Capitolo 2 – Nanotecnologie applicate all’isolamento
Nanotecnologie applicate all’isolamento
Come funzionano le nanotecnologie per l’isolamento termico e perché migliorano le prestazioni dei materiali isolanti.
Indice del Capitolo
2.1 Cosa sono le nanotecnologie
Le nanotecnologie comprendono l’insieme di conoscenze e tecniche che consentono di studiare, progettare e controllare materiali e strutture su scale estremamente ridotte, fino alla scala nanometrica, con l’obiettivo di ottenere proprietà e funzioni specifiche.
Un nanometro (nm) corrisponde a un miliardesimo di metro:
1 nm = 10⁻⁹ m
Per comprendere quanto sia piccola questa dimensione può essere utile procedere per ordini di grandezza:
- 1 metro = 1.000 millimetri;
- 1 millimetro = 1.000 micrometri;
- 1 micrometro = 1.000 nanometri.
In altre parole, in un solo millimetro ci sono un milione di nanometri.
Convenzionalmente, la nanoscala viene generalmente associata a dimensioni dell’ordine di 1–100 nanometri, almeno in una delle dimensioni considerate.
Ma concentrarsi esclusivamente sulle dimensioni rischia di far perdere il concetto più importante.
Non conta soltanto di cosa è fatto un materiale
Uno degli aspetti più interessanti delle nanotecnologie è la possibilità di intervenire non soltanto sulla composizione chimica, ma sull’organizzazione interna della materia.
Quando le strutture diventano estremamente piccole, aumenta infatti il rapporto tra superficie e volume. Una parte crescente della materia si trova in prossimità di superfici e interfacce e questo può modificare significativamente alcune proprietà del materiale. La presentazione richiama, tra gli esempi, conducibilità termica, comportamento meccanico e attività chimica.
Questo porta a un principio fondamentale:
Non conta soltanto di cosa è fatto un materiale, ma anche come è organizzato internamente.
È un concetto particolarmente importante per comprendere i materiali isolanti avanzati e le nanotecnologie nell’isolamento termico. La presentazione stessa passa dalla tradizionale attenzione alla composizione chimica al ruolo della microstruttura, delle cavità, dei pori, delle celle e delle interfacce.
Figura 26. Dal metro al nanometro, ogni passaggio riduce la scala di 1.000 volte. Alla nanoscala il rapporto tra struttura e proprietà del materiale può assumere caratteristiche differenti rispetto alla scala macroscopica.
Ridurre la scala non significa soltanto ridurre le dimensioni: può cambiare il rapporto tra struttura e proprietà del materiale.
Nanomateriale e nanotecnologia non sono sinonimi
È utile distinguere due concetti spesso utilizzati in modo intercambiabile.
Un nanomateriale è caratterizzato dalla presenza di strutture riconducibili alla nanoscala secondo le definizioni tecniche e normative applicabili.
La nanotecnologia è un concetto più ampio: riguarda la capacità di progettare, controllare o utilizzare strutture e fenomeni a queste scale per ottenere determinate funzioni.
La semplice presenza di componenti estremamente piccoli non permette quindi di concludere automaticamente che un materiale possieda una determinata prestazione.
Per valutarlo tecnicamente dobbiamo porci almeno quattro domande:
- Com’è strutturato il materiale?
- Quale fenomeno fisico viene influenzato dalla sua struttura?
- Quale proprietà macroscopica ne dovrebbe derivare?
- Quella proprietà è stata effettivamente misurata?
“Nanotecnologico” descrive una tecnologia. Non costituisce, da solo, una certificazione di prestazione.
Dalla nanoscala alla prestazione macroscopica
Un edificio, una parete o una tubazione appartengono alla scala macroscopica. Come può allora una struttura microscopica o nanometrica influenzarne il comportamento?
La risposta sta nell’architettura interna del materiale.
Nel caso dei materiali termicamente isolanti, il calore non attraversa un materiale astratto e perfettamente omogeneo: incontra una struttura composta da materia solida, eventuali cavità, pori, particelle, superfici e interfacce.
Modificando questa architettura è possibile intervenire sui percorsi attraverso i quali l’energia viene trasferita.
La presentazione introduce, per esempio, un concetto particolarmente interessante: una struttura complessa può creare un percorso termico tortuoso, nel quale il flusso incontra ripetutamente pori, particelle e interfacce.
È proprio qui che cominciamo a passare dalla semplice definizione di nanotecnologia alla fisica dell’isolamento.
Nanotecnologie e trasporto del calore
Nel Capitolo 1 abbiamo visto che il trasferimento termico avviene attraverso tre meccanismi fondamentali:
conduzione, convezione e irraggiamento.
Nella realtà questi fenomeni possono essere contemporaneamente presenti e il loro peso relativo dipende dal sistema considerato. La stessa presentazione evidenzia, ad esempio, come nelle murature prevalga la conduzione, mentre nelle coperture e nelle facciate esposte al sole possa assumere particolare importanza anche il contributo radiativo.
La progettazione della struttura interna di un materiale può quindi avere l’obiettivo di ostacolare uno o più meccanismi di trasporto dell’energia.
Nei materiali isolanti micro- e nanostrutturati possono entrare in gioco, a seconda della tecnologia, fenomeni quali:
- riduzione dei percorsi continui di conduzione nel solido;
- confinamento di gas in cavità molto piccole;
- limitazione dei moti convettivi;
- moltiplicazione delle superfici e delle interfacce;
- diffusione delle vibrazioni reticolari;
- interazione con la radiazione termica.
Non tutti questi fenomeni sono necessariamente presenti, né hanno la stessa importanza, in ogni materiale nanotecnologico.
Non esiste quindi un unico “effetto nano” responsabile dell’isolamento termico.
Questo secondo me è un altro concetto molto forte da evidenziare.
Dal macro al micro: un materiale può avere una struttura gerarchica
Dalla presentazione prenderei anche il concetto di struttura gerarchica, perché è perfetto per spiegare ciò che verrà dopo.
Un materiale tecnologicamente avanzato può essere organizzato contemporaneamente su più scale:
macroscopica → lo strato applicato;
microscopica → particelle, microsfere, pori e cavità;
nanometrica → superfici, interfacce e componenti della struttura.
La presentazione descrive proprio questa organizzazione multiscala come un’architettura gerarchica.
Questo ci permette anche di chiarire un equivoco importante.
Nanotecnologico non significa semplicemente “sottile”
Un rivestimento applicato con uno spessore di pochi millimetri rimane, dimensionalmente, uno strato macroscopico.
La definizione di nanotecnologia riguarda invece ciò che accade a scale enormemente inferiori all’interno della struttura del materiale.
Di conseguenza:
basso spessore dell’applicazione e nanostruttura del materiale sono due concetti differenti.
Il primo descrive quanto materiale viene applicato.
Il secondo riguarda come quel materiale è organizzato internamente e quali fenomeni fisici ne derivano.
Figura 27. Un materiale isolante avanzato può essere organizzato su più scale: lo strato applicato costituisce il livello macroscopico, mentre microsfere, cavità, superfici e interfacce definiscono una struttura interna su scale progressivamente inferiori.
Come valutare una nanotecnologia
La parola nanotecnologia non dovrebbe essere utilizzata come sinonimo automatico di elevate prestazioni.
Per una valutazione tecnica è più utile seguire una sequenza logica:
STRUTTURA → MECCANISMO FISICO → PRESTAZIONE → VERIFICA
Struttura
Come è organizzato internamente il materiale?
Meccanismo fisico
In che modo questa struttura dovrebbe modificare il trasferimento di energia?
Prestazione
Quale proprietà macroscopica viene dichiarata?
Verifica
Come è stata misurata? Con quale metodo? Da quale laboratorio? In quali condizioni?
Questa struttura concettuale la manterrei per tutto il Capitolo 2.
DAL LABORATORIO ALL’APPLICAZIONE
Perché osservare la microstruttura
Nello studio dei materiali isolanti micro- e nanostrutturati, l’osservazione della struttura reale rappresenta un passaggio fondamentale. Le immagini ottenute mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) permettono di osservare caratteristiche non visibili a occhio nudo e di analizzare morfologia, dimensioni, distribuzione e integrità delle strutture presenti nel materiale.
Figura 28. Micrografia SEM reale di Manti Ceramic. L’immagine mostra la microstruttura del materiale, con microsfere di differenti dimensioni distribuite nella matrice. Le misure riportate evidenziano strutture dell’ordine delle decine di micrometri.
Nell’esperienza di ricerca e selezione dei materiali utilizzati da Savenergy.it, questo tipo di analisi consente di collegare ciò che viene dichiarato sulla struttura del materiale a ciò che è effettivamente presente al suo interno.
È il primo passaggio di un metodo più ampio:
osservare la struttura → comprenderne il possibile ruolo fisico → misurarne la prestazione.
Da ricordare
- Un nanometro corrisponde a 10⁻⁹ metri.
- Le nanotecnologie permettono di intervenire non soltanto sulla composizione, ma anche sull’architettura interna dei materiali.
- Alle piccole scale aumenta fortemente il rapporto superficie/volume e possono assumere maggiore importanza superfici e interfacce.
- Nanotecnologia e basso spessore non sono sinonimi.
- Un materiale può presentare un’organizzazione gerarchica su scala macroscopica, microscopica e nanometrica.
- Nei materiali isolanti avanzati la struttura interna può influenzare diversi meccanismi di trasporto termico.
- Non esiste un unico “effetto nano” valido per tutti i materiali.
- La presenza di una nanotecnologia non dimostra automaticamente una prestazione: la prestazione deve essere misurata e documentata.
2.2 Come funzionano le microsfere ceramiche
Le microsfere ceramiche cave sono uno degli elementi caratterizzanti dei sistemi isolanti nanotecnologici Manti Ceramic e dei prodotti sviluppati per applicazioni industriali.
Per comprenderne il ruolo non è sufficiente immaginarle come piccole particelle disperse in un materiale. La loro presenza modifica profondamente l’architettura interna dello strato isolante e, di conseguenza, i percorsi attraverso i quali l’energia termica può propagarsi.
Una microsfera è costituita da una sottile parete ceramica che racchiude una cavità interna vuota. Quando un numero elevatissimo di queste strutture viene distribuito all’interno di una matrice, il materiale non si comporta più come un mezzo solido omogeneo, ma presenta una microstruttura costituita da:
- matrice;
- pareti ceramiche;
- cavità vuote;
- superfici;
- numerose interfacce tra strutture differenti.
La micrografia SEM reale di Manti Ceramic mostrata nel §2.1 permette di osservare direttamente questa organizzazione e la presenza di microsfere di differenti dimensioni all’interno della matrice.
Le microsfere non devono essere immaginate come piccoli “scudi” che fermano individualmente il calore: la loro presenza modifica l’architettura complessiva attraverso cui l’energia termica deve propagarsi.
Una microstruttura che modifica il percorso del calore
Consideriamo, per semplicità, un materiale solido omogeneo.
In presenza di una differenza di temperatura, il calore può propagarsi attraverso la fase solida seguendo percorsi relativamente continui.
Introducendo un numero elevato di microsfere cave, questa continuità viene modificata: una parte del volume non è più costituita dalla matrice solida e il flusso termico incontra continuamente materiali, superfici e discontinuità differenti.
Il percorso diventa quindi molto più articolato:
matrice → interfaccia → parete ceramica → cavità → parete ceramica → nuova interfaccia → matrice
e questa configurazione viene ripetuta moltissime volte all’interno dello strato.
Questo fenomeno può essere descritto attraverso il concetto di percorso termico tortuoso: microsfere, cavità, particelle e interfacce modificano e rendono più complessi i percorsi disponibili per il trasferimento dell’energia.
Figura 29. Le microsfere ceramiche cave modificano la microstruttura del materiale: rispetto a un mezzo omogeneo, il trasferimento termico incontra cavità, superfici e interfacce che rendono il percorso più complesso e tortuoso.
La microstruttura modifica i percorsi disponibili per il trasferimento termico.
Il ruolo della cavità interna
Una caratteristica fondamentale delle microsfere utilizzate in Manti Ceramic e nei sistemi industriali considerati in questa Guida è la presenza di una cavità interna vuota.
Non si tratta quindi di una piccola intercapedine contenente aria o di una cella riempita con un gas isolante.
Questa distinzione è importante dal punto di vista fisico.
In assenza di materia all’interno della cavità non può avvenire trasferimento termico mediante conduzione molecolare attraverso un gas, né possono svilupparsi moti convettivi.
Rimane invece possibile il trasferimento di energia per irraggiamento, che, come abbiamo visto nel Capitolo 1, non necessita della presenza di un mezzo materiale.
La cavità vuota introduce quindi una discontinuità nella materia attraverso cui il calore potrebbe propagarsi per conduzione.
Questo non significa tuttavia che una microsfera possa essere considerata semplicemente come una “bolla di vuoto isolante”: la parete ceramica, le superfici, le interfacce con la matrice e l’interazione con la radiazione termica concorrono al comportamento della struttura.
Struttura schematica di una microsfera ceramica cava: la parete ceramica racchiude una cavità interna vuota e si inserisce nella matrice creando superfici e interfacce che modificano la continuità del percorso termico.
La cavità vuota interrompe la continuità materiale all’interno della microstruttura.
Una rete di superfici e interfacce
La presenza delle microsfere non introduce nel materiale soltanto delle cavità. Ogni microsfera crea anche numerose superfici di separazione tra strutture differenti.
Possiamo individuare, in particolare:
- la superficie esterna della microsfera a contatto con la matrice;
- la parete ceramica;
- la superficie interna della parete;
- il confine con la cavità interna vuota.
Quando un numero molto elevato di microsfere è distribuito all’interno del materiale, queste superfici si moltiplicano, creando una vera e propria rete di interfacce. La documentazione tecnica descrive infatti ogni microsfera attraverso la presenza della parete ceramica, della cavità interna, della superficie esterna e del contatto con la matrice.
Perché un’interfaccia è importante per il trasferimento del calore?
In un materiale omogeneo, l’energia termica può propagarsi attraverso una struttura relativamente continua. Quando invece incontra il confine tra strutture differenti, le condizioni di propagazione cambiano.
A questa discontinuità può essere associata una resistenza termica interfacciale, cioè una resistenza aggiuntiva al trasferimento dell’energia in corrispondenza dell’interfaccia.
Per comprenderne l’origine occorre scendere, ancora una volta, di scala.
Nei solidi non metallici, una parte importante del trasporto dell’energia termica è associata alle vibrazioni della struttura atomica del materiale. Nella descrizione quantistica, queste vibrazioni vengono rappresentate mediante quasiparticelle chiamate fononi.
Quando i fononi raggiungono l’interfaccia tra strutture differenti, non necessariamente proseguono indisturbati: possono essere trasmessi, riflessi o modificare le proprie modalità di propagazione.
A questo fenomeno è associato il concetto di resistenza termica interfacciale, nota anche come resistenza di Kapitza.
Figura 31. Quando il trasporto di energia incontra l’interfaccia tra due materiali differenti, una parte dei fononi può essere riflessa e una parte trasmessa. La discontinuità tra le due strutture può introdurre una resistenza aggiuntiva al trasferimento termico, detta resistenza termica interfacciale o resistenza di Kapitza.
Un’interfaccia non è quindi soltanto un confine geometrico tra due strutture: può rappresentare una discontinuità anche per il trasferimento dell’energia termica.
Dalla singola interfaccia alla microstruttura
Il concetto diventa particolarmente interessante quando non consideriamo più una singola microsfera, ma l’intera microstruttura del materiale.
Ogni microsfera introduce diverse superfici e interfacce. Quando le microsfere sono presenti in numero elevato, il flusso termico incontra ripetutamente queste discontinuità durante il proprio percorso.
Le microsfere possono quindi essere interpretate anche come una rete di interfacce distribuite all’interno della matrice.
Questo fenomeno si combina con quello già descritto nella Figura 39: il flusso termico non attraversa un mezzo perfettamente uniforme, ma incontra continuamente matrice, pareti ceramiche, cavità e interfacce, seguendo un percorso più complesso e tortuoso.
Percorso tortuoso e rete di interfacce sono quindi due aspetti collegati della stessa architettura microstrutturale.
Dalla spiegazione fisica alla prestazione reale
È importante, tuttavia, distinguere ancora una volta il meccanismo fisico dalla prestazione misurata.
La presenza di numerose interfacce permette di individuare un possibile contributo al comportamento termico del materiale, ma non consente da sola di quantificare quanto la resistenza interfacciale incida sulla conducibilità termica complessiva.
L’effetto finale dipende dalla microstruttura reale, dalle caratteristiche delle microsfere e della matrice, dal numero e dalla natura delle interfacce e dall’interazione con gli altri meccanismi di trasferimento dell’energia.
Per questo la prestazione complessiva deve essere determinata attraverso misure sperimentali sul materiale reale.
Microsfere ceramiche e radiazione termica
Le microsfere non intervengono soltanto sull’architettura attraverso cui avviene il trasferimento per conduzione. Un altro fenomeno da considerare è l’interazione delle loro superfici con la radiazione termica.
Come abbiamo visto nel Capitolo 1, tutti i corpi a temperatura superiore allo zero assoluto emettono energia sotto forma di radiazione elettromagnetica. Alle temperature normalmente considerate nell’edilizia e in numerose applicazioni industriali, una parte rilevante di questa emissione ricade nell’infrarosso.
Quando la radiazione termica incontra una superficie ceramica, l’energia incidente può essere in parte:
- riflessa;
- diffusa in direzioni differenti;
- assorbita.
Questi tre fenomeni contribuiscono alla riduzione del contributo radiativo al trasferimento termico.
In un materiale contenente un numero molto elevato di microsfere, inoltre, non esiste una sola superficie ceramica macroscopica. La microstruttura contiene una molteplicità di superfici con geometrie e orientamenti differenti, con le quali la radiazione termica può interagire.
Una parte della radiazione incidente può quindi essere riflessa, una parte diffusa e una parte assorbita dalle strutture ceramiche.
La riflessione della radiazione termica non riguarda quindi necessariamente soltanto la superficie esterna del rivestimento: l’interazione con la radiazione può avvenire anche sulle numerose superfici ceramiche presenti nella microstruttura.
È però importante evitare una semplificazione.
Le microsfere non sono piccoli specchi
Dire che le microsfere interagiscono con la radiazione non significa che ogni microsfera si comporti come uno specchio che rimanda semplicemente il calore nella direzione da cui proviene.
La risposta dipende dalle caratteristiche della superficie, dalla geometria, dalla lunghezza d’onda della radiazione e dalle proprietà del materiale.
È quindi più corretto parlare di riflessione, diffusione e assorbimento della radiazione termica e della loro combinazione all’interno di una microstruttura complessa.
Questo permette anche di evitare un’altra semplificazione frequente:
le microsfere ceramiche non isolano semplicemente perché “riflettono il calore”.
L’interazione con la radiazione rappresenta uno dei fenomeni che concorrono al comportamento termico complessivo.
Figura 31. Le superfici delle microsfere ceramiche possono interagire con la radiazione termica attraverso fenomeni di riflessione, diffusione e assorbimento. In una microstruttura ricca di microsfere, queste interazioni possono ripetersi su numerose superfici.
Non un singolo effetto, ma un’architettura multiscala
A questo punto possiamo ricomporre i diversi fenomeni.
La presenza delle microsfere introduce contemporaneamente:
DISCONTINUITÀ DELLA FASE SOLIDA
↓
la struttura non presenta percorsi solidi uniformi
CAVITÀ INTERNE VUOTE
↓
assenza di materia nella cavità per conduzione molecolare e convezione
MOLTEPLICITÀ DI SUPERFICI E INTERFACCE
↓
il trasferimento incontra continuamente strutture differenti
PERCORSI TERMICI TORTUOSI
↓
la propagazione attraverso il materiale diventa più complessa
INTERAZIONE CON LA RADIAZIONE TERMICA
↓
riflessione, diffusione e assorbimento sulle superfici ceramiche
La struttura risultante può quindi essere interpretata come un’architettura multiscala, nella quale caratteristiche macroscopiche, microscopiche e delle interfacce concorrono al comportamento complessivo. La documentazione tecnica descrive questa organizzazione come una struttura gerarchica.
Non esiste quindi un unico “effetto microsfera”: la prestazione termica deriva dal comportamento dell’intera microstruttura e dall’interazione tra differenti meccanismi di trasferimento dell’energia.
Figura 32. Il comportamento termico di una microstruttura con microsfere ceramiche cave deriva dall’interazione di più fenomeni: percorsi conduttivi tortuosi, cavità interne vuote, rete di interfacce e interazione delle superfici ceramiche con la radiazione termica.
Dalla microsfera alla prestazione del materiale
Comprendere questi meccanismi non significa però poter dedurre automaticamente la prestazione termica di un prodotto dalla semplice presenza di microsfere ceramiche.
Nel materiale reale entrano in gioco numerose variabili:
- caratteristiche e geometria delle microsfere;
- dimensioni e distribuzione;
- rapporto tra microsfere e matrice;
- caratteristiche della matrice;
- proprietà delle superfici;
- interazione tra i diversi componenti;
- struttura finale del materiale dopo applicazione ed essiccazione.
Per questo motivo la capacità isolante deve essere misurata sul materiale reale attraverso specifiche prove, nelle condizioni previste dal metodo utilizzato.
La microstruttura aiuta a comprendere perché un materiale può presentare determinate proprietà. La prova sperimentale stabilisce quale prestazione il materiale raggiunge effettivamente.
DAL LABORATORIO ALL’APPLICAZIONE
Le microsfere di Manti Ceramic osservate al SEM
Nel §2.1 abbiamo mostrato una micrografia SEM reale di Manti Ceramic, nella quale sono osservabili microsfere di dimensioni differenti distribuite all’interno della matrice.
Nell’immagine sono riportate, tra le altre, dimensioni di 19,2 µm, 60,9 µm e 86,4 µm.
L’osservazione permette di passare dalla rappresentazione teorica alla microstruttura effettivamente osservata nel materiale: le microsfere non costituiscono uno strato separato, ma sono distribuite all’interno della matrice, contribuendo a creare una struttura eterogenea caratterizzata da cavità, superfici e numerose interfacce.
Questa immagine costituisce quindi un’evidenza della morfologia del materiale.
Non costituisce, da sola, una misura della sua capacità isolante.
DALLA MICROSTRUTTURA ALLA PRESTAZIONE
Il caso Manti Ceramic
Nel caso di Manti Ceramic possiamo quindi distinguere due tipi di evidenza.
La microscopia elettronica permette di osservare la microstruttura e la presenza delle microsfere.
Le prove termiche permettono invece di misurare la prestazione del materiale.
Per Manti Ceramic Alta Densità la conducibilità termica dichiarata è λd = 0,0010 W/(m·K), certificata attraverso Test R 1995870 dal TÜV
Il percorso logico corretto è quindi:
OSSERVARE LA STRUTTURA
↓
SEM e caratterizzazione della microstruttura
COMPRENDERE I MECCANISMI FISICI
↓
conduzione, cavità, interfacce, irraggiamento
MISURARE LA PRESTAZIONE
↓
prove termiche sul materiale reale
Una micrografia non certifica una conducibilità termica e la presenza di microsfere non dimostra, da sola, una determinata prestazione. Struttura, meccanismo fisico e misura sperimentale sono tre livelli distinti che devono essere messi in relazione.
Da ricordare
- Le microsfere ceramiche modificano l’architettura interna del materiale.
- Nelle microsfere utilizzate per Manti Ceramic e i prodotti industriali Savenergy.it la cavità interna è vuota.
- Le cavità introducono discontinuità nella fase materiale attraverso cui può avvenire la conduzione.
- La presenza di un numero elevato di microsfere crea numerose superfici e interfacce e rende più complessi i percorsi del trasferimento termico.
- Le superfici ceramiche possono interagire con la radiazione termica attraverso riflessione, diffusione e assorbimento.
- La riflessione della radiazione è importante, ma non costituisce da sola la spiegazione dell’isolamento.
- Il comportamento deriva dall’interazione tra microstruttura e diversi meccanismi di trasferimento dell’energia.
- La prestazione finale deve essere misurata sul materiale reale.
2.3 Perché le nanotecnologie per l’isolamento termico isolano di più
La capacità di un materiale di limitare il trasferimento del calore non dipende soltanto dalla sua composizione chimica o dalla quantità di materia utilizzata. Come abbiamo visto nei paragrafi precedenti, un ruolo fondamentale può essere svolto anche dalla sua architettura interna.
È proprio su questo principio che si basa l’impiego delle nanotecnologie nell’isolamento termico: intervenire sulla struttura del materiale a scale molto piccole per modificare i meccanismi attraverso i quali l’energia termica si propaga.
Cavità, particelle, superfici e interfacce possono interrompere la continuità della materia, rendere più complessi i percorsi della conduzione, introdurre resistenze aggiuntive al trasferimento dell’energia e modificare l’interazione con la radiazione termica.
La prestazione non deriva quindi da un generico “effetto nano”, ma dall’architettura del materiale e dalla sua capacità di intervenire sui diversi meccanismi di trasferimento dell’energia.
Dalla struttura microscopica alla prestazione macroscopica
Consideriamo inizialmente un materiale relativamente omogeneo.
In presenza di una differenza di temperatura, l’energia termica può propagarsi attraverso una struttura sostanzialmente continua. Se la struttura interna viene modificata introducendo cavità, particelle e interfacce, anche i percorsi disponibili per il trasferimento dell’energia cambiano.
Nei materiali micro- e nanostrutturati è quindi possibile intervenire sulla microstruttura per influenzare proprietà che vengono poi misurate a scala macroscopica.
Il passaggio può essere rappresentato così:
ARCHITETTURA DEL MATERIALE
↓
cavità + particelle + superfici + interfacce
MECCANISMI FISICI
↓
conduzione + resistenze interfacciali + interazione con la radiazione
TRASFERIMENTO TERMICO COMPLESSIVO
↓
riduzione del flusso di energia attraverso il materiale
PRESTAZIONE MISURABILE
↓
conducibilità termica λ
Questo collegamento tra microstruttura e proprietà macroscopiche rappresenta uno degli aspetti fondamentali dell’applicazione delle nanotecnologie all’isolamento termico.
Agire contemporaneamente su più meccanismi
Uno degli aspetti più interessanti di una microstruttura complessa è che il suo comportamento non deve necessariamente essere ricondotto a un solo fenomeno.
Nel caso dei sistemi a microsfere ceramiche analizzati nel §2.2, abbiamo individuato diversi meccanismi che possono concorrere al comportamento termico.
Percorsi conduttivi più complessi
La presenza delle microsfere interrompe l’omogeneità della matrice e costringe il trasferimento termico a confrontarsi con una successione di strutture differenti.
Il percorso attraverso il materiale diventa quindi più tortuoso e discontinuo rispetto a quello di un mezzo omogeneo.
Cavità interne vuote
Le microsfere utilizzate nei sistemi Manti Ceramic e nei prodotti industriali considerati in questa Guida presentano una cavità interna vuota, priva di aria o gas.
La cavità introduce quindi una zona priva di materia attraverso la quale non può avvenire conduzione molecolare attraverso un gas e non possono svilupparsi moti convettivi.
Rete di interfacce
Un numero elevato di microsfere determina anche la presenza di un numero elevato di superfici e interfacce.
Come abbiamo visto nel §2.2, quando il trasporto dell’energia incontra il confine tra strutture differenti può manifestarsi una resistenza termica interfacciale.
A scala microscopica, una parte dell’energia associata alle vibrazioni del reticolo può essere trasmessa attraverso l’interfaccia e una parte riflessa. Questo fenomeno è descritto attraverso il concetto di resistenza di Kapitza.
La presenza di numerose interfacce può quindi contribuire alla complessità del trasferimento termico all’interno del materiale.
Interazione con la radiazione termica
Le superfici ceramiche possono inoltre interagire con la radiazione infrarossa attraverso fenomeni di riflessione, diffusione e assorbimento.
In una microstruttura contenente numerose microsfere, la radiazione può incontrare ripetutamente superfici con geometrie e orientamenti differenti.
Il comportamento termico complessivo può quindi derivare dall’azione contemporanea di più fenomeni.
Percorso tortuoso + cavità + interfacce + interazione radiativa: non quattro isolanti differenti, ma quattro aspetti della stessa microstruttura.
Perché una bassa conducibilità permette di ridurre lo spessore
Il passaggio dalla fisica del materiale alla sua applicazione diventa particolarmente evidente considerando la relazione tra conducibilità, resistenza termica e spessore.
Per uno strato omogeneo:
R = s / λ
dove:
- R è la resistenza termica;
- s è lo spessore del materiale;
- λ è la sua conducibilità termica.
Se vogliamo ottenere una determinata resistenza termica, possiamo riscrivere la relazione:
s = R × λ
Ne deriva una conseguenza importante: a parità di resistenza termica richiesta, un materiale caratterizzato da una conducibilità più bassa necessita di uno spessore inferiore (come esemplificato in Figura 33.)
Questo permette di comprendere correttamente il rapporto tra nanotecnologie e basso spessore.
Il piccolo spessore non costituisce, di per sé, il meccanismo isolante. È la prestazione termica del materiale che può consentire di raggiungere una determinata resistenza utilizzando uno strato più sottile.
Non è il basso spessore a produrre la prestazione: è una bassa conducibilità termica a rendere possibile il basso spessore.
Figura 33. La microstruttura del materiale può influenzare il trasferimento dell’energia e quindi la conducibilità termica λ. A parità di resistenza termica, una conducibilità più bassa consente di raggiungere la prestazione richiesta con uno spessore inferiore.
Di conseguenza, confrontare materiali isolanti esclusivamente sulla base dei centimetri utilizzati può essere fuorviante. Il confronto deve partire dalle prestazioni termiche documentate.
DAL PRINCIPIO FISICO AL PRODOTTO REALE
Manti Ceramic e pitture termiche: perché non sono la stessa cosa
Un esempio concreto permette di capire perché la sola presenza di microsfere non sia sufficiente a determinare la capacità isolante di un prodotto.
Sul mercato sono presenti numerosi rivestimenti indicati come pitture termiche, termoisolanti o termoriflettenti. Possono contenere microsfere ceramiche o altri additivi e vengono normalmente applicati in strati molto sottili.
Questo può portare a considerarli equivalenti a qualsiasi altro materiale a base di microsfere.
Non è così.
La presenza delle microsfere costituisce soltanto uno degli elementi della formulazione. La prestazione finale dipende dalla struttura che esse formano insieme alla matrice, dalla loro quantità e distribuzione, dalle caratteristiche delle cavità e delle interfacce e dal comportamento complessivo del materiale.
L’approfondimento tecnico pubblicato da Manti Ceramic Italia evidenzia proprio questa differenza: le pitture termiche vengono generalmente applicate in spessori dell’ordine di 0,5–1 mm e possono utilizzare microsfere o componenti funzionali, ma non per questo devono essere automaticamente assimilate a un sistema isolante a basso spessore con una prestazione termica specificamente documentata.
La differenza non si vede dal secchio
Due prodotti possono apparire simili durante l’applicazione: entrambi possono essere fluidi o pastosi, entrambi possono essere applicati in strati sottili ed entrambi possono contenere microsfere.
Queste caratteristiche, però, non permettono di stabilire quanto isolino.
La domanda tecnicamente significativa è un’altra:
Qual è la conducibilità termica del materiale e come è stata determinata?
È questo il punto che distingue la presenza di una tecnologia dalla dimostrazione della sua prestazione.
Nel caso di Manti Ceramic, le microsfere ceramiche cave costituiscono parte dell’architettura del materiale isolante che abbiamo analizzato nel §2.2. La micrografia SEM mostrata in precedenza permette di osservare la loro presenza e distribuzione nella matrice; la capacità isolante, invece, deve essere verificata attraverso le specifiche prove termiche effettuate sul materiale.
La distinzione è fondamentale:
PRESENZA DELLE MICROSFERE
non significa automaticamente
ELEVATA CAPACITÀ ISOLANTE
così come:
ASPETTO SIMILE A UNA PITTURA
non significa necessariamente
STESSA TECNOLOGIA E STESSA PRESTAZIONE
È la prestazione documentata del materiale, non il suo aspetto né la semplice presenza di microsfere, a determinarne la capacità di isolamento termico.
Figura.34 Rappresentazione schematica della differenza tra Manti Ceramic e una pittura termica: la presenza di microsfere non rende equivalenti le due formulazioni. Quantità e organizzazione dei componenti isolanti concorrono alla struttura del materiale, mentre la capacità isolante deve essere verificata attraverso le prestazioni termiche misurate.
Come confrontare correttamente Manti Ceramic e una pittura termica
Un confronto tecnico non dovrebbe quindi partire dal nome attribuito al prodotto.
Dovrebbe verificare almeno:
| Cosa verificare | Perché è importante |
|---|---|
| Conducibilità termica λ | Quantifica la capacità del materiale di condurre calore |
| Spessore a cui si riferisce la prestazione | Permette di collegare proprietà del materiale e applicazione |
| Metodo di prova | Indica come è stato ottenuto il dato |
| Condizioni di prova | Permettono di interpretare correttamente il risultato |
| Laboratorio / organismo | Permette di valutare l’origine dell’evidenza |
| Documentazione disponibile | Consente di verificare il dato anziché affidarsi al claim commerciale |
Questo metodo permette di superare categorie commerciali spesso poco precise come pittura termica, vernice isolante o rivestimento nanotecnologico e di riportare il confronto sul terreno delle prestazioni misurabili e documentabili.
Ed è un principio valido non soltanto per Manti Ceramic, ma per qualsiasi materiale isolante.
Nanotecnologico non significa automaticamente più isolante
A questo punto è necessaria una precisazione.
L’impiego delle nanotecnologie non garantisce automaticamente una conducibilità termica inferiore.
Due materiali definiti nanotecnologici possono avere microstrutture, composizioni e prestazioni molto differenti.
Cavità, interfacce, microsfere e fenomeni radiativi permettono di comprendere come una determinata architettura possa ostacolare il trasferimento dell’energia. Non consentono però di dedurre automaticamente quanto il materiale isoli.
La spiegazione fisica e la verifica sperimentale devono quindi rimanere distinte.
Un meccanismo fisico spiega perché una prestazione può verificarsi. Una prova sperimentale determina quale prestazione è stata effettivamente raggiunta.
Dalla microstruttura alla misura
Possiamo quindi ricomporre l’intero percorso affrontato finora:
COME È FATTO
↓
microstruttura, microsfere, cavità, superfici e interfacce
COME TRASFERISCE L’ENERGIA
↓
conduzione, percorso tortuoso, resistenze interfacciali, irraggiamento
QUALE EFFETTO PRODUCE
↓
riduzione del trasferimento termico complessivo
QUANTO È EFFICACE
↓
misura sperimentale delle proprietà termiche
Questi quattro livelli non devono essere confusi.
Una micrografia SEM può documentare la struttura.
La fisica può spiegare i meccanismi.
Una prova termica misura la prestazione.
La documentazione tecnica permette infine di stabilire come e in quali condizioni quel dato possa essere utilizzato nella progettazione.
Da ricordare
Le nanotecnologie possono aumentare le prestazioni dell’isolamento perché permettono di progettare l’architettura interna del materiale, intervenendo sui percorsi attraverso i quali l’energia termica si trasferisce.
Nei sistemi a microsfere ceramiche analizzati in questo capitolo concorrono diversi fenomeni:
- percorsi conduttivi complessi e tortuosi;
- cavità interne vuote;
- numerose superfici e interfacce;
- resistenza termica interfacciale;
- interazione con la radiazione termica.
La loro presenza, tuttavia, non costituisce da sola una misura della capacità isolante.
Non tutte le formulazioni contenenti microsfere sono equivalenti. Non tutti i prodotti definiti nanotecnologici hanno le stesse prestazioni. E prodotti apparentemente simili possono presentare proprietà termiche profondamente differenti.
Il criterio conclusivo rimane quindi:
MICROSTRUTTURA → MECCANISMO FISICO → PRESTAZIONE MISURATA → VERIFICA DOCUMENTALE
Ed è proprio questo percorso che consente alle nanotecnologie di essere valutate come materiali ingegnerizzati e misurabili, anziché sulla base di etichette commerciali.
2.4 Limiti e falsi miti
Nonostante l’enorme potenziale, attorno all’uso delle nanotecnologie nell’isolamento edilizio sono nati diversi fraintendimenti che è bene chiarire:
-
Mito: “Un isolante efficace deve necessariamente avere molti centimetri di spessore”
Falso. Lo spessore, da solo, non misura la capacità isolante. La resistenza termica di uno strato dipende infatti dal rapporto tra spessore e conducibilità termica:
R = s / λ
Per questo materiali con conducibilità termiche molto differenti possono raggiungere determinate prestazioni attraverso spessori molto diversi. I sistemi nanotecnologici a basso spessore devono quindi essere valutati sulla base delle prestazioni misurate e documentate, non assimilati automaticamente ai materiali isolanti convenzionali né giudicati in funzione del solo spessore.
-
Resistenza meccanica e posa: Richiedono superfici perfettamente preparate e protocolli di applicazione rigorosi; un’applicazione errata o con spessori non omogenei rischia di comprometterne l’efficacia.
-
Costo iniziale: Il prezzo al litro o al metro quadro delle materie prime nanotecnologiche è superiore a quello dei materiali tradizionali, pur compensato dal minor costo di installazione e dalla mancata modifica dei volumi dell’edificio.
2.5 Nanotecnologie in edilizia per isolamento termico
Applicare le nanotecnologie all’isolamento termico degli edifici significa trasferire i principi analizzati nei paragrafi precedenti dalla scala del materiale alla scala dell’involucro edilizio.
Una bassa conducibilità termica può consentire di ottenere resistenze termiche significative utilizzando spessori contenuti. Ma, in edilizia, il vantaggio del basso spessore non riguarda soltanto lo spazio occupato.
Uno strato isolante sottile e continuo può seguire geometrie, raccordi ed elementi architettonici sui quali l’impiego di sistemi di maggiore ingombro può richiedere soluzioni costruttive più articolate.
Spallette delle finestre, imbotti, pilastri, travi, marcapiani, cornici, nicchie e superfici curve sono alcuni esempi nei quali continuità dell’isolamento e geometria dell’edificio diventano strettamente collegate.
In edilizia il basso spessore non significa soltanto occupare meno spazio: può cambiare il modo in cui l’isolamento viene integrato nell’architettura dell’edificio.
Dalla prestazione del materiale alla prestazione dell’involucro
La conducibilità termica λ è una proprietà del materiale. L’edificio, però, non è costituito da un materiale isolante isolato.
Una parete comprende diversi strati e presenta raccordi con solai, pilastri, serramenti, balconi, coperture e altri elementi costruttivi. La prestazione dell’involucro dipende quindi dalla stratigrafia complessiva e dalla continuità con cui l’isolamento può essere realizzato.
Questo passaggio è fondamentale.
Un materiale caratterizzato da una bassa conducibilità può ridurre il flusso termico attraverso la superficie sulla quale viene applicato, ma il risultato dell’intervento dipende anche da:
- spessore effettivamente applicato;
- caratteristiche della parete esistente;
- continuità dello strato isolante;
- trattamento dei raccordi e dei ponti termici;
- condizioni termoigrometriche;
- qualità del supporto;
- corretta applicazione del sistema.
Per questo prestazione del materiale e prestazione dell’intervento non sono sinonimi.
La progettazione deve mettere in relazione le proprietà misurate del prodotto con le caratteristiche reali dell’edificio.
Figura 35. Manti Ceramic può essere applicato sia sul lato esterno sia sul lato interno dell’involucro. La stessa tecnologia isolante, con spessori da 1 a 10 mm, può essere adattata alle condizioni del supporto e del progetto, mantenendo la continuità dell’intervento e con la necessaria verifica termoigrometrica.
Isolare dall’esterno
L’isolamento esterno permette di intervenire sulla superficie dell’involucro esposta alle condizioni climatiche.
Un sistema nanotecnologico a basso spessore può essere applicato in continuità sulla facciata seguendone la geometria, compresi raccordi ed elementi architettonici compatibili con il sistema.
Questo aspetto può assumere particolare rilevanza quando la facciata presenta cornici, marcapiani, imbotti, fregi o altri elementi che devono essere conservati.
La possibilità di seguire superfici complesse senza introdurre spessori elevati permette infatti di affrontare l’isolamento come uno strato integrato nella geometria esistente, anziché come un elemento che necessariamente ne modifica in modo rilevante dimensioni e profili.
DAL CAMPO – Isolamento esterno a basso spessore sul Lago di Como
Un caso reale particolarmente significativo di applicazione esterna, visualizzabile in Figura 35., è l’intervento realizzato nel 2019 su una villa a Menaggio, affacciata sul Lago di Como.
La richiesta progettuale era complessa: migliorare le prestazioni termiche dell’edificio preservandone l’architettura, caratterizzata da facciate tradizionali, porzioni in pietra a vista e dettagli costruttivi nei quali gli spessori disponibili erano limitati.
La soluzione è stata progettata utilizzando differenti formulazioni della tecnologia Manti Ceramic in funzione delle caratteristiche delle diverse superfici.
Sulle facciate principali sono stati applicati 8 mm di Manti Ceramic Alta Densità. In corrispondenza dei punti termicamente più critici — tra cui spallette, nodi strutturali e sottobalconi — è stata utilizzata Manti Ceramic Media Densità, applicabile in spessori molto più contenuti. Le porzioni in pietra a vista sono state invece trattate con Manti Ceramic Bassa Densità Trasparente, mantenendo visibile il materiale originario.
Figura 35. Villa a Menaggio, Lago di Como, isolata esternamente con 8 mm di Manti Ceramic Alta Densità sulle facciate, Media Densità nei punti critici e Bassa Densità Trasparente sulla pietra a vista. L’intervento, realizzato nel 2019, ha registrato negli anni successivi una riduzione media dei consumi energetici del 36%.
Un unico edificio, tre differenti formulazioni: l’isolamento è stato adattato alle caratteristiche delle superfici e dei dettagli costruttivi, anziché applicare indistintamente la stessa soluzione in ogni punto.
Questo approccio ha permesso di estendere il trattamento anche a zone nelle quali l’aumento dello spessore avrebbe interferito maggiormente con la geometria dell’edificio, migliorando la continuità dell’isolamento e intervenendo sui punti critici senza alterare in modo significativo l’estetica originaria.
Il dato più interessante: i consumi reali
Il valore di questo caso non risiede però soltanto nella soluzione costruttiva adottata.
Il monitoraggio dei consumi dell’edificio ha evidenziato, negli anni successivi all’intervento, una riduzione media dei consumi energetici annui del 36% rispetto alla situazione precedente.
Si tratta di un dato particolarmente utile perché porta la valutazione fuori dal solo laboratorio e la trasferisce su un edificio reale in esercizio.
Naturalmente, una riduzione dei consumi rilevata su un singolo edificio non può essere assunta come prestazione universale del materiale. I consumi dipendono anche dalle condizioni climatiche, dalle temperature impostate, dall’utilizzo dell’edificio, dagli impianti e dalle condizioni precedenti all’intervento.
Il dato del -36% deve quindi essere letto per ciò che rappresenta: il risultato misurato di questo specifico intervento, non una percentuale di risparmio automaticamente trasferibile ad altri edifici.
Perché questo caso è interessante dal punto di vista progettuale
Menaggio mostra bene che il vantaggio del basso spessore in edilizia non consiste semplicemente nell’utilizzare meno centimetri.
La possibilità di differenziare il sistema in funzione della superficie consente di affrontare nello stesso progetto pareti estese, dettagli costruttivi, punti critici e materiali che devono rimanere a vista.
È il passaggio dalla proprietà del materiale alla progettazione dell’involucro:
prestazione termica + basso spessore + continuità nei dettagli + compatibilità con l’architettura esistente.
Ed è proprio in applicazioni di questo tipo che le nanotecnologie per l’isolamento termico possono offrire possibilità progettuali difficilmente descrivibili considerando soltanto il valore di λ o lo spessore nominale del materiale.
Isolare dall’interno
L’isolamento dall’interno pone problemi progettuali differenti.
Lo spazio sottratto agli ambienti diventa immediatamente percepibile e assumono particolare importanza i raccordi tra pareti esterne, divisori, solai e serramenti.
In questo contesto, uno strato isolante di pochi millimetri può consentire di intervenire limitando la riduzione della superficie utile e seguendo con maggiore facilità spallette, nicchie e geometrie interne.
Ma il basso spessore non elimina la necessità della verifica termoigrometrica.
Temperatura superficiale, diffusione del vapore, caratteristiche della muratura e condizioni di umidità devono essere considerate nel progetto, come abbiamo visto nel Capitolo 1.
Particolare attenzione deve inoltre essere dedicata allo stato del supporto. Eventuali infiltrazioni, umidità di risalita o altre patologie della muratura devono essere individuate e trattate alla loro origine prima di realizzare l’isolamento.
Isolare una parete non significa nasconderne le patologie: significa intervenire su un supporto correttamente diagnosticato e preparato.
DAL CAMPO – Isolamento interno in un edificio storico di Via Vincenzo Monti a Milano
Un esempio concreto delle possibilità offerte dall’isolamento nanotecnologico a basso spessore è rappresentato da un intervento realizzato in Via Vincenzo Monti, a Milano, all’interno di un edificio storico caratterizzato da una facciata di pregio.
La scelta progettuale è stata quella di intervenire dall’interno, migliorando l’isolamento termico dell’involucro senza modificare l’architettura esterna dell’edificio.
Figura 36. Intervento di isolamento termico interno in Via Vincenzo Monti a Milano: Manti Ceramic Alta Densità sulle pareti e Media Densità sulle spallette e nei punti critici, per proseguire il trattamento anche dove lo spazio disponibile è ridotto.
Sulle pareti è stato applicato Manti Ceramic Alta Densità con uno spessore di 8 mm. In corrispondenza dei punti nei quali lo spazio disponibile era molto più limitato, come spallette e raccordi dei serramenti, il sistema è stato integrato con Manti Ceramic Media Densità nello spessore di circa 1 mm.
Questa differenziazione è particolarmente significativa dal punto di vista progettuale.
Nell’isolamento interno, infatti, non è sufficiente considerare soltanto la superficie principale della parete. I raccordi con serramenti, imbotti e altri elementi costruttivi possono rappresentare zone di discontinuità e ponti termici, ma sono anche i punti nei quali gli spessori disponibili sono spesso minimi.
L’utilizzo di uno strato di Media Densità di circa 1 mm ha permesso, in questo caso, di proseguire il trattamento anche nei punti critici, raccordandolo all’isolamento realizzato sulle pareti con Alta Densità.
8 mm sulle pareti + circa 1 mm nei dettagli: il basso spessore permette di adattare l’isolamento alla geometria dell’edificio e di trattare anche zone critiche per la continuità termica.
Il caso mostra quindi un aspetto importante delle nanotecnologie applicate all’edilizia: la possibilità di combinare formulazioni e spessori differenti all’interno dello stesso intervento, in funzione delle caratteristiche dei diversi elementi costruttivi.
Il vantaggio non consiste soltanto nel ridurre l’ingombro dell’isolamento interno. Consiste anche nella possibilità di estendere il trattamento a spallette, raccordi e zone geometricamente complesse, dove uno spessore maggiore potrebbe risultare difficilmente compatibile con il dettaglio esistente.
Questo non significa che uno strato sottile “elimini automaticamente il ponte termico”. La correzione deve essere valutata sulla configurazione reale del nodo. Il caso di Via Vincenzo Monti mostra però come il basso spessore possa facilitare la continuità dell’intervento proprio nei punti nei quali questa è più difficile da ottenere.
Ponti termici e continuità dell’isolamento
Uno degli aspetti più interessanti dell’applicazione di sistemi a basso spessore riguarda i dettagli costruttivi.
Come abbiamo visto nel §1.7, un ponte termico è una zona dell’involucro nella quale il flusso termico differisce rispetto alle parti circostanti a causa della geometria, della presenza di materiali differenti o della discontinuità dell’isolamento.
In molti casi il problema non consiste soltanto nell’isolare la superficie principale, ma nel riuscire a proseguire l’isolamento nei punti geometricamente più difficili.
Pensiamo, per esempio, a una finestra.
La parete può essere isolata efficacemente, ma il raccordo con le spallette presenta uno spazio disponibile molto più limitato. Interrompere completamente l’isolamento in quel punto può determinare una discontinuità termica.
Un materiale applicabile in spessori contenuti permette invece di proseguire il trattamento sulla spalletta e di raccordarlo alla superficie principale.
Figura 37. Schema del nodo finestra con Manti Ceramic applicato in continuità sulla parete e sulle spallette. Il basso spessore consente di trattare anche i raccordi e gli imbotti, dove lo spazio disponibile è ridotto, migliorando la continuità dell’isolamento.
Lo stesso principio può essere applicato, a seconda della configurazione dell’edificio, a:
imbotti → travi → pilastri → raccordi parete-solaio → nicchie → elementi architettonici.
Questo non significa che il materiale “elimini automaticamente i ponti termici”.
Significa qualcosa di tecnicamente più preciso:
Il basso spessore può facilitare la continuità dell’isolamento in corrispondenza di geometrie nelle quali lo spazio disponibile costituisce un vincolo progettuale.
La verifica dell’effettiva correzione del ponte termico deve essere effettuata sulla configurazione reale.
Edifici storici e facciate articolate
Negli edifici storici il problema dello spessore assume una dimensione ulteriore.
Cornici, fregi, marcapiani, modanature, imbotti e rapporti dimensionali tra gli elementi costituiscono parte dell’architettura della facciata.
Un intervento di isolamento deve quindi confrontarsi non soltanto con una prestazione termica richiesta, ma anche con la conservazione della geometria dell’edificio e con gli eventuali vincoli applicabili.
È uno dei contesti nei quali le nanotecnologie a basso spessore possono offrire possibilità progettuali particolarmente interessanti: la riduzione dell’ingombro permette di limitare l’alterazione geometrica e di seguire superfici che difficilmente potrebbero accogliere forti aumenti di spessore.
Questo non rende automaticamente qualsiasi prodotto nanotecnologico adatto a un edificio storico.
Devono comunque essere valutati supporto, compatibilità dei materiali, permeabilità al vapore, comportamento all’acqua, finitura, requisiti normativi ed eventuali prescrizioni di tutela.
Il vantaggio del basso spessore deve quindi essere inserito all’interno di una valutazione progettuale complessiva.
Temperatura superficiale, comfort e rischio di condensa
L’effetto dell’isolamento non riguarda soltanto la quantità di energia che attraversa una parete.
Come abbiamo visto nel §1.9, la temperatura delle superfici interne influenza direttamente il comfort percepito.
In inverno, una superficie interna molto fredda aumenta lo scambio radiativo tra il corpo umano e la parete e può inoltre avvicinarsi alla temperatura di rugiada dell’aria interna.
Ridurre il trasferimento termico attraverso l’involucro può contribuire a mantenere temperature superficiali interne più favorevoli, con due conseguenze potenzialmente importanti:
maggiore uniformità delle temperature superficiali → migliore comfort radiante
e
temperatura superficiale più distante dal punto di rugiada → riduzione del rischio di condensa superficiale
È però importante mantenere correttamente il rapporto causa-effetto.
Un isolante non “elimina la condensa” per definizione. Il rischio dipende dalla temperatura superficiale, dalla temperatura e dall’umidità dell’aria, dalla geometria del nodo e dalle condizioni di utilizzo dell’ambiente.
La verifica deve quindi essere termoigrometrica, non commerciale.
Non soltanto inverno: il comportamento estivo
L’applicazione delle nanotecnologie all’involucro può essere rilevante anche durante la stagione estiva.
In questo caso entrano in gioco, oltre alla conduzione attraverso la stratigrafia, radiazione solare, proprietà superficiali, inerzia dell’edificio, ventilazione e condizioni climatiche.
Per superfici fortemente esposte alla radiazione solare — in particolare coperture e facciate — le proprietà radiative della superficie possono assumere un ruolo significativo nel bilancio energetico.
Parametri come riflettanza solare, emissività e Solar Reflectance Index (SRI) descrivono aspetti differenti da λ e non devono essere confusi con la conducibilità termica.
Un materiale può quindi presentare contemporaneamente proprietà relative alla conduzione attraverso lo strato e proprietà relative all’interazione della superficie con la radiazione solare.
Sono fenomeni diversi e devono essere misurati con parametri e metodi differenti.
Questo tema sarà ripreso nel Capitolo 4 dedicato a prestazioni, prove e certificazioni.
Continuità, forma e applicazione
C’è infine una caratteristica dell’isolamento applicato in forma continua che merita attenzione.
Un materiale applicato a spatola, rullo o spruzzo può seguire direttamente la superficie sulla quale viene posato. Non presenta necessariamente la stessa logica di giunti e raccordi di un sistema costituito da elementi prefabbricati.
Questo può facilitare la realizzazione di uno strato continuo anche su superfici irregolari o geometricamente complesse, purché il supporto sia adeguatamente preparato e siano rispettati spessori e modalità di posa previsti dal sistema.
La continuità geometrica dell’applicazione non deve però essere confusa con una garanzia automatica di prestazione.
La qualità finale dipende dalla corretta esecuzione:
preparazione del supporto → applicazione → controllo dello spessore → continuità → essiccazione → finitura.
In un prodotto applicato in opera, quindi, la posa fa parte del sistema prestazionale.
Dalla tecnologia al progetto
Le nanotecnologie introducono nell’isolamento edilizio una possibilità progettuale che va oltre il semplice concetto di materiale più sottile.
Una microstruttura capace di ottenere basse conducibilità può consentire di concentrare la prestazione in spessori contenuti. Quando questa caratteristica viene trasferita all’edificio, può diventare possibile seguire geometrie complesse, mantenere la continuità nei raccordi, limitare l’ingombro interno e intervenire su elementi architettonici sensibili allo spessore.
Ma il percorso corretto rimane sempre:
PRESTAZIONE DEL MATERIALE → STRATIGRAFIA → DETTAGLIO COSTRUTTIVO → POSA → PRESTAZIONE DELL’INTERVENTO
È questo passaggio che trasforma una proprietà misurata in laboratorio in una soluzione di isolamento termico realmente progettata per l’edificio.
