riduzione della conduzione attraverso la struttura solida e dalla resistenza alla penetrazione dell’umidità.

Agenti espandenti e invecchiamento

Alcune schiume a celle chiuse, in particolare quelle di poliuretano (PU) e poliisocianurato (PIR), vengono prodotte con agenti espandenti la cui conducibilità termica può essere inferiore a quella dell’aria. Tra gli esempi figurano idrocarburi come il pentano e alcuni agenti espandenti HFO.

La composizione del gas nelle celle può cambiare nel tempo: parte dell’agente espandente può diffondere verso l’esterno, mentre l’aria entra nelle celle. Di conseguenza, la conducibilità termica può aumentare e avvicinarsi gradualmente a un valore più stabile nel lungo periodo. Questo fenomeno è chiamato invecchiamento termico; in relazione alla resistenza termica, si parla anche di variazione del valore R nel tempo.

La conducibilità termica iniziale di una schiuma e quella dopo invecchiamento non vanno quindi considerate automaticamente equivalenti.

Temperatura di esercizio

La temperatura utilizzabile dipende dalla composizione chimica e dalla stabilità della matrice del materiale. In schiume organiche convenzionali come XPS, PU e NBR, i limiti di impiego prolungato possono essere legati, secondo il caso, ad ammorbidimento, transizione vetrosa, ossidazione, degradazione o decomposizione.

A seconda della formulazione, molti isolanti organici convenzionali a celle chiuse operano in un intervallo indicativo che può partire da circa −50 °C e avere un limite superiore compreso, a seconda del prodotto, tra 80 e 120 °C. Formulazioni specializzate possono avere limiti diversi. Per definire l’intervallo effettivo occorre consultare i dati tecnici e le prove pertinenti al materiale scelto.

Comportamento al fuoco

La maggior parte delle schiume polimeriche organiche convenzionali è combustibile in una certa misura. Il comportamento al fuoco deve essere valutato in base al prodotto, all’applicazione e ai requisiti del mercato di destinazione. Tra i sistemi normativi che possono essere pertinenti, a seconda del caso, figurano EN 13501, ASTM E84 e GB 8624.

Una bassa conducibilità termica non implica automaticamente un’elevata resistenza al fuoco: sono caratteristiche da valutare separatamente.

Umidità e vapore acqueo

Rispetto ai materiali con pori ampiamente interconnessi, quelli a celle chiuse presentano generalmente un minore assorbimento d’acqua e una minore permeabilità al vapore acqueo. «A celle chiuse» non significa però «completamente impermeabile al vapore».

In presenza di differenze di umidità protratte nel tempo, va considerata la trasmissione del vapore. Nel sistema isolante completo contano anche giunti, cuciture, rivestimenti, adesivi, interfacce ed eventuali strati di controllo del vapore.

In che modo le celle chiuse riducono il trasferimento di calore?

La conducibilità termica effettiva di una schiuma a celle chiuse può essere descritta, a livello concettuale, considerando tre contributi:

λ_eff ≈ λ_gas + λ_solido + λ_{irraggiamento}

I termini indicano rispettivamente il trasferimento attraverso il gas, attraverso la struttura solida e per irraggiamento. Se gli spazi occupati dal fluido diventano sufficientemente grandi, può contribuire anche la convezione naturale; nelle piccole celle chiuse questo contributo è generalmente fortemente limitato.

Il gas sostituisce una parte del polimero solido

Una quota consistente del volume di una schiuma leggera è costituita da celle contenenti gas. Secondo il sistema di produzione, il gas può comprendere aria, CO₂, pentano, agenti espandenti HFO o altri gas impiegati nella schiumatura.

In molte schiume leggere, il gas può occupare circa il 90–97% del volume totale, a seconda della densità e della formulazione. Questa elevata frazione volumetrica contribuisce alla bassa conducibilità termica effettiva rispetto al corrispondente polimero compatto.

Le piccole celle limitano la convezione

Per svilupparsi, la convezione naturale richiede uno spazio continuo sufficiente alla circolazione del fluido. Nelle celle piccole e isolate, il movimento del gas su larga scala è fortemente ostacolato. Al diminuire delle dimensioni delle celle, la resistenza viscosa limita ulteriormente la circolazione interna.

In molte normali condizioni d’impiego, il contributo convettivo diventa così trascurabile. Il gas continua a condurre calore a livello molecolare: ciò che la struttura riduce è la sua circolazione convettiva.

La struttura solida limita i percorsi di conduzione

Il calore può attraversare anche le pareti polimeriche che circondano le celle. Rispetto a un polimero compatto, una schiuma a bassa densità presenta però una minore frazione di materiale solido, pareti relativamente sottili e percorsi tridimensionali più articolati.

Questa struttura può ridurre la sezione disponibile per la conduzione nella fase solida. Per valutare l’isolamento, dunque, non basta confrontare la conducibilità del polimero di partenza con quella della schiuma finita.

Il controllo dell’umidità aiuta a conservare le prestazioni

L’acqua liquida ha una conducibilità termica di circa 0,6 W/(m·K), oltre venti volte quella dell’aria ferma vicino alla temperatura ambiente. Se sostituisce il gas presente in una struttura porosa, il trasferimento di calore può aumentare sensibilmente.

Le celle chiuse generalmente ostacolano la penetrazione dell’acqua liquida e spesso presentano una permeabilità al vapore relativamente bassa. La protezione non è assoluta: le prestazioni nel tempo dipendono anche dalla chimica del materiale, dalle condizioni ambientali, dalla qualità della posa e dalla progettazione dell’intero sistema.

Come si confrontano i diversi materiali isolanti?

La tabella riporta intervalli indicativi di settore, non valori universali né prestazioni garantite per ogni prodotto. La conducibilità effettiva varia con formulazione, densità, temperatura, umidità, gas nelle celle, invecchiamento e metodo di prova.

Una distinzione riguarda schiume convenzionali a celle chiuse e isolanti nanoporosi. Le prime agiscono soprattutto confinando il gas e limitando la convezione. Nei materiali nanoporosi, quando le dimensioni dei pori si avvicinano al cammino libero medio delle molecole del gas, può diventare rilevante anche l’effetto Knudsen, che riduce ulteriormente la conduzione nella fase gassosa. Non si deve presumere che le due categorie funzionino mediante lo stesso meccanismo microscopico.

Valori e aspetti tecnici da considerare

Conducibilità termica di alcuni gas

I seguenti valori approssimativi aiutano a capire perché la composizione dell’agente espandente possa influire sulla conducibilità iniziale di alcune schiume:

Si tratta di valori indicativi: il risultato del materiale finito dipende dall’intera struttura della schiuma e dalle condizioni di valutazione.

Percentuale di celle chiuse

La percentuale di celle chiuse può essere valutata con metodi quali ASTM D6226 e ISO 4590. Per interpretarla correttamente va letta insieme a densità, dimensioni delle celle, composizione del gas, comportamento all’umidità e invecchiamento termico.

Impatto ambientale degli agenti espandenti

Nel tempo sono state impiegate diverse generazioni di agenti espandenti. I CFC e molti HCFC sono stati eliminati o limitati per il loro potenziale di riduzione dell’ozono; gli HFC con elevato potenziale di riscaldamento globale (GWP) sono oggetto di progressiva riduzione nell’ambito delle politiche climatiche internazionali.

Sono stati sviluppati sistemi più recenti, tra cui alcune tecnologie HFO, con l’obiettivo di coniugare un minore impatto ambientale e proprietà termiche utili. La valutazione va comunque riferita all’agente espandente e al prodotto specifici.

Dove si utilizzano gli isolanti a celle chiuse?

Edilizia

Negli involucri edilizi si impiegano, per esempio, XPS nell’isolamento sotto il livello del terreno, di solai di locali interrati e di coperture rovesce; pannelli PIR per coperture e pareti esterne; e schiume poliuretaniche a celle chiuse applicate a spruzzo per sigillare fessure e ridurre i ponti termici. A seconda del sistema, l’isolante può contribuire anche alla tenuta all’aria e alla gestione dell’umidità.

Refrigerazione e impianti HVAC

Isolanti flessibili a celle chiuse in NBR, EPDM e materiali affini vengono impiegati su tubazioni di acqua refrigerata, linee frigorifere, condotti HVAC e sistemi di conservazione a freddo. In questi impieghi, isolamento e controllo della condensa sono strettamente collegati: una bassa permeabilità al vapore aiuta a limitare la migrazione dell’umidità verso le superfici fredde.

Apparecchiature frigorifere e catena del freddo

Il poliuretano a celle chiuse è ampiamente utilizzato in frigoriferi, congelatori, pannelli per celle frigorifere e contenitori di trasporto isolati. Può fornire una resistenza termica significativa entro spessori di parete limitati, contribuendo anche alla rigidità meccanica della struttura.

Applicazioni marine e offshore

In alcuni impieghi marini, le schiume a celle chiuse possono combinare isolamento termico, basso assorbimento d’acqua, galleggiabilità e ammortizzazione meccanica. Queste caratteristiche sono utili quando il materiale è esposto a umidità o acqua.

Calzature, imballaggi e protezioni

EVA, XLPE e altre schiume a celle chiuse sono impiegate, tra l’altro, in intersuole, imballaggi protettivi, custodie per strumenti, strutture ammortizzanti e sistemi di protezione termica. A seconda del prodotto, possono contribuire sia all’isolamento sia all’assorbimento degli urti.

Abbigliamento e articoli flessibili

Nell’abbigliamento i requisiti cambiano. Le schiume convenzionali a celle chiuse possono isolare efficacemente, ma la loro permeabilità all’aria e al vapore acqueo relativamente bassa può influire sul comfort quando l’umidità prodotta dal corpo deve fuoriuscire.

Un materiale destinato a capi o articoli flessibili può dover combinare bassa conducibilità termica, spessore contenuto, peso ridotto, flessibilità, trasporto del vapore acqueo, durata, recupero dopo compressione e compatibilità con la lavorazione tessile. La scelta, quindi, non dipende dalla sola capacità di limitare il trasferimento di calore, ma anche da come il materiale si comporta nel prodotto finito.

Y-Warm e l’isolamento flessibile per applicazioni indossabili

Le schiume convenzionali a celle chiuse sono particolarmente adatte quando contano basso assorbimento d’acqua, bassa permeabilità al vapore, resistenza alla compressione o integrazione strutturale. Nelle applicazioni indossabili possono diventare prioritari altri requisiti, soprattutto flessibilità, spessore ridotto e trasporto dell’umidità.

Y-Warm è un materiale isolante termico sottile e flessibile progettato per applicazioni nelle quali una schiuma convenzionale rigida o semirigida potrebbe non offrire la combinazione richiesta di prestazioni termiche, flessibilità e permeabilità all’umidità. Impiega una struttura cellulare porosa progettata per controllare il trasferimento di calore all’interno di uno strato sottile e flessibile, anziché affidarsi principalmente a un elevato spessore.

La tabella descrive priorità progettuali, non una graduatoria di prestazioni. Per un’applicazione indossabile, la valutazione complessiva richiede di considerare insieme conducibilità termica, spessore, flessibilità, trasporto dell’umidità, durata e comportamento alla compressione.

Conclusione

I materiali a celle chiuse isolano grazie all’azione combinata del gas confinato nelle celle, della limitazione della convezione, della riduzione della conduzione attraverso la struttura solida e, in molti casi, della resistenza alla penetrazione dell’umidità. Le prestazioni effettive dipendono sempre dalla formulazione, dalle condizioni d’impiego e dal sistema in cui il materiale viene integrato.

Quando l’applicazione richiede anche spessori molto ridotti, flessibilità e trasporto dell’umidità, la progettazione della struttura interna del materiale diventa centrale quanto la scelta della sua composizione.

Domande frequenti

1. Perché una schiuma a celle chiuse isola dal calore?

Perché contiene un’elevata frazione di gas a bassa conducibilità termica in piccole celle isolate. La struttura limita la convezione del gas e riduce la quantità e i percorsi del materiale solido attraverso cui il calore può propagarsi.

2. Qual è la differenza tra un isolante a celle chiuse e uno a celle aperte?

In un materiale a celle chiuse, le cavità sono in gran parte separate; in uno a celle aperte, i pori sono interconnessi. I materiali a celle chiuse hanno generalmente un minore assorbimento d’acqua e una minore permeabilità al vapore. Quelli a celle aperte possono offrire, secondo l’applicazione, maggiore morbidezza, assorbimento acustico o trasmissione del vapore.

3. L’effetto Knudsen spiega l’isolamento delle schiume a celle chiuse?

Generalmente non è il meccanismo principale nelle schiume convenzionali: le loro celle sono molto più grandi del cammino libero medio delle molecole d’aria in condizioni ambientali. L’effetto Knudsen diventa più rilevante quando le dimensioni dei pori si avvicinano alla scala nanometrica.

4. La conducibilità termica di una schiuma a celle chiuse può cambiare nel tempo?

Sì. In alcune schiume, il gas dell’agente espandente può diffondere verso l’esterno mentre l’aria entra nelle celle. La variazione della composizione del gas può far aumentare la conducibilità termica rispetto al valore iniziale.

5. «A celle chiuse» significa impermeabile all’acqua e al vapore?

No. Una struttura a celle chiuse generalmente ostacola l’assorbimento di acqua liquida, ma non garantisce impermeabilità assoluta né assenza di trasmissione del vapore. Contano anche giunti, rivestimenti, interfacce e condizioni d’impiego.

6. Come scegliere un isolante a celle chiuse per un capo di abbigliamento?

La conducibilità termica è solo uno dei parametri. Occorre valutare anche spessore, peso, flessibilità, trasporto del vapore acqueo, durata, recupero dopo compressione e compatibilità con la costruzione tessile del capo.