Il existe de nombreux types d'isolants utilisés dans le monde entier pour des applications variées. Parmi les matériaux isolants utilisés, on trouve les mousses (polystyrène, polyuréthane, polyisocyanurate et polyéthylène), les fibres (verre, laine minérale, cellulose, silice) et les poudres.
Résumé
Ces matériaux sont utilisés dans de nombreuses configurations différentes. Parmi celles-ci, on trouve des panneaux semi-rigides à rigides, des blocs, des matériaux soufflés et des panneaux sous vide. La meilleure isolation dépend de l'application spécifique.
L'isolation est utilisée pour réduire le flux d'énergie dans de nombreuses applications. Ses principales utilisations sont la construction, l'électroménager et le transport de marchandises. La performance d'une isolation est généralement mesurée par deux facteurs : la valeur R et la conductivité thermique. La valeur R est couramment utilisée pour décrire l'isolation utilisée dans le bâtiment et la construction. Plus la valeur R est élevée, meilleur est l'isolant. La conductivité thermique est plus fréquemment utilisée pour décrire le transport de marchandises et les applications scientifiques, notamment dans les produits pharmaceutiques et des sciences de la vie. La conductivité thermique est la vitesse de transfert de chaleur à travers un matériau. Plus la valeur de conductivité thermique est faible, meilleur est l'isolant. Dans ce livre blanc, nous aborderons l'utilisation de panneaux isolants sous vide dans le transport de produits pharmaceutiques et des sciences de la vie.
Lorsqu'une régulation thermique prolongée est nécessaire, le VIP constitue un isolant de qualité supérieure. Quatre facteurs principaux déterminent la performance du VIP : son efficacité isolante : le film barrière, le matériau de l'âme, les dessiccants/getters et le niveau de vide.
Image reproduite avec l'aimable autorisation d'Avery Dennison-Hanita.
Le niveau de vide
Le niveau de vide est la première lettre du terme VIP (panneau isolé sous vide). Le vide est défini comme un espace exempt de particules. L'efficacité du vide pour maintenir une température peut être démontrée par une bouteille thermos traditionnelle qui garde votre boisson préférée chaude ou froide toute la journée, ou par une bouteille thermos qui garde votre soupe chaude ou votre dessert préféré froid jusqu'au moment de passer à table. Cette même théorie minimise le transfert d'énergie d'un côté à l'autre d'un panneau isolé sous vide. C'est ce qui maintient le froid d'un côté et le chaud de l'autre. Lors de la fabrication du VIP, l'espace entre les deux couches du film barrière est évacué afin d'éliminer autant que possible les particules d'air et de vapeur d'eau. Le vide est mesuré par rapport à la pression atmosphérique. Plus la différence entre la pression intérieure du VIP et la pression atmosphérique est importante, meilleures seront les performances du VIP.
Le film Barrière
Le matériau qui sépare l'intérieur du VIP de l'atmosphère extérieure et maintient le vide est le film barrière. Ce film a pour but de minimiser le transfert de particules (air et vapeur d'eau) entre l'intérieur et l'extérieur du VIP, maintenant ainsi le vide. Généralement, deux films barrière sont utilisés et scellés ensemble pour former une enveloppe. La ou les couches de structure du film constituent une barrière, comme indiqué précédemment, ainsi qu'une couche d'étanchéité pour éviter toute fuite entre les couches intérieure et extérieure du panneau. Le film barrière contient également le matériau de base à l'intérieur de l'enveloppe et contribue à définir la forme du panneau. Le film barrière est généralement une structure stratifiée multicouche, potentiellement composée de nombreux types de matériaux différents.
Parmi les matériaux couramment utilisés, on trouve le polypropylène, le polyéthylène, le nylon, l'aluminium, le PET (polyéthylène téréphtalate) et leurs combinaisons. Ces couches sont combinées pour former la barrière la plus efficace contre le transfert de particules de l'extérieur vers l'intérieur. De nombreuses combinaisons sont possibles selon les exigences et les souhaits spécifiques du fabricant, allant d'une seule couche à sept ou neuf couches.
Une autre préoccupation des concepteurs est l'« effet de bord » causé par le type de film barrière utilisé. Nombre des structures de films barrières les plus performantes utilisent des couches métalliques, qui constituent d'excellentes barrières pour empêcher le transfert de particules. En revanche, ces couches métalliques sont également d'excellents conducteurs d'énergie. Elles peuvent transférer de l'énergie d'un côté du VIP vers l'autre (effet de bord), ce qui compromet en grande partie l'objectif du VIP. Il existe de nombreuses méthodes pour minimiser ou prévenir cet « effet de bord », en modifiant les couches du film barrière, voire en utilisant différents types de films de chaque côté du VIP. Les meilleurs films barrières offrent une barrière sous vide efficace tout en minimisant l'effet de bord.
Le matériau de base
Le troisième composant majeur des panneaux isolants sous vide est le matériau de l'âme. Ce matériau doit être suffisamment dense pour conserver sa forme sous vide, sans toutefois compromettre le transfert d'énergie à travers l'épaisseur du panneau. Au fil des ans, de nombreux matériaux ont été utilisés pour le composant de l'âme des panneaux isolants sous vide. Parmi ces matériaux, on trouve les fibres de verre, les fibres de silice, les mousses, la laine minérale et de verre, ainsi que les poudres, la silice pyrogénée ou pyrogénée et les aérogels de silice. Les meilleurs matériaux de l'âme sont des structures microporeuses qui n'offrent pas un chemin continu pour le transfert d'énergie d'une surface à l'autre et perturbent le flux énergétique. Une structure microporeuse permet d'éliminer toutes les particules qui transféreraient l'énergie lors du processus d'évacuation. Un bon matériau de l'âme assure également une stabilité dimensionnelle constante et rigoureuse et résiste à la pression du vide dans le panneau. Cette stabilité dimensionnelle garantit des dimensions constantes et un ajustement parfait lors de la construction de boîtes et de conteneurs d'expédition utilisant du VIP.
Le dessiccant et/ou le getter
Le quatrième composant essentiel des panneaux isolants sous vide est le dessiccant et/ou le getter. Ces composants ont pour fonction d'absorber la vapeur d'eau (dessiccant) ou les particules gazeuses (getter) éventuellement présentes à l'intérieur du panneau sous vide, ainsi que celles qui pourraient pénétrer dans le panneau scellé par le joint ou en raison de la perméabilité du film barrière. De nombreux matériaux sont utilisés pour les dessiccants et les getters, notamment l'oxyde de calcium, la zéolite et le gel de silice. Les getters peuvent être conçus en fonction des gaz spécifiques qu'ils sont censés absorber.
Conclusion
Le choix des matériaux VIP peut être adapté à chaque application. Il a été démontré que des conductivités thermiques allant jusqu'à 1.15 mW/mK (R > 95) sont possibles grâce à une combinaison judicieuse de matériau d'âme en microfibres de verre, de niveau de vide, de dessiccants/getters et de structure du film barrière. La longévité, la durabilité, le niveau d'isolation et le coût sont des critères déterminants pour déterminer le type de VIP le mieux adapté à une application donnée.
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