Introduzione
I materiali isolanti tradizionali, come il polipropilene espanso e la lana di roccia, sono solitamente disponibili sotto forma di pannelli. Tuttavia, sono ampiamente utilizzati anche gli isolanti soffiati e sfusi per pavimenti e tetti.
Un esempio è rappresentato da un materiale isolante e livellante a base di canapulo bituminizzato. Oltre ai vantaggi meccanici e di lavorabilità, anche le proprietà termofisiche di un materiale giocano un ruolo decisivo nelle sue prestazioni. La conducibilità termica determina l’efficacia con cui il calore viene trasportato attraverso l’isolante o da esso trattenuto, aspetto importante per l’efficienza energetica e il comfort abitativo. Inoltre, la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica indica la quantità di calore che il materiale è in grado di immagazzinare e rilasciare nel tempo. Pertanto, una comprensione precisa di queste proprietà è essenziale per progettare in modo ottimale la struttura del pavimento e soddisfare in modo affidabile i requisiti della fisica delle costruzioni.
Metodo
Molti sistemi di misurazione incontrano difficoltà nel caratterizzare le proprietà termofisiche dei materiali sfusi, quali la conducibilità termica e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica. Una delle difficoltà è rappresentata dalla forma del materiale, mentre un’altra è il suo grado relativamente elevato di disomogeneità.
La conducibilità termica dei materiali isolanti può essere determinata in modo rapido e preciso utilizzando il metodo HFM (misuratore di flusso termico). In questo metodo, un campione, solitamente solido, viene posizionato tra piastre calde e fredde, ciascuna mantenuta a una temperatura specifica. Il flusso termico risultante viene misurato tramite sensori di flusso termico. Tenendo conto dello spessore del campione e dei fattori di calibrazione determinati in precedenza, si calcola la conducibilità termica del campione in vari punti di temperatura. La Figura 1 mostra un profilo di temperatura tipico, che include la conducibilità termica.
Come i materiali isolanti in pannelli, anche quelli sfusi vengono misurati in un telaio dotato di una base sottile. La base è talmente sottile che la sua resistenza termica può essere considerata trascurabile. Il telaio si trova all’esterno dell’area di misurazione, in modo da non influenzare la misurazione.
Il metodo DSC (calorimetria a scansione differenziale) è quello più comunemente utilizzato per determinare la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica. Tuttavia, le dimensioni del campione sono relativamente small, con un diametro di circa 4 mm e uno spessore di appena 1 mm per i materiali isolanti. Inoltre, per ottenere misurazioni precise sono necessari un peso iniziale elevato e un buon contatto tra il campione e il crogiolo. Questi tre fattori rendono la misurazione della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica dell’isolante sfuso mediante il metodo DSC poco pratico e difficile. L’HFM offre la soluzione giusta per questo tipo di campione. L’HFM è in grado di analizzare un volume large (ad es. diversi litri). Ciò rende la misurazione più rappresentativa. Inoltre, il metodo HFM opera in condizioni di stato stazionario. Nella determinazione della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, il contatto tra le piastre e il campione è meno critico rispetto a una misurazione DSC. Per la determinazionedi Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp, entrambe le piastre vengono mantenute alla stessa temperatura (ΔT pari a zero) fino a quando il flusso termico non è pari a zero. Successivamente, viene innescato un salto di temperatura di 10 K, ad esempio, per entrambe le piastre, e si lascia che il sistema raggiunga la temperatura finale fino a quando il flusso termico non torna a essere pari a zero. La quantità di calore aggiunta al variare della temperatura può essere utilizzata per misurare la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica del campione. La Figura 2 mostra il profilo di temperatura di questa misurazione. In questo caso,Qupper è il flusso termico attraverso il sensore sulla piastra superiore,Qlower è il flusso termico attraverso il sensore sulla piastra inferiore eQtotal è la somma dei flussi termici provenienti da entrambi i sensori. L’area sottoQtotal viene utilizzata per calcolare la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica.
Sperimentale
I materiali isolanti utilizzati per le misurazioni HFM vengono solitamente forniti sotto forma di pannelli. Tuttavia, questi materiali sono spesso disponibili anche sfusi, come nel caso del materiale isolante a base di canapa bitumizzata qui esaminato (vedi Figura 3).
È inoltre possibile determinare la conducibilità termica e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica di questi materiali. Per determinare la conducibilità termica, il materiale sfuso viene collocato in un telaio. Questo telaio si trova all’esterno dell’area di misurazione ed è quindi trascurabile durante la misurazione.
Inoltre, è possibile determinare anche la densità sulla base della geometria definita. La densità o il grado di compattazione del materiale influenzano in modo significativo la conducibilità termica e, nel caso dei materiali isolanti in generale, dovrebbero sempre essere registrati insieme ai risultati per consentire un confronto. Nel caso della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, tuttavia, un telaio può avere un’influenza non trascurabile sulla misurazione a causa della sua massa, che viene anch’essa riscaldata durante la misurazione graduale. Per questo motivo, il materiale sfuso viene inserito in un sacchetto di plastica molto sottile. La massa del sacchetto di plastica è molte volte inferiore a quella del campione ed è quindi trascurabile. Le altre condizioni di misura sono riassunte nella Tabella 1.
Tabella 1: Condizioni di misurazione della conducibilità termica e della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica dell'imbottitura isolante costituita da trucioli di canapa bituminizzati
| Conducibilità termica | Capacità termica specifica | |
| Strumenti ausiliari | Telaio | Sacchetto di plastica |
| Densità durante la misurazione | ~ 178 kg/m³ | n.d. |
| Quantità di campione | ~ 693 g | ~ 693 g |
| Programma di temperatura | 20 °C + 35 °C, ΔT = 20 K | 20 °C + 35 °C, ΔT = 15 K |
Risultati
Come illustrato nella Figura 4, i risultati mostrano la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica delle canne di canapa bitumizzate quando utilizzate come materiale sfuso. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica dell’imbottitura isolante in canne di canapa bitumizzate aumenta leggermente all’aumentare della temperatura, il che è coerente con il comportamento termico tipico dei materiali isolanti. La Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica rientra costantemente nell’intervallo compreso tra circa 1.500 e 1.630 J/(g·K) in entrambe le misurazioni ripetute (Prova 1 e Prova 2), mostrando un leggero aumento all’aumentare della temperatura. I valori determinati per questi materiali rientrano nell’intervallo tipico e previsto per i materiali isolanti sfusi bitumizzati a base biologica. Nel complesso, le misurazioni confermano la moderata conducibilità termica tipica dell’isolamento sfuso in fibra naturale, unita a una buona capacità di accumulo termico.
Sintesi
Le presenti misurazioni dimostrano che il HFM 706 Lambda Medium consente la determinazione precisa e pratica delle proprietà termofisiche di materiali isolanti difficili da misurare, come le paglie di canapa bitumizzate. A differenza del metodo DSC, il quale prevede un campione di dimensioni small inadatte per materiali sfusi non omogenei, l’HFM, con il suo volume del campione large, consente anche una misurazione rappresentativa e riproducibile della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica. Questo metodo di misurazione in regime stazionario fornisce risultati coerenti per la conducibilità termica (da 0,0547 a 0,0584 W/(m·K)) e della capacità termica specifica (da 1.500 a 1.630 J/(g·K)) in funzione della temperatura, che sono in buona concordanza con i valori attesi per i materiali isolanti di origine biologica. L’HFM 706 si rivela quindi un’alternativa affidabile ai metodi di prova convenzionali – in particolare per i materiali sfusi – per determinare in modo affidabile i parametri rilevanti per la fisica delle costruzioni.