Qual è la differenza tra isolanti a celle aperte e a celle chiuse?

La differenza principale

La differenza fondamentale tra i materiali isolanti a celle aperte e quelli a celle chiuse è l’interconnessione delle celle.

Nei materiali a celle chiuse, le celle sono in gran parte isolate le une dalle altre e delimitate da pareti continue. Trattengono gas a bassa conducibilità termica, limitano il movimento dell’aria e, in genere, riducono la penetrazione dell’umidità. Questi materiali offrono quindi, generalmente, una minore conducibilità termica, una maggiore resistenza alla compressione e una migliore resistenza all’umidità.

Nei materiali a celle aperte, i pori sono interconnessi e consentono all’aria e al vapore acqueo di muoversi più liberamente attraverso la struttura. Questi materiali risultano generalmente più morbidi, flessibili e permeabili al vapore, oltre che più adatti all’assorbimento acustico. Spesso sono anche meno costosi.

I materiali a celle aperte sono però generalmente più sensibili all’umidità: quando l’acqua penetra nella rete di pori interconnessi, le prestazioni termiche possono diminuire in modo significativo.

In termini semplici:

• Celle chiuse: minore permeabilità,      maggiore resistenza meccanica e migliore resistenza all’umidità.

• Celle aperte: maggiore morbidezza,      permeabilità al vapore e assorbimento acustico.

Nessuna delle due strutture è migliore in assoluto: la scelta dipende dall’applicazione.

1. Le condizioni da considerare nel confronto

La distinzione tra isolanti a celle aperte e a celle chiuse può sembrare immediata, ma un confronto tecnico richiede alcune precisazioni.

1.1 Tra celle aperte e celle chiuse esistono strutture intermedie

Nei materiali reali, la struttura porosa non è sempre completamente aperta o completamente chiusa. Per questo, le schiume vengono spesso caratterizzate in base al loro contenuto di celle chiuse, valutabile secondo norme quali ASTM D6226 e ISO 4590.

Le schiume con un contenuto di celle chiuse molto elevato sono generalmente classificate come schiume a celle chiuse; quelle con pori prevalentemente interconnessi sono considerate schiume a celle aperte.

Per un prodotto specifico, è comunque preferibile fare riferimento al contenuto di celle chiuse effettivamente misurato, anziché basarsi soltanto su una descrizione commerciale come «a celle aperte» o «a celle chiuse».

1.2 In laboratorio, in condizioni asciutte, la differenza di conducibilità può essere più contenuta

In condizioni di laboratorio asciutte, la differenza di conducibilità termica tra schiume a celle aperte e a celle chiuse ottenute da matrici polimeriche simili non è necessariamente molto ampia.

Nell’impiego reale, la differenza diventa più significativa in presenza di:

• assorbimento di umidità;

• condensa;

• movimento dell’aria;

• differenze di pressione;

• esposizione ambientale prolungata.

Questi fattori sono particolarmente rilevanti perché una rete di pori aperti e interconnessi facilita il movimento dell’umidità e dell’aria attraverso il materiale.

1.3 Gli isolanti fibrosi non sono schiume a celle aperte

Materiali come la lana di roccia e la lana di vetro non hanno una struttura a schiuma cellulare: contengono invece spazi d’aria interconnessi tra le fibre.

Possono quindi presentare alcune caratteristiche di trasporto simili a quelle delle strutture porose aperte, come la permeabilità all’aria e il trasporto dell’umidità. Non devono però essere classificati come schiume a celle aperte.

Possono essere utilizzati come materiali di riferimento nel confronto, mantenendo distinta la loro definizione strutturale.

1.4 Resistenza alle temperature e comportamento al fuoco dipendono soprattutto dalla composizione chimica

La resistenza alle temperature e l’infiammabilità delle schiume organiche, come PU, EPS, XPS e NBR, dipendono principalmente dalla composizione chimica e dalla stabilità termica del polimero di base.

La sola struttura a celle aperte o a celle chiuse non determina la resistenza al fuoco né la temperatura massima di esercizio. Le prestazioni di isolamento termico e il comportamento al fuoco devono quindi essere valutati separatamente.

2. Come la struttura porosa influenza il comportamento del materiale

La maggior parte delle differenze pratiche tra le schiume a celle aperte e quelle a celle chiuse deriva da una domanda strutturale di fondo: le celle sono delimitate da pareti continue oppure i pori sono interconnessi?

Questa differenza influenza il movimento dei gas, il trasferimento di calore, il trasporto dell’umidità e il comportamento meccanico.

2.1 Confinamento del gas: conducibilità termica e convezione

Le schiume a celle chiuse trattengono il gas all’interno di celle isolate di dimensioni micrometriche. Poiché il gas non può circolare liberamente tra una cella e l’altra, i movimenti su larga scala sono fortemente limitati e la convezione naturale viene soppressa.

Alcuni sistemi a celle chiuse contengono anche agenti espandenti a bassa conducibilità termica, come gli HFO o il pentano. Questi gas possono avere una conducibilità inferiore a quella dell’aria, riducendo ulteriormente la conducibilità termica effettiva della schiuma.

Nelle strutture a celle aperte, invece, l’interconnessione dei pori mette più facilmente la fase gassosa in comunicazione con l’ambiente circostante. Differenze di temperatura e di pressione, insieme ai flussi d’aria esterni, possono quindi influenzare il movimento del gas attraverso la struttura.

In condizioni d’impiego reali, ciò può aumentare il trasferimento di calore rispetto alle condizioni idealizzate di laboratorio, con il materiale asciutto.

2.2 Trasporto dell’umidità: durabilità e prestazioni termiche nel tempo

Il comportamento rispetto all’umidità è una delle differenze pratiche più importanti tra isolanti a celle aperte e a celle chiuse.

Le celle chiuse limitano la penetrazione dell’acqua liquida e riducono il trasporto del vapore acqueo. Questo aiuta a preservare la struttura contenente gas da cui dipende l’isolamento termico.

La conducibilità termica dell’acqua liquida è di circa 0,6 W/(m·K), oltre venti volte quella dell’aria ferma, pari a circa 0,026 W/(m·K).

Se l’acqua entra in una struttura isolante porosa e sostituisce il gas a bassa conducibilità, il trasferimento di calore può aumentare sensibilmente.

Nei materiali a celle aperte, la rete di pori interconnessi facilita l’ingresso e il movimento dell’umidità. Una volta bagnati, questi isolanti possono presentare, a seconda del materiale e delle condizioni ambientali:

• aumento della conducibilità termica;

• riduzione della resistenza termica;

• danni dovuti ai cicli di gelo e disgelo;

• rischio di formazione di muffe;

• degrado della matrice del materiale.

È uno dei motivi per cui la differenza tra isolanti a celle aperte e a celle chiuse può diventare molto più marcata in ambienti umidi o bagnati.

2.3 Comportamento meccanico: resistenza, compressione e sensazione al tatto

La struttura porosa influisce anche sul comportamento meccanico. Una struttura a celle chiuse può essere immaginata come un insieme di microscopiche camere contenenti gas. Quando viene compressa, sia le pareti cellulari sia il gas intrappolato contribuiscono a sostenere il carico.

Le schiume a celle chiuse offrono quindi generalmente:

• maggiore resistenza alla compressione;

• maggiore rigidità strutturale;

• migliore resistenza alla deformazione sotto carico.

Nei materiali a celle aperte, invece, il gas può spostarsi attraverso la rete di pori interconnessi durante la compressione. Il materiale si deforma così più facilmente e risulta generalmente:

• più morbido;

• più comprimibile;

• più flessibile;

• più capace di recuperare la forma dopo la deformazione.

Queste proprietà si accompagnano però, in genere, a una minore resistenza alla compressione.

La struttura porosa non introduce una nuova legge fisica: determina se il materiale consente o limita i meccanismi di conduzione termica attraverso il gas, convezione e flusso d’aria, migrazione dell’umidità e trasmissione dei carichi meccanici.

3. Confronto tra i materiali isolanti

I valori seguenti rappresentano intervalli tipici riportati in pubblicazioni di settore, a temperatura ambiente e in condizioni relativamente asciutte.

Le prestazioni effettive dipendono da formulazione, densità, umidità, temperatura, invecchiamento, posa e metodo di prova.

Struttura porosa e conducibilità termica

Umidità, permeabilità, comportamento meccanico e applicazioni

Questi intervalli sono rappresentativi: non sono costanti universali dei materiali.

Un principio tecnico fondamentale è che un isolante non va scelto soltanto in base alla conducibilità termica. Esposizione all’umidità, carichi meccanici, limiti di spessore, trasporto del vapore, requisiti acustici, durabilità e condizioni di posa possono tutti influenzare la scelta della struttura più adatta.

4. Parametri tecnici e metodi di prova

Diversi parametri misurabili mediante metodi normalizzati aiutano a caratterizzare e confrontare gli isolanti a celle aperte e a celle chiuse.

4.1 Contenuto di celle chiuse

Il contenuto di celle chiuse può essere valutato secondo ASTM D6226 e ISO 4590. Consente di descrivere quantitativamente quale parte della struttura di una schiuma è costituita da celle isolate.

4.2 Assorbimento d’acqua

L’assorbimento d’acqua può essere valutato con metodi quali ASTM D2842 ed EN 12087.

È un parametro particolarmente importante per l’isolamento interrato, le coperture, la refrigerazione e le altre applicazioni esposte all’umidità.

4.3 Permeabilità al vapore acqueo

La trasmissione del vapore acqueo può essere valutata mediante norme quali ASTM E96.

La distinzione è importante: un materiale può assorbire poca acqua liquida e consentire comunque un certo passaggio di vapore acqueo.

4.4 Conducibilità termica dell’acqua e dell’aria

A temperature prossime a quella ambiente, i valori approssimativi sono:

• Acqua liquida: circa 0,6 W/(m·K).

• Aria ferma: circa 0,026 W/(m·K).

La grande differenza tra questi valori spiega perché l’assorbimento di umidità possa ridurre sensibilmente le prestazioni termiche di un isolante poroso.

5. Quale struttura scegliere per ciascuna applicazione?

La scelta dipende soprattutto dalle condizioni ambientali e dai requisiti meccanici. Un criterio orientativo è il seguente:

• Ambiente asciutto, morbidezza, permeabilità al vapore e      assorbimento acustico: le strutture a celle      aperte possono offrire vantaggi.

• Esposizione all’acqua, compressione, sensibilità alla condensa      e funzione strutturale: le strutture a celle      chiuse sono spesso più adatte.

• Spessore estremamente ridotto, flessibilità e permeabilità      all’umidità: si possono considerare materiali      isolanti porosi flessibili avanzati.

5.1 Celle chiuse: ambienti umidi, freddi o soggetti a carico

I materiali a celle chiuse sono particolarmente utili quando l’isolante deve resistere all’umidità, alla pressione o al contatto prolungato con superfici fredde.

Pavimenti di locali interrati e isolamento interrato

L’XPS è comunemente impiegato nelle applicazioni interrate perché combina isolamento termico, basso assorbimento d’acqua ed elevata resistenza alla compressione.

Coperture rovesce

In una copertura rovescia, lo strato isolante si trova sopra la membrana impermeabilizzante. Poiché può essere esposto ripetutamente all’acqua, il basso assorbimento d’acqua diventa un requisito essenziale.

I materiali a celle chiuse sono quindi particolarmente adatti a questo tipo di costruzione.

Tubazioni di refrigerazione e celle frigorifere

Gli isolanti a celle chiuse in NBR ed EPDM sono ampiamente utilizzati per rivestire le tubazioni di refrigerazione e di acqua refrigerata.

In queste applicazioni devono assicurare sia isolamento termico sia controllo della condensa. Una bassa permeabilità al vapore acqueo contribuisce a ridurre la migrazione dell’umidità verso le superfici fredde.

Contenitori per la catena del freddo e applicazioni marine

I materiali a celle chiuse possono svolgere contemporaneamente diverse funzioni:

• isolamento termico;

• supporto meccanico;

• resistenza all’umidità;

• galleggiabilità.

Questa combinazione li rende utili nei contenitori per la catena del freddo, nei sistemi marini e in altri ambienti impegnativi.

5.2 Celle aperte: ambienti asciutti, morbidezza, assorbimento acustico e permeabilità al vapore

Le strutture a celle aperte sono spesso vantaggiose quando morbidezza, assorbimento acustico o passaggio del vapore hanno maggiore importanza rispetto alla resistenza all’umidità o alla compressione.

Sottotetti e intercapedini delle pareti interne

Le schiume a spruzzo a celle aperte e gli isolanti fibrosi possono essere utilizzati in ambienti interni relativamente asciutti, dove sono importanti la morbidezza e la capacità di riempire le cavità.

A seconda del sistema edilizio nel suo complesso, il trasporto del vapore può anche favorire l’asciugatura.

Applicazioni fonoassorbenti

Le strutture a celle aperte sono molto efficaci nel dissipare l’energia acustica. Quando le onde sonore entrano nella rete di pori interconnessi, l’attrito viscoso e il movimento dell’aria al suo interno trasformano parte dell’energia acustica in calore.

Le applicazioni tipiche comprendono:

• studi di registrazione;

• soffitti di uffici;

• locali tecnici;

• pannelli acustici.

Riempimenti flessibili e imbottiture

La morbidezza e la comprimibilità dei materiali a celle aperte li rendono adatti a imbottiture per mobili, imbottiture protettive, supporti morbidi e sistemi di tenuta flessibili.

5.3 Abbigliamento e attrezzature per l’outdoor

L’abbigliamento pone esigenze progettuali molto diverse da quelle dell’isolamento edilizio.

In edilizia, una bassa permeabilità al vapore può essere desiderabile perché aiuta a impedire l’ingresso dell’umidità nello strato isolante. Nell’abbigliamento, invece, il corpo umano produce continuamente calore e vapore acqueo.

L’isolamento destinato a essere indossato deve quindi spesso bilanciare isolamento termico, flessibilità, spessore ridotto, trasporto dell’umidità e comfort.

Gli isolanti tradizionali per l’abbigliamento, come il piumino, le ovatte sintetiche e le imbottiture fibrose, utilizzano strutture tridimensionali per trattenere l’aria. Possono offrire un isolamento efficace, ma richiedono generalmente un certo spessore soffice e voluminoso e possono perdere prestazioni quando si bagnano.

I materiali isolanti porosi flessibili avanzati rappresentano un’altra possibilità. Materiali come Y-Warm sono progettati per offrire isolamento termico in una struttura sottile e flessibile, consentendo al contempo il passaggio del vapore acqueo.

Per l’abbigliamento, dunque, la progettazione dei materiali non si esaurisce nella scelta tra celle aperte e celle chiuse. L’obiettivo è trovare il giusto equilibrio tra bassa conducibilità termica, permeabilità all’umidità, flessibilità, spessore e durabilità.

5.4 Strutture miste e composite

Nei sistemi reali, i materiali a celle aperte e a celle chiuse sono spesso utilizzati insieme. L’involucro di una cella frigorifera, per esempio, può comprendere:

• pannelli a celle chiuse per l’isolamento termico e la      resistenza all’umidità;

• schiuma a celle chiuse in corrispondenza dei giunti e dei ponti      termici;

• uno strato interno acustico o di finitura con una struttura più      aperta.

I materiali a celle aperte e a celle chiuse possono svolgere funzioni complementari all’interno dello stesso sistema. Non sono necessariamente soluzioni in concorrenza.

Conclusioni

La differenza fondamentale è strutturale: nei materiali a celle chiuse le celle sono in gran parte isolate, mentre in quelli a celle aperte i pori sono interconnessi.

Questa distinzione influisce su molto più della sola conducibilità termica: condiziona il movimento dei gas, la convezione, il trasporto dell’umidità, la resistenza alla compressione, la flessibilità e il comportamento acustico.

I materiali a celle chiuse sono generalmente più adatti quando l’isolamento deve garantire anche resistenza all’umidità, controllo della condensa, resistenza alla compressione o integrazione strutturale.

Quelli a celle aperte offrono spesso vantaggi quando le priorità sono morbidezza, flessibilità, permeabilità al vapore o assorbimento acustico.

La progettazione degli isolanti sta però andando oltre questa semplice distinzione. Nell’abbigliamento, nelle calzature e in altri sistemi flessibili, può essere necessario combinare isolamento termico e trasporto dell’umidità in una struttura estremamente sottile.

La struttura isolante più adatta è quella che controlla nel modo più efficace calore, umidità, aria e forze meccaniche per l’applicazione prevista, non semplicemente quella con le celle più aperte o più chiuse.

Domande frequenti

1. Quale isola meglio: la schiuma a celle aperte o quella a celle      chiuse?

In condizioni asciutte comparabili e a parità di spessore, le schiume a celle chiuse presentano spesso una conducibilità termica inferiore. La differenza nell’impiego reale può aumentare negli ambienti umidi, perché i materiali a celle aperte possono assorbire più umidità.

Le prestazioni effettive dipendono comunque da densità, composizione chimica del polimero, agente espandente, temperatura, umidità e condizioni di prova.

2. Gli isolanti a celle aperte possono essere usati all’esterno o      in applicazioni interrate?

Possono essere utilizzati solo se il sistema nel suo complesso garantisce un’adeguata protezione dall’acqua e dall’esposizione incontrollata all’umidità.

Per applicazioni costantemente bagnate, interrate o particolarmente sensibili alla condensa, i materiali a celle chiuse sono generalmente più adatti grazie al minore assorbimento d’acqua e alla minore permeabilità al vapore.

3. Perché le schiume a celle chiuse sono spesso più costose?

Possono richiedere un controllo più rigoroso delle condizioni di espansione, della nucleazione delle celle, della temperatura, della pressione, della composizione chimica dell’agente espandente e della stabilità del processo. Questi requisiti possono aumentare la complessità e i costi di produzione.

Le schiume a celle aperte possono richiedere meno materiale e spesso possono essere prodotte a densità inferiori, con una possibile riduzione dei costi.

4. Quale struttura è più adatta all’assorbimento acustico?

I materiali a celle aperte sono generalmente più adatti. I pori interconnessi consentono alle onde sonore di entrare nella struttura, dove l’energia acustica viene dissipata attraverso l’attrito viscoso e il movimento interno dell’aria.

I materiali a celle chiuse assorbono in genere meno suono. Tuttavia, strati densi a celle chiuse possono contribuire all’isolamento dai rumori aerei quando fanno parte di una costruzione multistrato.

5. L’EPS è un materiale a celle aperte o a celle chiuse?

L’EPS è generalmente considerato un materiale prevalentemente a celle chiuse: la maggior parte delle celle all’interno delle singole perle di polistirene espanso è chiusa.

Le zone di contatto tra le perle saldate tra loro possono però creare ulteriori percorsi per il trasporto dell’umidità. Per questo, l’EPS presenta generalmente un assorbimento d’acqua a lungo termine superiore a quello dell’XPS, pur essendo entrambi isolanti prevalentemente a celle chiuse.