Indice dei contenuti
Con l’aumento delle richieste di efficienza energetica e sostenibilità, la caratterizzazione precisa delle proprietà termiche dei materiali isolanti è sempre più importante. La conduttività termica (λ) è il parametro chiave per valutare le prestazioni dell’isolamento, sia quando è nuovo che durante l’intero ciclo di vita di un materiale edilizio. Ma come si possono misurare e valutare in modo affidabile questi valori, soprattutto per i materiali moderni come le schiume poliuretaniche, gli aerogel o i materiali isolanti a base di fibre? Il Metodo Laser Flash (LFA) si è affermato come una soluzione altamente precisa e dinamica in questo campo.
Principio e vantaggi del metodo dell'analizzatore laser flash
Focus sui materiali: poliuretano, aerogel, fibre
Poliuretano
Le schiume di poliuretano (PU) dimostrano eccellenti prestazioni isolanti con valori tipici di λ inferiori a 0,026 W/(m-K). Il loro vantaggio risiede nella struttura fine dei pori, che sopprime la conduzione in fase gassosa. Tuttavia, gli studi scientifici di Wagner (Università di Stoccarda) dimostrano che la conduttività termica aumenta lentamente nel corso della vita utile, poiché il gas propellente nelle celle viene gradualmente sostituito dall’aria. Le misurazioni di laboratorio forniscono una dipendenza affidabile dalla temperatura, soprattutto in caso di assorbimento di umidità o invecchiamento, il che è essenziale per una valutazione a lungo termine (Wagner, 2010).
Aerogel
Gli aerogel, in particolare quelli di silice e di carbonio, stanno definendo nuovi standard di isolamento con valori inferiori a 0,015 W/(m-K), ma rappresentano anche una sfida in termini di tecnologia di misurazione. La porosità, le strutture anisotrope e l’elevata dispersione delle dimensioni delle particelle richiedono metodi con un’elevata risoluzione spaziale e temporale.
Nel caso dei materiali a base di aerogel, è stato dimostrato che la combinazione di test con campioni essiccati e campioni esposti all’umidità consente di ottenere una dichiarazione affidabile sull’influenza dell’invecchiamento e dell’apporto di umidità sulla conduttività termica. Gli studi di Lakatos et al. (2025) dimostrano che la conduttività termica dell’aerogel può inizialmente aumentare dopo un’esposizione di breve durata alla temperatura, ma rimane notevolmente stabile nelle condizioni reali di un edificio (Lakatos et al., 2025).
Fibre
I materiali isolanti a base di fibre (ad esempio vetro, lana di roccia o fibre naturali) beneficiano della flessibilità tipica delle LFA. La possibilità di misurare le conducibilità termiche sia in piano che fuori piano significa che è possibile quantificare anche l’anisotropia (flusso di calore preferenziale lungo l’orientamento delle fibre), un aspetto fondamentale per una valutazione realistica dei componenti.
Confronto tra i metodi LFA: quando è ottimale il metodo di misurazione?
La scelta di un metodo di misurazione adatto alle proprietà termiche dipende molto dal materiale, dall’accuratezza desiderata e dalle condizioni al contorno. Mentre i metodi stazionari come la piastra calda protetta (GHP) o il misuratore di flusso di calore (HFM) secondo la norma DIN EN 12664 e DIN EN 12667 hanno un ruolo consolidato nei test standardizzati, il metodo LFA mostra chiari vantaggi in aree di applicazione specifiche.
I metodi stazionari (GHP/HFM) sono particolarmente indicati per
- Campioni grandi e omogenei a temperatura ambiente
- Determinazione diretta della conducibilità termica senza parametri aggiuntivi del materiale
- Test di qualità standardizzati per le certificazioni
- Materiali con conducibilità termica molto bassa (<0,1 W/(m-K))
L ‘analisi laser flash, invece, offre vantaggi decisivi:
- Misurazioni dipendenti dalla temperatura: LFA copre intervalli da -100°C a oltre 1000°C, mentre GHP/HFM si limitano a 10-70°C.
- Campioni di piccole dimensioni: LFA richiede solo pochi cm² di materiale, ideale per materiali costosi in via di sviluppo come gli aerogel.
- Cicli di misurazione rapidi: una misurazione LFA richiede pochi minuti invece di ore con i metodi stazionari.
- Materiali disomogenei o anisotropi: la possibilità di misurare piccoli campioni permette di registrare le differenze locali e di testare le differenze direzionali.
- Studi sull’invecchiamento: l’elevata riproducibilità consente di seguire con precisione i cambiamenti del materiale
La superiorità dell’LFA è particolarmente evidente nella caratterizzazione dei moderni materiali isolanti: mentre la misurazione del GHP su un pannello di aerogel richiede diverse ore e grandi aree campione, l’LFA fornisce dati estremamente precisi in pochi minuti, anche da piccoli campioni di materiale.
Applicazioni nel settore dell'isolamento
Il metodo LFA viene utilizzato in molti modi diversi nel settore dell’isolamento:
Controllo della qualità nella produzione: nella produzione industriale di materiali isolanti, il metodo LFA consente una frequenza di test significativamente più elevata rispetto ai metodi convenzionali, grazie a tempi di misurazione brevi. Il rapido feedback sulle proprietà termiche consente di riconoscere e contrastare tempestivamente le fluttuazioni del processo, ad esempio in caso di variazioni nel contenuto di agenti espandenti delle schiume.
Sviluppo di materiali per condizioni estreme: Quando si sviluppano materiali isolanti ad alta temperatura per applicazioni industriali, il vantaggio dell’ampio intervallo di temperatura dell’LFA diventa evidente. Le rampe di temperatura continue possono rivelare transizioni di fase critiche e cambiamenti strutturali che non sarebbero visibili con le misurazioni puntuali. Queste informazioni sono essenziali per ottimizzare le formulazioni dei materiali.
Affidabilità dei valori di conducibilità termica nel corso del ciclo di vita
La valutazione realistica delle prestazioni dell’isolamento nel corso dei decenni rimane una sfida fondamentale. In particolare, l’umidità e l’invecchiamento possono avere un impatto significativo sulla λ in alcuni casi. Il metodo LFA è abbastanza sensibile da rilevare anche piccoli effetti causati dalla diffusione di gas, dall’infragilimento o dall’invecchiamento a lungo termine e crea quindi la base per previsioni affidabili sull’invecchiamento:
Carico di umidità
L’acqua aumenta significativamente la conduttività termica, poiché la struttura dei pori è ora riempita da un mezzo più conduttivo. Le misurazioni LFA su campioni di materiale in condizioni climatiche definite consentono di quantificare questi effetti e quindi di fare una previsione basata su modelli dell’effetto isolante a lungo termine.
Cambiamenti strutturali
Nel caso degli aerogel, il restringimento dopo l’essiccazione, l’allargamento dei pori o le diverse proporzioni di pori di dimensioni diverse possono alterare le proprietà di conduzione del calore. La combinazione di misurazioni con risoluzione spaziale e analisi strutturale parallela (ad esempio SAXS, SEM) distingue l’LFA dai metodi convenzionali.
Effetti dell’invecchiamento
Il poliuretano può perdere la sua densità di diffusione nel tempo, il che si manifesta con un aumento dei valori di conducibilità termica. Le analisi LFA dei lotti e delle serie di carico forniscono dati affidabili per garantire la qualità.
Precisione di misurazione e fattori di influenza
L’accuratezza della misurazione del flash laser è determinata da diversi fattori:
- Spessore e geometria del provino: la determinazione esatta dello spessore del provino è fondamentale, poiché gli errori in questo caso hanno un effetto quadratico sul risultato.
- Trattamento della superficie: le diverse proprietà di assorbimento influenzano l’aumento della temperatura e quindi l’accuratezza della misurazione.
- Stabilità della temperatura: le fluttuazioni della temperatura ambiente del campione possono causare incertezze nella misurazione.
- Cambiamenti del materiale: Gli effetti dell’invecchiamento influenzano sia i valori reali del materiale che la riproducibilità delle misurazioni.
Controllando e documentando questi fattori, il metodo del flash laser può garantire la massima precisione e affidabilità anche per le analisi del ciclo di vita dei materiali isolanti.
Conclusione: LFA come chiave per la valutazione del ciclo di vita dei moderni materiali isolanti
Il metodo Laser Flash Analyser fornisce dati sperimentali rapidi, ad alta risoluzione e precisi sulla conducibilità termica di un’ampia gamma di materiali isolanti, rendendolo lo strumento ideale non solo per lo sviluppo dei materiali, ma anche per la previsione della durata di vita nel settore edile. industria edile. In combinazione con i metodi di analisi strutturale e i test di invecchiamento ciclico, la tecnologia di misurazione supportata da LFA apre nuove possibilità per la garanzia di qualità e l’ottimizzazione dei prodotti edilizi ad alta efficienza energetica nella pratica di laboratorio e di ricerca.
Le prove scientifiche dimostrano che la stabilità a lungo termine delle diverse classi di materiali varia: Mentre il poliuretano mostra un leggero ma prevedibile aumento della conduttività termica nel corso dei decenni, gli aerogel di alta qualità mostrano un’estrema stabilità a lungo termine in condizioni d’uso normali. Il metodo LFA permette di quantificare con precisione questi processi di invecchiamento, creando così una base affidabile per la pianificazione di un’edilizia sostenibile.
Riferimenti
- ASTM E1461: Metodo di prova standard per la diffusività termica con il metodo flash. ASTM International.
- Wagner, K. (2010): Simulazione e ottimizzazione della capacità di isolamento termico delle schiume rigide PUR a celle chiuse. Dissertazione, Università di Stoccarda. Online: https://elib.uni-stuttgart.de
- Heinemann, U. et al. (2020): Prestazioni a lungo termine dei materiali superisolanti nelle applicazioni edilizie. IEA-EBC Annex 65, Subtask I State-of-the-Art Report.
- Lakatos, Á. et al. (2025): Identificare l’alterazione delle proprietà termiche dei materiali aerogel. ScienceDirect. Online: https://www.sciencedirect.com
