Soluzioni super isolanti e innovative per l'involucro opaco e trasparente: vantaggi e criticità

Il mercato europeo dei materiali isolanti

L’incremento dei livelli di isolamento dell'involucro edilizio (pavimenti, pareti, tetti e così via) rappresenta una delle soluzioni più efficaci per la riduzione dei consumi energetici finali degli edifici, sia nel caso di edifici nuovi che già esistenti. Oggigiorno, vengono utilizzati molti materiali diversi per questo scopo, che possono essere classificati in due macro categorie, in funzione della loro composizione chimica, struttura fisica e delle proprietà termiche: materiali isolanti tradizionali e innovativi (Figura 1).

Figura 1 – Classificazione dei materiali isolanti, e rispettivi valori di conducibilità termica indicativi.

Tra questi, il mercato europeo è dominato dalle soluzioni tradizionali. I materiali fibrosi inorganici (lana di vetro e lana di roccia) hanno raggiunto il 56% del mercato dell'isolamento termico nel 2018 (Figura 2), riguadagnando quote di mercato negli ultimi tempi grazie all'enfasi sull'utilizzo di materiali isolanti non combustibili. Nonostante le scarse proprietà di resistenza al fuoco, l'EPS rimane un materiale molto popolare, specialmente nell'isolamento delle pareti esterne in gran parte della regione, con circa il 25% dell'intero mercato, mentre l’XPS, a causa del suo costo più elevato, viene in genere utilizzato per applicazioni in cui sono richieste bassa permeabilità ed elevata resistenza alla compressione. Le schiume poliuretaniche, sebbene in passato non erano così ampiamente utilizzate come altri materiali a causa del loro costo relativamente elevato, negli ultimi anni hanno avuto un’impennata (passando dall’8% nel 2014 all’11% nel 2018) per merito dei bassi valori di conducibilità termica (inoltre, l'ampia temperatura di esercizio li rende materiali molto versatili). 

Figura 2 – Mercato europeo dei materiali isolanti (fonte dei dati: The European market for thermal insulation products - IAL Consultants).

I materiali super isolanti (Super Insultaing Materials – SIM)

I recenti incentivi in materia di efficientamento energetico degli edifici, hanno però aperto la strada ad altri materiali estremamente performanti, e tipicamente utilizzati per applicazioni limitate e particolari, a causa del loro elevato costo.

Stiamo parlando dei cosiddetti materiali super isolanti (Super Insultaing Materials – SIM).

I SIM sono caratterizzate da una conducibilità termica λ molto bassa (0,0015 W/mK ), ovvero da cinque a dieci volte inferiore rispetto ai materiali isolanti tradizionalmente utilizzati in edilizia (λ ~ 0,0300 - 0,0400 W /mK).

Tra questi materiali si annoverano principalmente: materiali nanoporosi in genere, resine fenoliche, aerogel e i pannelli isolanti sottovuoto (Vacuum Insulation Panel – VIP). 

La trasmissione del calore dovuto a un gradiente di temperatura (tra ambiente interno ed esterno) è composta da tre diversi contributi:

• conduzione tra particelle di fase solida, liquida e gassosa;
• convezione dovuta al movimento delle molecole nei fluidi;
• irraggiamento (trasferimento di calore a infrarossi) sotto forma di onde elettromagnetiche o particelle attraverso lo spazio.

Riducendo questi contributi, si ridurrà anche la conducibilità termica complessiva del materiale. 

Solitamente i materiali isolanti sono altamente porosi, in quanto i gas hanno una minore conduzione termica rispetto alle sostanze solide e liquide. Più i pori sono piccoli, numerosi, e uniformemente distribuiti, tanto maggiore saranno le capacità isolanti del materiale.

I pori (celle) possono inoltre essere di tipo aperto o chiuso, a seconda che comunichino o meno tra loro e con l’ambiente esterno. I materiali a celle chiuse sono dotati di piccoli pori pieni di aria o di altro gas macroscopicamente fermo. Questo conferisce ottime proprietà isolanti, oltre a renderli poco permeabili al vapore acqueo, e conseguentemente poco soggetti a problematiche legate alla presenza di infiltrazioni e condensa interstiziale.

Al contrario, nei materiali a celle aperte, la presenza di particelle di aria (o di altro gas) in movimento ne riduce le capacità isolanti. I pori aperti rendono inoltre il materiale permeabile al vapore, con il rischio di accumulo di acqua al loro interno (per effetto di infiltrazioni e condensa), la quale andrebbe a sostituire l’aria all’interno dei pori, riducendo ulteriormente le prestazioni isolanti del materiale.

Per ridurre anche la conducibilità termica gassosa residua all’interno dei pori è possibile agire principalmente in tre modi diversi:

• riempiendo i pori con gas pesanti (es. argon e CO₂) che hanno una conducibilità termica minore di quella dell'aria (ad esempio come agente espandente in caso di isolamento in schiuma, o per la realizzazione di Gas-Filled Panels, i quali trovano però scarso impiego in edilizia);
• ridurre ulteriormente la dimensione dei pori, al fine di impedire la conduzione del gas attraverso i numerosi urti tra gas e particelle solide (resine fenoliche e materiali nanoporosi, come aerogel e silice pirogenica);
• evacuare il materiale isolante (è il caso dei pannelli isolanti sottovuoto – VIP).

I materiali così ottenuti possono essere definiti Super Insulating Materials (SIM): vediamo di seguito le principali caratteristiche di alcuni di essi.

Aerogel e materiali nanoporosi 

I materiali isolanti nanoporosi (Advanced Porous Material – APM) per sono composti da una matrice solida a celle aperte, con nanopori di dimensioni pari a circa 20 nm, caratterizzati da una porosità più elevata rispetto ai materiali isolanti più comuni (circa il 97% invece del 90 – 94%). 

Gli APM sono rappresentati da due materiali principali:

• Fumed Silica – FS (o silice pirogenica), costituita da pannelli pressati di silice amorfa sintetica, ottenuta da biossido di silicio pirogenico idrofobizzato;
• Prodotti a base di aerogel, che sono materiali leggeri ottenuti mediante processo sol-gel, dove l'aria sostituisce la componente liquida del gel (si trovano sul mercato come monoliti, granuli e feltri rinforzati con fibre, che possono essere incollati o accoppiati ad altri elementi).

La maggior parte di questi APM sono a base di silice amorfa sintetica, ma ottenuta attraverso diversi processi di fabbricazione. 

Il FS si presenta come una polvere molto sottile, con un'area superficiale delle particelle estremamente elevata e una bassa densità apparente. Per questi motivi  può essere utilizzato come materiale isolante da solo (in forma di materiale composito fibrorinforzato, Figura 5) o come materiale d'anima dei pannelli isolanti sottovuoto (VIP).

Figura 3 – Pannello pressato fibrorinforzato in silice pirogenica.

A causa della finezza delle sue particelle, il FS può essere facilmente inalato: in ogni caso non è elencato tra i materiali cancerogeni né tra i materiali tossici pericolosi per l'ambiente. 

Questo tipo di materiale può trovare diverse applicazioni nel settore edile: isolamento di facciate, tetti e anche protezione antincendio, specialmente per le ristrutturazioni edilizie, in cui il risparmio di spazio rappresenta una questione fondamentale. 

L'aerogel è invece un gel composto da una fase solida e da una fase gassosa dispersa (non liquida). Si presenta come materiale solido, rigido e friabile. La struttura è altamente porosa: la dimensione media dei pori (solitamente è quasi “privo di peso” (l'aerogel di silice è solo tre volte più pesante dell'aria).

Come detto, gli aerogel possono avere diverse classi di porosità (densità apparente compresa tra 1,1 e 500 kg/m³ circa), ma di solito ha densità di almeno 20 kg/m³, il che significa circa 16 volte più pesante dell'aria. Per effetto del loro alto contenuto di gas, poiché il gas è un pessimo conduttore, gli aerogel sono eccellenti isolanti conduttivi. Sono inoltre ottimo isolante convettivo (l'aria non può circolare nel reticolo poroso che lo costituisce) ma scarso isolante radiativo (le radiazioni infrarosse sono libere di attraversare il materiale).

Gli aerogel possono essere ottenuti partendo da diversi materiali, dei quali il più comune è l'aerogel di silice, ottenuto dal biossido di silicio (SiO₂). La dimensione media dei pori è compresa tra 5 e 70 nm, a seconda della purezza e processo produttivo. Ciò significa che l'aria al suo interno occupa dall'85 al 99,9% del volume complessivo dell'aerogel (mediamente, 96 % aria e 4 % silice).

La densità complessiva dell'aerogel utilizzato per l'isolamento degli edifici è di circa 70 - 150 kg/m³. Tuttavia, è caratterizzato da un'elevata resistenza alla compressione (fino a 300˙000 Pa), mentre la resistenza alla trazione è scarsa (quindi il materiale è estremamente fragile). Solitamente, la debole resistenza alla trazione viene risolta incorporando l'aerogel solido (sotto forma di polvere) in una matrice fibrosa, ottenendo dei feltri di aerogel. La conducibilità termica dell'aerogel di silice a pressione atmosferica è comunemente pari a circa 0,020 W/mK, ma può diminuire fino a 0,004 W/mK se messo sotto vuoto.

Figura 4 – Aerogel di silice: a) monolitico; b) feltro fibrorinforzato.

Per quanto riguarda la resistenza al fuoco, questo tipo di materiale rientra tra i materiali combustibili non facilmente infiammabili, senza emissione di fumi tossici e di gocciolamento.

Anche l'aerogel ha particelle estremamente sottili, e l'inalazione delle polveri può causare irritazione temporanea delle mucose e del tratto respiratorio superiore, mentre il contatto con la pelle e gli occhi può causare secchezza e irritazione temporanea. In ogni caso, nessuno dei suoi componenti è tossico o cancerogeno.

Oggi giorno sono in fase di sviluppo anche aerogel più sostenibili, in particolare:

• Aerogel di cellulosa, prodotto partendo da scarti della carta (densità tra i 100 e i 120 kg/m³ e conducibilità di circa 0,025 W/mK);
• Aerogel di fibra di riso, composto da aerogel silicico, fibrorinforzato con fibre di riso (densità tra i 200 e i 300 kg/m³ e conducibilità compresa nell’intervallo 0,017 – 0,022 W/mK).

Isolanti in aerogel (in genere in forma di feltri) sono sempre più richiesti per applicazioni nel settore edile, principalmente per interventi di isolamento dell’involucro opaco quando sono richiesti spessori ridotti (ad esempio nel caso di cappotto in corrispondenza di balconi poco profondi, o nelle componenti orizzontali per non alzare eccessivamente il piano di calpestio).

I feltri in aerogel possono anche essere utilizzati per l'isolamento delle tubazioni e dei sistemi di accumulo di energia termica. I vantaggi sono correlati al minor spessore necessario dell'isolante, e conseguenti minori dimensioni delle tubazioni (vantaggiose sia per il trasporto che per l'installazione) o maggiori volumi di stoccaggio. In entrambi i casi, infatti, le dispersioni termiche sono radiali, e quindi lo spessore è di grande importanza: se lo spessore dell'isolante è troppo elevato, aumenta la superficie disperdente, con rischio di vanificare il contributo del materiale isolante utilizzato.

Inoltre, l'aerogel granulare può essere utilizzato per migliorare le proprietà termiche degli intonaci (intonaci a base di aerogel), ottenendo intonaci con conducibilità termiche intorno a 0,03 W/mK.

L’aerogel, sia monolitico che granulare, grazie alla sua semitrasparenza e alla colorazione opalescente, può anche essere utilizzato per l’involucro trasparente, con alcune criticità che saranno elencate in seguito.

Resine fenoliche

L'isolamento fenolico è realizzato tramite un mix di resina fenolica, ritardante di fiamma, agente antifumo, agente indurente, agente schiumogeno e altri additivi, dal quale si ottiene una schiuma rigida a celle chiuse, con struttura cellulare che rispetto ad altri materiali è estremamente fine (porosità in genere > 95 %). Come precedentemente detto, infatti, i materiali con una struttura a celle chiuse inibiscono la convezione termica all’interno dei pori/celle, e più la struttura cellulare è molto fine e le particelle molto piccole, maggiore sarà la riduzione della convezione termica e della propagazione di calore alle particelle in prossimità.

I pannelli in schiuma di resina fenolica espansa sono quindi materiali estremamente leggeri (peso specifico in media pari a 35 kg/m³), con basse conducibilità termiche (0,019 – 0,021 W/mK), un’ottima resistenza meccanica alla compressione (in genere superiore a 150 kPa), ed elevata stabilità dimensionale nel tempo.  

I pannelli possono essere rivestiti da una finitura superficiale di diversi materiali, in modo tale da ottimizzarne le prestazioni a seconda del tipo di applicazione (ad esempio, velo vetro saturato su entrambe le facce, alluminio multistrato e velo vetro saturato, velo vetro addizionato con fibre minerali speciali, carta mineralizzata per incrementarne la resistenza al fuoco, carta politenata su entrambe le facce).

Figura 5 – Pannello isolante in schiuma fenolica espansa.

La schiuma di resina fenolica espansa, tra i materiali sintetici, garantisce inoltre un’eccezionale resistenza al fuoco: non alimenta le fiamme, è autoestinguente e non emette fumi tossici.

L'ARTICOLO CONTINUA...

L'articolo continua con la trattazione dei materiali VIP ma anche dei vetri sottovuoto, con la descrizione di tutti i vantaggi nell'usare questi materiali.