L’EPS migliora la conducibilità termica

Lo studio del trasporto termico nei materiali isolanti porosi mette in evidenza come questo sia strettamente legato oltre che alla conduzione nella matrice solida e nel gas interstiziale anche all’irraggiamento. Con l’intento di migliorare le prestazioni isolanti del polistirene espanso è stato inizialmente condotto uno studio teorico sull’influenza della concentrazione e granulometria delle polveri di grafite sulle proprietà termiche del polistirene. Sulla base di questa analisi sono stati effettuati i primi esperimenti su campioni di EPS (polistirene espanso sinterizzato) ottenuti aggiungendo polveri di grafite alla materia prima durante la fase di produzione della schiuma.
Vengono qui riportati i risultati delle misure eseguite con il metodo della lastra piana i quali evidenziano come la conducibilità termica totale (apparente) del materiale cosi ottenuto decresca al crescere della percentuale in peso di polveri utilizzate.

Nel seguito sono inoltre forniti i valori stimati del coefficienti di scattering e di assorbimento ottenuti attraverso prove di trasmissività e riflettività emisferiche e avvalendosi di una tecnica di analisi inversa.
Le schiume polistireniche espanse vengono prodotte per espansione e successiva sinterizzazione delle perline di polistirene permeate da un agente espandente. Tra i diversi campi di applicazione delle schiume EPS, grande importanza riveste il loro impiego come isolante termico nel settore dell’edilizia. I pannelli in EPS, utilizzati nel campo dell’isolamento, hanno di solito densità che si aggirano intorno ai 20 Kg/m3 a cui corrispondono in genere bassi valori della conducibilità termica. Il duplice obiettivo di risparmiare da un lato materia prima e di ridurre dall’altro gli spazi occupati dai pannelli a parità di prestazioni isolanti ha indotto alcuni produttori di EPS a ricercare soluzioni innovative volte a conferire migliori proprietà termiche al materiale.
A tal riguardo, diverse sono le possibilità alternative praticabili, ma nessuna può prescindere dalle caratteristiche chimiche e morfologiche del materiale nonché dai fenomeni fisici coinvolti in questo tipo di applicazioni, Le schiume EPS presentano una caratteristica struttura celle di forma dodecaedrica a facce pentagonali delimitate da pareti aventi spessori dell’ordine di pochi micron.

All’interno delle celle è contenuto il gas interstiziale, tipicamente aria. L’elevato grado di porosità del materiale (97-99%) associato alle proprietà chimico-ottiche dei suoi componenti fa si che il trasporto termico nel mezzo avvenga sia per conduzione (attraverso la matrice solida e il gas) che per irraggiamento. La convezione invece risulta del tutto trascurabile date le ridotte dimensioni dei pori.
In generale si dimostra che entrambi i meccanismi di trasporto nelle schiume plastiche cellulari sono fortemente influenzati dalla struttura morfologica del materiale. In particolare nel caso delle schiume EPS la completa assenza di struts all’intersezione delle pareti la conduzione e l’irraggiamento dipendenti rispettivamente solo dalla porosità e dallo spessore delle pareti, parametro quest’ultimo strettamente correlato al diametro delle celle.
Se si tiene conto altresì che, in schiuma tipo, circa il 25% del calore viene trasferito per irraggiamento, il 70% per conduzione attraverso il gas e il 5% per conduzione nella matrice solida, si capisce allora l’importanza di interventi le prime due componenti del trasporto al fine di migliorare le prestazioni isolanti del materiale.

Una possibile soluzione del problema potrebbe consistere nell’eliminare completamente le componenti del trasporto termico per conduzione attraverso il gas praticando il vuoto spinto all’interno dei pannelli e conservandolo mediante l’applicazione di opportuni rivestimenti.
Oltre all’indubbio vantaggio che questa operazione comporta nella riduzione della conducibilità termica complessiva, bisogna tuttavia far notare le difficoltà di realizzazione del progetto imputabili sia a un eventuale danneggiamento iniziali delle celle chiuse, che modificherebbe la
morfologia originale della schiuma, sia a un positivo deterioramento delle condizioni di vuoto nel tempo.

Un’alternativa al vuoto, anche se meno efficiente, è quella di sostituire all’aria un gas più pesante, avente quindi una conducibilità termica più bassa.
Una tale soluzione per quanto praticabile in sede produttiva presenta però inconvenienti nella successiva messa in opera del materiale, che può manifestare un cattivo comportamento all’invecchiamento.
Difatti in genere i pannelli si trovano ad operare in un ambiente saturo d’aria a pressione atmosferica, si possono innescare fenomeni diffusivi del gas, contenuto nelle celle, verso l’esterno e dell’aria verso l’interno, con un progressivo peggioramento delle capacità isolanti del materiale.
L’utilizzo di opportune barriere superficiali può ritardare l’effetto dell’invecchiamento senza però eliminarlo del tutto.
Come si vede quindi la strada di una riduzione della componente del trasporto per conduzione nel gas, oltre a prospettare esiti incerti, presenta difficoltà tecnologiche non indifferenti, che inevitabilmente si rifletterebbero sui costi finali del prodotto.
Occorre a questo punto notare come viceversa, un intervento mirato sulla componente radiativa risulti, se non proprio di facile intuizione, sicuramente più semplice da realizzare.

Storicamente è proprio in questa direzione che sono stati mossi i primi passi, più o meno consapevolmente, allorché si constatò che variando la densità della schiuma si potevano raggiungere bassi valori della conducibilità termica totale.
Un incremento della quantità di materia a parità di volume, migliora infatti la capacità da parte del materiale di schermare le radiazioni. Quest’operazione tuttavia se da un lato riduce la componente radiativa del trasporto dall’altra accresce la parte di conduzione nella matrice solida, giustificando così il caratteristico andamento della conducibilità termica totale al variare della densità per questo tipo di schiume.
Solo però in tempi relativamente recenti si è compresa l’influenza della struttura morfologica nella schiuma sulla componente radiativa del trasporto.

Scarica lo studio completo sulla conducibilità dell’EPS

ing. Marco Piana – AIPE