L’innovazione cambia il mondo
Nel campo dell’isolamento termico, l’aerogel è da tempo considerato uno dei materiali solidi con la conducibilità termica più bassa. Spesso descritto come «fumo solido», si è affermato come un punto di riferimento per l’isolamento termico ad alte prestazioni.
L’aerogel presenta però un importante punto debole: la fragilità.
La sua porosità estremamente elevata contribuisce a una conducibilità termica eccezionalmente bassa, ma comporta anche una resistenza meccanica limitata. Gli aerogel convenzionali possono fratturarsi quando vengono sottoposti a flessione o pressione e pongono notevoli difficoltà nelle operazioni di taglio, cucitura e in altre lavorazioni.
Per quasi un secolo, ricercatori e professionisti del settore hanno quindi cercato un materiale isolante capace di offrire prestazioni termiche paragonabili a quelle dell’aerogel, mantenendo al tempo stesso la flessibilità e la lavorabilità di un tessuto.
Lo sviluppo di Y-Warm ha trasformato questa possibilità in realtà.
I. Che cos’è Y-Warm?
Y-Warm è un materiale isolante termico flessibile con una struttura a celle chiuse su scala nanometrica, sviluppato da Y-Warm Technologies Co., Ltd.
Il suo sviluppo ha avuto inizio con l’avvio del progetto nel 2013. Nel 2017, il gruppo di ricerca ha sviluppato quello che l’azienda descrive come il primo materiale isolante termico flessibile al mondo con una struttura a celle chiuse su scala nanometrica. La validazione tecnica è stata completata nel 2019; nel 2021 sono seguiti l’avvio della produzione su scala commerciale e l’introduzione sul mercato.
Dal punto di vista della scienza dei materiali, l’innovazione fondamentale di Y-Warm risiede nella sua struttura.
Attraverso una tecnologia polimerica flessibile a celle chiuse su scala nanometrica, il gruppo di ricerca ha superato la fragilità comunemente associata ai materiali convenzionali a base di gel. Pur mantenendo una conducibilità termica estremamente bassa, a un livello paragonabile a quello dell’aerogel, Y-Warm combina flessibilità e praticità di lavorazione: può essere cucito e lavato in lavatrice.
Il gruppo di ricerca e sviluppo riassume questi risultati tecnici in tre «primati mondiali».
Il primo è il superamento della fragilità, uno dei limiti meccanici che da tempo caratterizzano i materiali nanoporosi.
Il secondo è la combinazione di una struttura isolante a celle chiuse con permeabilità al vapore acqueo e asciugatura rapida.
Il terzo è la possibilità di applicare la tecnologia di isolamento a bassa conducibilità termica a prodotti per la protezione dal freddo, come abbigliamento e calzature invernali.
II. Come funziona l’isolamento termico di Y-Warm?
Le prestazioni isolanti dei materiali porosi derivano fondamentalmente dalla capacità di limitare il trasferimento di calore attraverso il gas intrappolato nei pori. Questo è uno dei principi chiave che consentono agli aerogel di raggiungere una conducibilità termica eccezionalmente bassa.
Y-Warm si basa su un principio analogo, ma la sua struttura interna è diversa da quella dell’aerogel.
Le osservazioni mediante nano-tomografia computerizzata (Nano-CT) e microscopia elettronica a scansione (SEM) rivelano una struttura interna simile a un favo. Le pareti delle celle, spesse circa 20–280 nm, circondano celle chiuse indipendenti di dimensioni micrometriche, con diametri di circa 30–190 μm.
Nei materiali isolanti porosi, limitare il movimento del gas all’interno dei pori svolge un ruolo importante nella riduzione del trasferimento di calore. La struttura a celle chiuse indipendenti di Y-Warm limita il movimento interno del gas e la convezione, riducendo così il trasferimento di calore attraverso il materiale.
Allo stesso tempo, le sottili pareti delle celle contribuiscono a ridurre la densità del materiale e a limitare la conduzione termica attraverso la matrice solida, favorendo un’elevata efficienza isolante.
Inoltre, la superficie con una texture su scala micrometrica aumenta significativamente l’area superficiale specifica. Ciò contribuisce a un’elevata emissività e conferisce al materiale ulteriori caratteristiche di radiazione termica nella regione dell’infrarosso lontano.
III. Dati prestazionali
Spessore e prestazioni termiche
Prendendo come esempio YW-01, il materiale ha uno spessore di soli 0,7 mm. Quando viene incorporato in un prodotto finito, può aumentare la temperatura percepita di circa 10 °C in determinate condizioni di prova.
Intervallo di temperatura di utilizzo
Il materiale può essere utilizzato a temperature comprese indicativamente tra −50 °C e 150 °C, mentre per alcune specifiche il limite superiore di utilizzo è di 120 °C.
Gestione dell’umidità e asciugatura rapida
La capacità di assorbimento dell’acqua è circa il doppio di quella del tessuto standard di riferimento; anche la velocità di evaporazione è circa il doppio di quella del campione di riferimento. Anche in condizioni di completa saturazione, il materiale può asciugarsi naturalmente a temperatura ambiente in circa un’ora.
Prestazioni antibatteriche e sicurezza
Y-Warm incorpora un agente antibatterico concepito con attenzione agli aspetti ambientali e per mantenere la propria efficacia dopo ripetuti lavaggi. Il materiale ha inoltre superato prove relative alle sostanze estremamente preoccupanti (SVHC) nell’ambito del quadro normativo REACH dell’Unione europea.
Leggerezza
Y-Warm ha una massa per unità di superficie di circa 38–70 g/m². Anche un rotolo largo 150 cm può essere maneggiato facilmente da una sola persona. A seconda dell’applicazione e del sistema di materiali sostituito, è possibile ottenere una riduzione di peso fino a circa il 75%.
Poiché Y-Warm è un materiale ultrasottile con una superficie microstrutturata, può essere difficile determinare con precisione il valore assoluto della sua conducibilità termica mediante i metodi di misura standard sviluppati per i materiali convenzionali. I valori misurati possono quindi variare in funzione del metodo e delle condizioni di prova.
Per questo motivo, la bassa conducibilità termica e le elevate prestazioni isolanti di Y-Warm vengono attualmente valutate combinando diversi metodi di prova e valori di riferimento, anziché affidandosi a una sola misurazione.
IV. Y-Warm e aerogel: alternativa o complemento?
Definire Y-Warm un’«alternativa all’aerogel» richiede di considerare l’applicazione specifica. Non significa che Y-Warm sia superiore all’aerogel sotto ogni aspetto.
I due materiali differiscono significativamente per composizione, struttura interna, proprietà meccaniche e applicazioni di destinazione.
Gli aerogel di silice convenzionali sono costituiti principalmente da biossido di silicio inorganico e presentano una struttura nanoporosa tridimensionale. Offrono prestazioni isolanti eccezionali, ma nella forma monolitica sono generalmente fragili. Le tecnologie di isolamento basate sull’aerogel trovano ampio impiego in applicazioni impegnative, nelle quali le prestazioni termiche sono essenziali, tra cui il settore aerospaziale, gli oleodotti e i gasdotti e la gestione termica delle batterie.
Y-Warm, invece, è basato su polimeri organici e presenta pareti di spessore nanometrico che circondano celle chiuse indipendenti di dimensioni micrometriche. Oltre a flessibilità e resilienza, offre permeabilità al vapore acqueo e asciugatura rapida. Queste caratteristiche lo rendono adatto a oltre 20 ambiti di applicazione a bassa e media temperatura, tra cui abbigliamento, tende da campeggio, calzature, articoli da letto, interni automobilistici ed edilizia.
Più precisamente, Y-Warm può rappresentare una valida alternativa all’aerogel nelle applicazioni a bassa e media temperatura in cui flessibilità, permeabilità al vapore acqueo e lavorabilità sono requisiti essenziali.
Per l’isolamento termico ad alta temperatura, invece, l’aerogel continua a svolgere un ruolo importante e, in molte applicazioni, difficile da sostituire.
Y-Warm introduce non soltanto un altro materiale isolante, ma un diverso approccio all’isolamento termico: ottenere un’elevata efficienza isolante con uno spessore minimo.
I materiali isolanti convenzionali per la protezione dal freddo si affidano in genere allo spessore e a una struttura voluminosa e soffice per intrappolare l’aria e ridurre la dispersione di calore. Y-Warm sfrutta invece la propria fine struttura a celle chiuse per limitare il trasferimento di calore, senza dipendere principalmente dal volume.
Questo approccio porta la protezione dal freddo oltre il principio tradizionale «più spessore, più calore», offrendo una nuova soluzione isolante più leggera, più sottile e potenzialmente più efficiente nell’uso delle risorse in un’ampia gamma di applicazioni, dall’abbigliamento all’edilizia fino alla mobilità.
Domande frequenti
Y-Warm può sostituire l’aerogel in tutte le applicazioni?
No. Può rappresentare una valida alternativa nelle applicazioni a bassa e media temperatura in cui flessibilità, permeabilità al vapore acqueo e lavorabilità sono essenziali. Nell’isolamento ad alta temperatura, l’aerogel rimane importante e, in molte applicazioni, difficile da sostituire.
In che modo la struttura a celle chiuse contribuisce all’isolamento?
Pareti spesse circa 20–280 nm circondano celle chiuse indipendenti con diametri di circa 30–190 μm. La struttura limita il movimento del gas e la convezione all’interno delle celle; le pareti sottili contribuiscono inoltre a limitare la conduzione termica attraverso la matrice solida.
Che cosa significa un aumento della temperatura percepita di circa 10 °C con uno spessore di 0,7 mm?
Il dato si riferisce a YW-01 incorporato in un prodotto finito: in determinate condizioni di prova, il materiale può aumentare la temperatura percepita di circa 10 °C. Il risultato è quindi legato a quelle condizioni e all’applicazione nel prodotto finito.
Quali sono le prestazioni di Y-Warm nella gestione dell’umidità e nell’asciugatura?
La capacità di assorbimento dell’acqua è circa il doppio di quella del tessuto standard di riferimento e la velocità di evaporazione è circa il doppio di quella del campione di riferimento. Anche quando è completamente saturo, il materiale può asciugarsi naturalmente a temperatura ambiente in circa un’ora. Y-Warm combina inoltre permeabilità al vapore acqueo e asciugatura rapida.
Perché la conducibilità termica di Y-Warm viene valutata con più metodi?
Lo spessore molto ridotto e la superficie microstrutturata possono rendere difficile determinare con precisione il valore assoluto della conducibilità termica con i metodi standard sviluppati per i materiali convenzionali. Poiché i risultati possono variare in base al metodo e alle condizioni di prova, la valutazione combina più metodi di prova e valori di riferimento.
