• Articolo Roma, 14 maggio 2019
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    Materiali superisolanti a base aerogel

  • Analisi dello stato dell’arte dei sistemi isolanti con aerogel dai prodotti cementizi e intonaci idraulici ai sottili pannelli isolanti

Materiali superisolanti a base aerogel

Figure 1: Granuli di aerogel (a sinistra) e pannelli sottili in fibra di vetro con aerogel (a destra), entrambi creati presso la Ryerson University tramite tecnica APD (disidratazione a pressione ambientale).

 

Un obiettivo prioritario nel settore delle tecnologie per l’edilizia resta quello dello sviluppo di materiali innovativi in grado di garantire significativi risparmi energetici e miglioramento del confort abitativo. In questo settore, i prodotti additivati con aerogel sono spesso indicati come materiali promettenti per ottenere un’alta resistenza termica dell’involucro edilizio. Questo articolo si pone l’obiettivo di descrivere lo stato dell’arte dei sistemi isolanti con aerogel, analizzando prodotti cementizi e intonaci idraulici in raffronto a sottili pannelli isolanti, ritenuti ad oggi tra i sistemi superisolanti più promettenti, con prestazioni di conducibilità termica poco superiori a 0,010 W/(mK) rilevate a seguito di misure di conducibilità eseguite su diverse tipologie di pannelli.

 

Nel tentativo di garantire il raggiungimento di significative riduzioni dei consumi energetici globali  è stata rivolta crescente attenzione al settore dell’edilizia.

In questo quadro, appaiono fondamentali le ricerche relative a nuovi prodotti isolanti che permettano di realizzare involucri edilizi ad alte prestazioni con spessori sottili. Infatti, mentre i comuni materiali isolanti hanno valori di conducibilità termica intorno a 0,05 W/mK, la recente attenzione dei laboratori di tutto il mondo si è spostata sui cosiddetti superisolanti, ossia su quei materiali, come gli aerogel, con una conducibilità termica inferiore a 0,02 W/mK (e spesso inferiore a 0,01 W/mK).

 

Gli aerogel sono materiali nanostrutturati sintetici altamente porosi, ispirati a un brevetto di Steven Kistler del 1931. Il termine aerogel deriva dal gel di cui sono costituiti, in cui la componente liquida del gel viene poi sostituita con un gas, conferendo al prodotto finale un aspetto di “fumo condensato” o “nebbia solidificata”. Rispetto a qualsiasi altro materiale conosciuto, l’aerogel ha la più alta porosità, la più alta superficie specifica e la più bassa densità, tipicamente inferiore a 100 kg/m3. La loro bassa conducibilità termica è il risultato dell’elevata porosità e della nano dimensione dei pori. Purtroppo per la loro fragilità dovuta ad una bassa resistenza a trazione e per i costi elevati rispetto ai materiali tradizionali, trovano maggior impiego in accoppiamento ad altri materiali (Fig.1).

 

 

Mercato degli Aerogel

Il principale vantaggio offerto da questi materiali è dato dalle eccezionali proprietà termiche che garantiscono la possibilità di notevoli prestazioni in ridotti spessori. In particolare, garantiscono un notevole risparmio di spazio durante la riqualificazione degli edifici dall’interno, fornendo un’alta resistenza termica in strati sottili.

Ad oggi l’elevato costo (causato dai processi di sintesi del gel e dai successivi cicli di disidratazione) rispetto ai materiali tradizionali, resta il fattore maggiormente limitante per la  loro diffusione, che tuttavia sta registrando un aumento costante negli anni recenti. Per fare qualche riferimento, il prezzo di un pannello in aerogel di spessore 13 mm si aggira tra i 25 e i 35 €/m2.

 

Il mercato globale per aerogel a base di silice è stato stimato pari a 307,5 ​​milioni di dollari (americani) nel 2014, 427 milioni di dollari nel 2016 e si prevede raggiungerà quota 1,92 miliardi entro il 2022, con una crescita annuale superiore al 10%. Al giorno d’oggi, il settore principale di questo mercato è rappresentato dall’isolamento di condotte industriali (specie nel settore dell’estrazione di idrocarburi), sebbene le applicazioni in edilizia stiano aumentando considerevolmente.

 

Proprietà degli Aerogel

Gli aerogel sono gel essiccati con una porosità eccezionalmente elevata, che consente loro di avere una conducibilità termica inferiore rispetto all’aria (~0,01-0,02 W/mK), ottenuta bilanciando la bassa conducibilità dello scheletro solido e la bassa conducibilità della (residua) componente gassosa.

E’ così che nanopori con diametri di poche decine di nanometri occupano dall’85% fino al 99,9% del volume totale, restituendone un materiale ad elevata porosità con proprietà fisiche, termiche, ottiche e acustiche uniche, ma anche resistenze meccaniche ridotte. Per questo motivo, gli aerogel sono tipicamente incorporati in una matrice di fibre più forti, per migliorarne la resistenza complessiva suggerendone l’uso nel settore edile, in strati isolanti come pannelli, o in intonaci come malte e intonaci.

Allo stesso tempo, grazie alle caratteristiche traslucide, è stata proposta la loro introduzione nei sistemi vetrati sia utilizzando aerogel monolitici che di tipo granulare.

 

Tabella 1 Principali proprietà degli aerogel più comuni nel settore delle costruzioni l’aerogel in silice.

 Proprietà Valore (da .. – a ..)
Densità 3 – 350 kg/m3
Diametro dei pori 1 – 100 nm
Diametro delle particelle dei pori 2 – 5 nm
Diametro medio dei pori 20 – 40 nm
Porosità 85 – 99.9 %
Conducibilità termica 0.01 – 0.02 W/m K
Diametro delle particelle primarie 2 – 4 nm
Superficie 600 – 1000 m2/g
Resistenza alla trazione 16 kPa
Forza di compressione 300 kPa
Coefficiente di espansione lineare 2 to 4 × 10 -6

 

 

 

Sistemi opachi con Aerogel

Malte cementizie con aerogel

Tipicamente, il calcestruzzo ha conducibilità termiche elevate che variano tra 1,7 e 2,5 W / mK, pertanto necessita di strati di isolamento termico per ottenere proprietà isolanti adeguate. Le recenti ricerche sulle malte e sui calcestruzzi con aerogel hanno quindi mirato a progettare nuove miscele leggere che garantiscano un’adeguata resistenza alla compressione e buon isolamento termico.

Il gruppo di ricerca BeTOP dell’Università Ryerson con la collaborazione di ricercatori e studenti dell’Universita’ di Bologna ha studiato nuove miscele di calcestruzzo additivati con aerogel e cemento Portland, per realizzare numerosi campioni di malte con l’impiego di aggregati naturali ( diametro massimo di 4,75 mm), superfluidificanti per mantenere la consistenza e la lavorabilità della miscela (Figure 3-4) e additivi aeranti. Ciò ha permesso una riduzione dell’acqua di miscelazione senza perdita meccaniche.

La resistenza alla compressione dei campioni di malta standard senza aerogel era di circa 50 Mpa. Questa si è dimezzata aggiungendo la miscela aerante come mostrato in Fig.5. Parallelamente si è notato come la conducibilità termica diminuiva linearmente all’aumentare della quantità di aerogel nell’impasto.

 

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Fig 3: Preparazione di calcestruzzi leggeri con aerogel.

 

 

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Fig 4: Esempi di calcestruzzi leggeri potenziati con aerogel (Berardi et al., 2017) (da sinistra a destra, il mix conteneva 5%, 30%, 33% e 26% di aerogel).

 

 

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Fig 5: Proprietà del calcestruzzo leggero potenziato con aerogel basato su diverse pubblicazioni (Berardi et al., 2017).

 

 

 

Intonaci con aerogel

Gli intonaci rinforzati con aerogel hanno il vantaggio di essere semplici da implementare e flessibili rispetto alle superfici irregolari, consentendo di creare uno strato continuo di isolamento termico riempiendo gli spazi e le giunture dell’involucro di un edificio.

La bassa densità degli intonaci a base di aerogel permette l’applicazione di strati spessi (superiori a 5 cm) con griglie interne in fibra di vetro, creando un isolamento adeguato, specialmente in circostanze in cui altri materiali isolanti tradizionali trovano difficoltà d’impiego, ad esempio su costruzioni irregolari, facciate di pregio architettonico o volte. A causa della natura idrofobica dell’aerogel, gli intonaci rinforzati con aerogel hanno anche il vantaggio di essere idrorepellenti, evitando l’assorbimento di acqua, mentre sono permeabili al vapore acqueo e più traspiranti rispetto agli intonaci convenzionali.

Un intonaco rinforzato con l’aerogel comunemente utilizzato è stato sviluppato presso l’Istituto Federale Svizzero EMPA (ed è oggi commercializzato con il nome di FIXIT 222). Questo materiale utilizza più del 50% vol. aerogel di silice e ha una conducibilità termica di 0,028 W / (mK); ha superato efficacemente numerose esperienze applicative dal 2013, vedendo al contempo il suo prezzo ridursi in modo significativo (il prezzo attuale è compreso tra 100 e 150 € per un sacco da 50 litri, ovvero circa 2 o 3 € per chilogrammo secco), così da presentarsi oggi quale valida alternativa tra gli intonaci termoisolanti.

Recentemente, presso la Ryerson University, è stato prodotto un intonaco rinforzato con aerogel mescolando intonaci a base di calce idraulica con aerogel di silice granulare in percentuali diverse (dal 25% al ​​95% in volume) e utilizzando granuli di aerogel brevettati.

 

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Fig 6: Alcuni campioni di intonaci con aerogel (da sinistra a destra, il mix conteneva 5%, 25%, 50% e 70% di aerogel).

 

I risultati dei test di conducibilità termica di questi prodotti hanno confermato una relazione lineare tra la densità dell’intonaco e la conducibilità termica risultante (Tabella 2). La conducibilità termica ha assunto valori inferiori a 0,03 W/(mK) miscelando più del 70% vol. di granuli di aerogel.

 

Tabella 2. Principali proprietà di diversi intonaci con aerogel (Nosrati e Berardi, 2018).

Mix Composizione Aerogel

(vol.%)

Densita’

(kg/m3)

Conducibilità termica (W/mK)
Intonaci

(l)

Aerogel

(l)

Acqua

(l)

Intonaco idraulico 6 0 2.174 0 1109.8 0.2032
Intonaco idraulico + 25% aerogel 5 2.5 2.7 25 735.6 0.1151
Intonaco idraulico + 50% aerogel 2 3.5 1.26 50 501.0 0.0687
Intonaco idraulico + 70% aerogel 0.4 1.5 0.3 70 260.7 0.0311

 

 

Figure 7: Conducibilità termica e densità degli intonaci rinforzati con aerogel in funzione del contenuto di aerogel (Nosrati e Berardi, 2018).

Figure 7: Conducibilità termica e densità degli intonaci rinforzati con aerogel in funzione del contenuto di aerogel (Nosrati e Berardi, 2018).

 

 

Pannelli con aerogel

Per rafforzare le proprietà di trazione degli aerogel di silice da utilizzare come materiale isolante, è stato recentemente proposto di rinforzare gli aerogel con materiali meccanicamente più resistenti e matrici di fibre non tessute come vetro, fibre minerali o carbonio. Quando le fibre o la matrice fibrosa vengono aggiunte alla miscela pre-gel che contiene i precursori del gel, il composito essiccato risultante è un pannello di aerogel.

 

 

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Fig 8: Pannelli isolanti con aerogel: Cryogelx201 (sinistra) e Dow Corning HPI1000 (destra).

 

 

La conducibilità termica dei pannelli di aerogel attualmente reperibili sul mercato è di circa 0,015 W /mK. Ad esempio, Spaceloft sviluppato da Aspen Aerogels, Inc. è ​​un pannello flessibile rinforzato con fibre, con una conducibilità termica dichiarata di 0,013 W /mK a 0 ° C; altri pannelli di aerogel sono Cryogel®Z di Aspen, disponibili in 5 mm e 10 mm di spessore e idonei per applicazioni industriali a temperature inferiori; e Thermal-WrapTM, disponibile in 5 e 8 mm di spessore da Cabot Corporation. La conducibilità termica di questi due prodotti è rispettivamente di 0,014 W /mK e 0,023 W /mK.

I principali produttori mondiali di pannelli di aerogel sono Aspen Aerogel, Inc., Cabot Corporation, Svenska Aerogel AB, Acoustiblok UK Ltd., Active Space Technologies e Airglass AB.

I pannelli con aerogel potenziato non mostrano alcuna granularità dell’aerogel, dal momento che le particelle di aerogel sono chimicamente attaccate alla matrice di fibra di vetro mentre la maggior parte delle pannelli di aerogel disponibili in commercio sono realizzati in silice amorfa e di solito sono soggette a fenomeni limitati di polverizzazione .

 

 

Tabella 3. Principali proprietà dei diversi tipi di pannelli con aerogel disponibili sul mercato.

Nome commerciale Azienda Composizione fibre Densità (kg/m3) λ

(W/mK)

Thermal Wrap Cabot Polyestere and PET ~70 0,023
Cryogel x201 Aspen aerogel Polyester/fiber glass ~130 0,014
Cryogel Z Aspen aerogel PET / fibrous glass ~160 0,014
Dow Corning HPI 1000 Dow Corning Fiber glass 160 0,015
Pyrogel HPS Aspen aerogel Fiber glass ~200 0, 014
Pyrogel XTE Aspen aerogel Fiber glass ~200 0, 014
Pyrogel XTF Aspen aerogel Fiber glass ~200 0, 014
Spaceloft Aspen aerogel Polyester/fiber glass ~151 0,015
Silica aerogel fiberglass blanket, SACB-0-X Joda Fiber glass <300 0,016
Silica aerogel ceramic fiber blanket, SACTT-X Joda Ceramic fiber <301 0,016

 

 

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Fig 9: Conducibilità termica per diversi pannelli con aerogel (valori dichiarati dai produttori).

 

 

Fig 10. Applicazione di un pannello con aerogel in un edificio residenziale in Italia: l’applicazione viene eseguita prima con colla (un sigillante siliconico) e poi con elementi di fissaggio meccanico.

 

 

Conclusioni

Questo breve sommario ha l’ambizione di riassumere diverse attività di ricerca in corso, che hanno già portato alla produzione di prodotti potenziati con aerogel per la costruzione di sistemi opachi. Una panoramica dei diversi sistemi è stata quindi realizzata con l’intento di fornire un quadro aggiornato dello stato attuale sulle tecniche e i possibili usi dei prodotti potenziati con aerogel. In Europa, diversi progetti di ricerca internazionali sono stati finanziati nell’ambito del programma Horizon 2020, per esaminare nuove formulazioni di materiali da costruzione con aerogel, concentrandosi in particolare sulle prestazioni a lungo termine dei nuovi prodotti, sulla loro resistenza meccanica e conducibilità termica.

 

Andando avanti, i seguenti tre aspetti sembrano rappresentare le sfide di ricerca più preziose:

  1. è necessario sviluppare ulteriormente strati sottili potenziati con aerogel, come rivestimenti e vernici, per ampliare le possibilità di utilizzare l’aerogel negli involucri degli edifici al fine di migliorare l’efficienza termica negli edifici di nuova costruzione così come in interventi di ristrutturazione. A questo proposito, recentemente sono già in via di avanzata sperimentazione vernici e paste a base acquosa con aerogel;

  2. ridurre il prezzo, ad esempio, considerando l’utilizzo di processi che non necessito di condizioni supercritiche, e che possano avvenire in condizioni ambientali standard, è un tema fondamentale per garantire maggiori vantaggi competitivi nell’adozione di prodotti con aerogel;
  3. monitoraggio continuo delle prestazioni a lungo termine dei prodotti potenziati da aerogel così da fornire agli utilizzatori finali tutte le assicurazioni necessarie circa la resilienza di questi materiali da costruzione innovativi.

 

BIBLIOGRAFIA

 

di Prof. Umberto Berardi, BeTOP Lab, Ryerson University, Toronto, Ontario, Canada e Prof. Ing. Massimo Garai, Dipartimento di Ingegneria Industriale, Universita’ di Bologna

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