Esistono molti tipi di isolanti utilizzati in tutto il mondo in molteplici applicazioni. I tipi di materiali isolanti utilizzati includono schiume (polistirene, poliuretano, poliisocianurato e polietilene), fibre (vetro, lana minerale, cellulosa, silice) e polveri.
Sintesi
Questi materiali vengono utilizzati in molte configurazioni diverse. Tra queste, pannelli semirigidi e rigidi, blocchi, materiali insufflati e pannelli sottovuoto. L'isolamento migliore dipende dalla specifica applicazione.
L'isolamento viene utilizzato per ridurre il flusso di energia in diverse applicazioni. Gli usi principali includono l'edilizia, gli elettrodomestici e il trasporto di merci. Le prestazioni dell'isolamento vengono comunemente misurate da due fattori: il valore R e la conduttività termica. Il valore R è comunemente utilizzato quando si parla di isolamento utilizzato in edilizia e costruzioni. Nel caso del valore R, maggiore è il numero, migliore è l'isolante. Il valore di conduttività termica è più frequentemente utilizzato quando si parla di trasporto di merci e applicazioni scientifiche, in particolare nei prodotti farmaceutici e delle scienze biologiche. La conduttività termica è la velocità con cui il calore viene trasferito attraverso un materiale. Più basso è il valore di conduttività termica, migliore è l'isolante. In questo white paper, analizzeremo l'utilizzo di pannelli isolanti sottovuoto nel trasporto di prodotti farmaceutici e delle scienze biologiche.
Quando è richiesto un controllo della temperatura a lungo termine, il VIP è un isolante di qualità superiore. Sono quattro i fattori principali che determinano le prestazioni del VIP: la sua efficacia come isolante, il film barriera, il materiale del nucleo, gli essiccanti/getter e il livello di vuoto.
Immagine per gentile concessione di Avery Dennison-Hanita.
Il livello del vuoto
Il livello di vuoto è la prima lettera del termine VIP (Vacuum Insulated Panel). Il vuoto è definito come uno spazio privo di particelle. L'efficacia del vuoto nel mantenere la temperatura può essere dimostrata dal tradizionale contenitore termico che mantiene la tua bevanda preferita calda o fredda per tutto il giorno, o dal thermos che mantiene la tua zuppa calda o il tuo dessert preferito freddo fino al momento del consumo. Questa stessa teoria è ciò che riduce al minimo il trasferimento di energia da un lato all'altro di un pannello isolato sotto vuoto. Questo è ciò che mantiene il freddo da un lato e il caldo dall'altro. Durante il processo di produzione del VIP, lo spazio tra i due strati della pellicola barriera viene evacuato per rimuovere la maggior quantità possibile di aria e particelle di vapore acqueo. Il vuoto viene misurato in relazione alla pressione atmosferica. Maggiore è la differenza tra la pressione interna del VIP e la pressione atmosferica, migliori saranno le prestazioni del VIP.
Il film Barrier
Il materiale che separa l'interno del VIP dall'atmosfera esterna e mantiene il vuoto è il film barriera. Lo scopo del film barriera è ridurre al minimo il trasferimento di particelle (aria e vapore acqueo) tra l'interno del VIP e l'esterno, mantenendo così il vuoto. Generalmente vengono utilizzati due strati di film barriera, sigillati insieme per formare un involucro. Gli strati della struttura del film forniscono una barriera, come discusso, nonché uno strato sigillante per garantire che non si verifichino perdite tra gli strati interno ed esterno del pannello. Il film barriera contiene anche il materiale del nucleo all'interno dell'involucro e contribuisce a definire la forma del pannello. Il film barriera è solitamente una struttura laminata multistrato, potenzialmente composta da molti tipi diversi di materiali.
Esempi di materiali diversi comunemente utilizzati sono polipropilene, polietilene, nylon, alluminio, PET (polietilene tereftalato) e loro combinazioni. Questi strati vengono combinati per fornire la barriera più efficace per impedire il trasferimento di particelle dall'esterno all'interno. Vengono utilizzate numerose combinazioni diverse a seconda dei requisiti e delle esigenze specifiche del produttore, da uno strato singolo fino a sette o nove strati.
Un'ulteriore preoccupazione dei progettisti è l'"effetto bordo" causato dal tipo di film barriera utilizzato. Molte delle strutture di film barriera più efficaci utilizzano strati di materiale metallico che costituiscono ottime barriere per impedire il trasferimento di particelle. D'altro canto, questi strati metallici sono anche ottimi conduttori di energia. Questi strati possono trasferire energia da un lato, attorno al bordo del VIP, all'altro lato (effetto bordo), vanificando sostanzialmente gran parte dello scopo del VIP. Esistono molti metodi diversi per ridurre al minimo o prevenire questo "effetto bordo", modificando gli strati del film barriera e persino utilizzando tipi di film diversi su ciascun lato del VIP. I migliori film barriera forniranno un'efficace barriera sottovuoto e ridurranno al minimo l'effetto bordo.
Il materiale del nucleo
Il terzo componente principale dei pannelli isolati sottovuoto è il materiale del nucleo. Il materiale del nucleo deve essere sufficientemente denso da mantenere la sua forma nel vuoto, ma non così denso da trasferire energia attraverso lo spessore del pannello. Nel corso degli anni, sono stati utilizzati molti materiali diversi per il componente del nucleo nei pannelli sottovuoto. Questi materiali includono fibre di vetro, fibre di silice, schiume, lana minerale e di vetro, nonché polveri, sia silice pirogena che pirogena e aerogel di silice. I migliori materiali del nucleo sono strutture microporose che non forniscono un percorso continuo per il trasferimento di energia da una superficie all'altra, interrompendo di fatto il flusso di energia. Una struttura microporosa consente di rimuovere tutte le particelle che trasferirebbero energia durante il processo di evacuazione. Un buon materiale del nucleo fornirà anche una stabilità dimensionale costante e solida e resisterà alla pressione generata dal livello di vuoto nel pannello. La stabilità dimensionale consentirà dimensioni costanti e garantirà una buona tenuta durante la costruzione di scatole e container per spedizioni utilizzando il sistema VIP.
L'essiccante e/o il getter
Il quarto componente essenziale dei pannelli isolati sottovuoto è un essiccante e/o un getter. Lo scopo di questi componenti è quello di assorbire il vapore acqueo (essiccante) o le particelle gassose (getter) eventualmente presenti all'interno del pannello sottovuoto, nonché quelle che potrebbero penetrare nel pannello sigillato attraverso la giunzione o a causa della permeabilità del film barriera. Esistono molti tipi diversi di materiali utilizzati per essiccanti e getter, tra cui ossido di calcio, zeolite e gel di silice. I getter possono essere progettati per i gas specifici che devono assorbire.
Conclusione
La scelta dei materiali VIP può essere personalizzata per ogni applicazione. È stato dimostrato che conduttività termiche fino a 1.15 mW/mK (R >95) sono possibili con la giusta combinazione di materiale del nucleo in microfibra di vetro, livello di vuoto, essiccanti/getter e struttura del film barriera. Considerare la longevità, la resistenza, il livello di isolamento e il costo contribuirà a determinare il tipo di VIP più adatto a una determinata applicazione.
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