L’innovazione cambia il mondo
Ogni inverno, nel mondo della moda si svolge una «competizione silenziosa». Da una parte ci sono piumini voluminosi che mettono al primo posto la protezione dal freddo; dall’altra, capi leggeri che cercano di conciliare stile, comfort e isolamento termico. Gli ingegneri dei materiali si pongono intanto una domanda più fondamentale:
Perché la capacità di tenere al caldo deve dipendere dallo spessore?
Negli ultimi anni, un nuovo materiale isolante chiamato Y-Warm ha proposto un approccio diverso. Con uno spessore di soli 0,7 mm, può aumentare il calore percepito di circa 10 °C, in condizioni di prova specifiche, e presenta una conducibilità termica paragonabile a quella dell’aerogel.
Per capire come un materiale così sottile possa offrire un isolamento efficace, occorre prima esaminare come il corpo umano disperde calore.
Il calore passa dal corpo all’ambiente circostante attraverso tre meccanismi principali: conduzione, convezione e irraggiamento. L’isolamento termico nell’abbigliamento ha quindi lo scopo di ridurre il più possibile la velocità di dispersione del calore attraverso queste tre vie.
Per secoli, uno dei metodi più efficaci per ottenere questo risultato è stato semplice: trattenere aria ferma.
1. Conduzione. Il calore si trasferisce per contatto diretto. Quando si tocca una ringhiera metallica fredda, per esempio, il calore passa dalla mano, più calda, al materiale, più freddo. La velocità del trasferimento dipende in larga misura dalla conducibilità termica: più è bassa, più lentamente si trasferisce il calore.
2. Convezione. L’aria in movimento allontana calore dalla superficie del corpo. Ecco perché il vento freddo fa percepire una temperatura sensibilmente più bassa: altera e rimuove continuamente il sottile strato di aria calda che circonda la pelle.
3. Irraggiamento. Il corpo umano emette continuamente radiazione termica, soprattutto nell’infrarosso. Anche in aria ferma, quando le perdite per convezione sono minime o assenti, il trasferimento di calore per irraggiamento continua.
In condizioni tipiche, l’aria ha una conducibilità termica di circa 0,025 W/(m·K). L’aria ferma costituisce quindi un efficace isolante termico. È il principio sfruttato da molti materiali tradizionali, tra cui piumino, cotone, lana e imbottiture in fibre sintetiche: le loro strutture creano innumerevoli piccoli spazi che trattengono l’aria e limitano il trasferimento di calore.
Questo principio comporta però una difficoltà che accompagna da tempo la progettazione degli isolanti:
Per trattenere più aria, i materiali convenzionali richiedono generalmente un maggiore volume di vuoti interni. Creare più spazio vuoto significa di solito aumentare lo spessore e la voluminosità dell’imbottitura.
I Perché maggiore spessore è diventato sinonimo di maggiore isolamento
L’industria dell’abbigliamento utilizza comunemente il clo come unità di isolamento termico. 1 clo corrisponde a circa 0,155 m²·K/W ed è tradizionalmente associato all’isolamento necessario per mantenere il comfort termico di una persona a riposo in condizioni ambientali interne standardizzate.
Negli isolanti fibrosi convenzionali, la resistenza termica aumenta generalmente con lo spessore, a condizione che il materiale mantenga la propria voluminosità e la struttura che trattiene l’aria.
Questa relazione spiega perché gli indumenti invernali progettati per il freddo estremo siano spesso ingombranti. Un piumino ad alte prestazioni, per esempio, impiega un consistente volume di piumino ben espanso per creare uno spesso strato di aria intrappolata attorno al corpo.
Quando serve un isolamento maggiore, la soluzione convenzionale è solitamente aumentare la quantità di materiale e lo spessore dello strato isolante. Per generazioni, proteggersi dal freddo estremo ha quindi spesso significato accettare ingombro e peso aggiuntivi.
Ma l’isolamento deve sempre funzionare in questo modo?
II Le prestazioni dell’aerogel e i limiti nelle applicazioni flessibili
Sviluppato per la prima volta nel 1931, l’aerogel appartiene a una delle classi più note di materiali isolanti termici nanoporosi.
Gli aerogel di silice possono raggiungere una porosità molto elevata e una conducibilità termica estremamente bassa. In funzione di composizione, struttura, densità e condizioni di prova, alcuni aerogel possono presentare valori di conducibilità termica compresi tra circa 0,012 e 0,018 W/(m·K).
Queste prestazioni hanno portato a impieghi nell’aerospazio, nell’isolamento industriale e nelle attrezzature di protezione specialistiche.
Anziché affidarsi soltanto a uno spesso strato fibroso per trattenere l’aria, l’aerogel crea una rete porosa estremamente fine, che limita il trasferimento di calore su una scala strutturale molto più piccola.
L’aerogel di silice convenzionale presenta tuttavia un limite importante: la fragilità. La sua rete inorganica rigida può fratturarsi quando è sottoposta a flessione, compressione o sollecitazioni meccaniche ripetute. L’aerogel puro può fessurarsi o rilasciare particelle, rendendo difficile l’impiego diretto in prodotti flessibili e soggetti a deformazioni ripetute, come gli indumenti di uso quotidiano.
Si pone così un’altra sfida per la scienza dei materiali: è possibile conservare i vantaggi termici delle strutture nanoporose superandone i limiti meccanici intrinseci?
III La struttura porosa flessibile a celle chiuse di Y-Warm
Y-Warm adotta un approccio strutturale diverso. Utilizza polimeri funzionali per creare una struttura isolante flessibile a celle chiuse, progettata mediante nanoingegneria.
Al posto di uno scheletro inorganico rigido, il materiale combina pareti dei pori estremamente sottili e celle non interconnesse all’interno di uno scheletro polimerico flessibile. Può così mantenere una forma ultrasottile ed essere sufficientemente morbido per l’integrazione nei prodotti tessili.
Tre caratteristiche strutturali sono particolarmente importanti per le sue prestazioni termiche.
1 Struttura a celle chiuse
I materiali porosi si possono generalmente suddividere in materiali a celle aperte e a celle chiuse. Nei primi, i pori adiacenti sono interconnessi e consentono a gas o liquidi di muoversi attraverso la struttura interna. Nei secondi, i singoli pori sono in gran parte isolati gli uni dagli altri.
Y-Warm impiega una struttura a celle chiuse che confina l’aria in numerose camere microscopiche indipendenti. Limitando i movimenti interni dell’aria, questa struttura contribuisce a ridurre il trasferimento di calore per convezione all’interno del materiale.
Invece di affidarsi a una rete fibrosa spessa e voluminosa per trattenere grandi quantità d’aria, Y-Warm utilizza una struttura cellulare molto più fine per immobilizzare l’aria in uno strato estremamente sottile.
2 Pareti dei pori ultrasottili
Secondo i dati strutturali ottenuti mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) e nano-CT, Y-Warm presenta pareti dei pori spesse circa 20–280 nm e pori con diametri di circa 30–190 μm.
Questa architettura altamente porosa riduce la quantità di materiale solido disponibile per condurre il calore.
Il trasferimento di calore attraverso la fase solida dipende in parte dalla continuità e dalla geometria dello scheletro solido. Ridurre le dimensioni delle pareti dei pori può quindi contribuire a limitare la conduzione termica nella fase solida, preservando al contempo l’integrità strutturale del materiale.
Il risultato è un materiale che associa uno spessore complessivo estremamente ridotto a un’elevata porosità interna.
3 Scheletro polimerico flessibile
È una delle differenze più importanti tra Y-Warm e l’aerogel di silice convenzionale. Quest’ultimo si basa su una rete inorganica rigida, mentre Y-Warm utilizza uno scheletro polimerico flessibile progettato per resistere a flessioni e deformazioni. Questa differenza strutturale affronta il problema della fragilità a livello del materiale.
Y-Warm può essere tagliato, cucito e trapuntato per essere integrato nell’abbigliamento e in altri prodotti tessili. Può inoltre resistere al lavaggio in lavatrice a temperatura ambiente, nel rispetto delle condizioni di cura appropriate.
Oltre alle proprietà isolanti, Y-Warm incorpora gruppi funzionali idrofili che contribuiscono all’assorbimento dell’umidità e alla gestione del vapore acqueo. Le sue caratteristiche strutturali e superficiali favoriscono anche la rapida evaporazione dell’umidità e un’elevata emissività nell’infrarosso, conferendo al materiale ulteriori proprietà di gestione dell’umidità e nell’infrarosso lontano.
Queste caratteristiche, nel loro insieme, permettono di affrontare una sfida che accompagna da tempo l’abbigliamento termico: integrare elevata efficienza termica, spessore ridotto, flessibilità e gestione dell’umidità in un unico materiale.
IV Il ruolo della microstruttura negli isolanti ultrasottili
Dall’impiego delle fibre naturali migliaia di anni fa alla possibilità attuale di progettare strutture porose su scala microscopica e nanoscopica, il principio fondamentale dell’isolamento termico è rimasto lo stesso: ridurre la velocità di trasferimento del calore. È cambiata la scala alla quale gli ingegneri possono controllare questo processo.
Gli isolanti tradizionali si affidano principalmente allo spessore e alla voluminosità per trattenere aria ferma. L’aerogel ha dimostrato che strutture nanoporose progettate con precisione possono offrire prestazioni termiche eccezionali con spessori molto inferiori. La fragilità ne ha però limitato l’impiego nelle applicazioni che richiedono flessibilità e deformazioni ripetute.
Y-Warm rappresenta un altro approccio: utilizzare una struttura porosa flessibile a celle chiuse per controllare il trasferimento di calore all’interno di un materiale ultrasottile.
Il significato della struttura da 0,7 mm va quindi oltre la semplice riduzione dello spessore. Indica un’evoluzione più ampia nella progettazione dei materiali termici: da un approccio basato prevalentemente sull’ingombro e sulla voluminosità a uno che progetta la struttura e l’efficienza termica su scale sempre più piccole.
Per l’industria dell’abbigliamento, questo potrebbe aprire nuove possibilità per capi invernali capaci di conciliare protezione dal freddo e leggerezza, prestazioni termiche e flessibilità, isolamento e comfort.
Domande frequenti
1. Quanto può aumentare il calore percepito con Y-Warm da 0,7 mm?
In condizioni di prova specifiche, Y-Warm con uno spessore di 0,7 mm può aumentare il calore percepito di circa 10 °C. Il risultato è riferito a tali condizioni di prova.
2. Come può Y-Warm limitare il trasferimento di calore con uno spessore così ridotto?
La struttura a celle chiuse confina l’aria in camere microscopiche indipendenti e contribuisce a ridurre la convezione interna. Le pareti dei pori ultrasottili e l’elevata porosità riducono la quantità di solido disponibile per la conduzione del calore. Lo scheletro polimerico flessibile consente di integrare questa struttura sottile nei prodotti tessili.
3. I pori e le loro pareti hanno entrambi dimensioni nanometriche?
No. I dati di microscopia elettronica a scansione (SEM) e nano-CT indicano uno spessore delle pareti di circa 20–280 nm e un diametro dei pori di circa 30–190 μm. Le pareti hanno quindi uno spessore nanometrico, mentre il diametro dei pori è micrometrico.
4. In che cosa la struttura di Y-Warm differisce da quella dell’aerogel di silice convenzionale?
L’aerogel di silice convenzionale si basa su una rete inorganica rigida, che può fratturarsi sotto flessione, compressione o sollecitazioni ripetute. Y-Warm utilizza uno scheletro polimerico flessibile con celle chiuse, progettato per resistere a flessioni e deformazioni e per consentire l’integrazione nei prodotti tessili.
5. Y-Warm può essere cucito e lavato in lavatrice?
Sì. Può essere tagliato, cucito e trapuntato per l’integrazione nell’abbigliamento e in altri prodotti tessili. Può inoltre resistere al lavaggio in lavatrice a temperatura ambiente, purché siano rispettate le condizioni di cura appropriate.
