L’innovazione cambia il mondo
Nell’abbigliamento invernale, «più spesso» è stato a lungo sinonimo di «più caldo». Più un piumino è voluminoso, più tende a tenere caldo; più un cappotto imbottito è spesso, maggiore è la protezione dal freddo che ci si aspetta.
Y-Warm mette in discussione questa convinzione. Con uno spessore di appena 0,7 mm, questo materiale isolante termico flessibile su scala nanometrica può aumentare la temperatura percepita di circa 10 °C in condizioni comparabili.
Sottile e al tempo stesso altamente isolante: come possono coesistere due caratteristiche apparentemente contraddittorie?
1. I principi dell’isolamento termico: limitare la dispersione di calore
Per capire come sia possibile, occorre partire dai principi fisici dell’isolamento termico.
Il corpo umano produce continuamente calore; i materiali isolanti, invece, non generano calore. La loro funzione principale è rallentare il trasferimento del calore corporeo verso l’ambiente circostante. Una delle proprietà fondamentali che regolano questo processo è la conducibilità termica: quanto più è bassa, tanto più efficacemente il materiale ostacola il trasferimento di calore.
L’aria ferma è un ottimo isolante termico grazie alla sua conducibilità termica molto bassa. I materiali isolanti tradizionali sfruttano proprio questa proprietà. Il piumino, l’ovatta di cotone, il pile e altri materiali fibrosi formano strutture che trattengono grandi volumi di aria ferma. Queste sacche d’aria agiscono come barriere al trasferimento di calore.
2. Perché gli isolanti tradizionali richiedono spessore
È anche per questo che gli isolanti tradizionali tendono a essere voluminosi.
Per trattenere una quantità sufficiente di aria ferma, una struttura fibrosa deve mantenere un volume adeguato. Di conseguenza, ottenere un maggiore isolamento ha tradizionalmente significato aumentare lo spessore dello strato isolante.
Uno spessore maggiore può però comportare ulteriori difficoltà. Negli spazi vuoti più ampi possono comunque verificarsi movimenti d’aria che riducono l’efficienza dell’isolamento. Quando un materiale assorbe umidità, la sua conducibilità termica può aumentare sensibilmente. Allo stesso tempo, una struttura più spessa può rendere più difficile la fuoriuscita del vapore acqueo prodotto dal corpo.
In altre parole, l’isolamento tradizionale si è basato soprattutto sullo spessore per trattenere il calore, ma questo approccio può comportare alcuni compromessi: maggiore ingombro e peso, minori prestazioni isolanti quando il materiale è bagnato e una gestione meno efficiente dell’umidità.
3. L’approccio di Y-Warm: trattenere l’aria ferma in celle chiuse micrometriche
Y-Warm adotta un’impostazione strutturale diversa.
Invece di affidarsi a uno strato fibroso spesso e voluminoso per trattenere grandi quantità di aria ferma, Y-Warm utilizza una struttura flessibile a celle chiuse su scala nanometrica, che trattiene l’aria ferma all’interno di pori di dimensioni micrometriche.
Confinando l’aria su questa scala molto più piccola, il materiale può mantenere una bassa conducibilità termica senza l’ingombro tipico degli isolanti fibrosi tradizionali.
Un aspetto altrettanto importante è la flessibilità.
Grazie alla progettazione del materiale, Y-Warm combina la struttura isolante a celle chiuse con le proprietà meccaniche necessarie per l’impiego nel settore tessile. Pur essendo sottile come una membrana, può essere cucito, lavato in lavatrice e integrato nella struttura dei capi di abbigliamento.
Questo modifica il rapporto tra spessore e isolamento.
Lo spessore ridotto di Y-Warm non deriva da una rinuncia alle prestazioni isolanti: sono l’efficienza della struttura isolante e la sua progettazione a rendere possibile un materiale sottile e leggero.
4. Oltre la conducibilità termica: gestire l’umidità per mantenere le prestazioni
La bassa conducibilità termica aiuta a spiegare come un materiale sottile possa offrire un isolamento efficace. Per mantenere queste prestazioni, però, occorre considerare un’altra variabile fondamentale: l’umidità.
Quando un materiale isolante si bagna, l’acqua può sostituire parte dell’aria ferma presente nella sua struttura. Poiché l’acqua conduce il calore molto più facilmente dell’aria, l’aumento del contenuto di umidità può ridurre sensibilmente le prestazioni di isolamento termico.
È uno dei motivi per cui, in inverno, gli indumenti umidi possono far avvertire molto più freddo.
Secondo i dati delle prove, Y-Warm contiene gruppi idrofili e presenta una capacità di assorbimento dell’acqua pari a circa il doppio di quella del tessuto standard di riferimento utilizzato nelle prove. Questa caratteristica consente al materiale di assorbire e trasferire rapidamente l’umidità prodotta dal corpo.
Anche la velocità di evaporazione è pari a circa il doppio di quella del tessuto di riferimento. Dopo la completa saturazione, il materiale può asciugarsi completamente in circa un’ora.
L’efficienza termica di Y-Warm può quindi essere considerata sotto due aspetti: la bassa conducibilità termica contribuisce a limitare il trasferimento di calore, mentre la permeabilità al vapore acqueo e l’asciugatura rapida aiutano a mantenere asciutto lo strato isolante e a ridurre al minimo la perdita di prestazioni termiche dovuta all’umidità.
5. Perché è stato così difficile ottenere questo risultato?
L’idea di utilizzare strutture altamente porose per l’isolamento termico non è nuova. La difficoltà è stata trasformarla in un materiale sufficientemente robusto dal punto di vista meccanico per l’impiego pratico.
Un’elevata porosità può consentire una conducibilità termica estremamente bassa, ma spesso a scapito della resistenza meccanica. In passato, questa fragilità ha reso molti materiali nanoporosi difficili da piegare, cucire, lavare o integrare in prodotti da indossare.
Il compromesso tra prestazioni termiche e durabilità meccanica è stato uno dei principali ostacoli all’impiego degli isolanti nanoporosi nelle applicazioni tessili.
Il team di Y-Warm ha dedicato otto anni al superamento dei limiti meccanici dei materiali nanoporosi. Grazie a tre innovazioni tecnologiche realizzate per la prima volta al mondo, ha trasformato il concetto in un materiale isolante flessibile e utilizzabile in applicazioni concrete.
Y-Warm ha un intervallo di temperatura di esercizio compreso tra −50 °C e 150 °C.
6. Il materiale è solo una parte della soluzione
Le elevate prestazioni di un materiale non garantiscono automaticamente prestazioni altrettanto elevate nel prodotto finito.
Il modo in cui Y-Warm viene integrato in un capo di abbigliamento o in un altro prodotto può influire direttamente sulle sue proprietà. Le informazioni tecniche pubblicamente disponibili indicano che una trapuntatura troppo fitta può modificare la mano del materiale, cioè la sua sensazione al tatto, e rendere più rigido il prodotto finito. L’applicazione di pressione a temperature superiori a 100 °C può compromettere il recupero della struttura porosa, mentre l’accoppiamento mediante adesivo applicato su tutta la superficie può compromettere la traspirabilità e la gestione dell’umidità.
Questi limiti evidenziano un punto essenziale: ottenere prestazioni isolanti ottimali dipende sia dal materiale sia dai successivi processi di lavorazione e dalla progettazione del prodotto.
Nella pratica, le prestazioni termiche richiedono un approccio di ingegneria dei sistemi. Proprietà del materiale, configurazione degli strati, trapuntatura, accoppiamento, struttura del capo e processi produttivi devono essere coordinati per ottenere il risultato previsto.
Dall’aumento dello spessore a una gestione più efficiente del calore
Il principio alla base dell’isolamento invernale sta iniziando a cambiare: dal semplice aumento dello spessore a una gestione più efficiente del trasferimento di calore.
Il significato di Y-Warm non si limita alla realizzazione di un materiale isolante spesso appena 0,7 mm. La sua struttura a celle chiuse su scala nanometrica mostra soprattutto un approccio diverso all’isolamento termico: migliorare l’efficienza senza affidarsi esclusivamente a strutture voluminose e ad alto spessore.
Anziché chiedersi «Quanto spessore serve per stare al caldo?», la scienza dei materiali si pone sempre più spesso un’altra domanda:
«Con quale efficienza si può limitare la dispersione di calore entro un determinato spessore?»
Y-Warm rappresenta una risposta a questa domanda e una possibile evoluzione nella progettazione di materiali leggeri per l’isolamento termico.
