Existem muitos tipos de isolamento utilizados em todo o mundo, em diversas aplicações. Os tipos de materiais isolantes utilizados incluem espumas (poliestireno, poliuretano, poliisocianurato e polietileno), fibras (vidro, lã mineral, celulose, sílica) e pós.
Resumo
Esses materiais são utilizados em diversas configurações. Entre elas, destacam-se placas semirrígidas a rígidas, blocos, materiais insuflados e painéis a vácuo. O melhor isolamento depende da aplicação específica.
O isolamento é usado para reduzir o fluxo de energia em diversas aplicações. Seus principais usos incluem construção, eletrodomésticos e transporte de mercadorias. O desempenho do isolamento é medido comumente por dois fatores: valor R e condutividade térmica. O valor R é comumente usado ao discutir o isolamento usado na construção civil. No caso do valor R, quanto maior o número, melhor o isolante. O valor da condutividade térmica é mais frequentemente usado ao discutir o transporte de mercadorias e aplicações científicas, particularmente em produtos farmacêuticos e de ciências biológicas. A condutividade térmica é a taxa na qual o calor é transferido através de um material. Quanto menor o valor da condutividade térmica, melhor o isolante. Neste whitepaper, abordaremos o uso de painéis de isolamento a vácuo no transporte de produtos farmacêuticos e de ciências biológicas.
Quando é necessário um controle de temperatura de longa duração, o VIP é um isolante superior. Existem quatro fatores principais que determinam o desempenho do VIP em relação à sua eficácia como isolante: a película de barreira, o material do núcleo, os dessecantes/getters e o nível de vácuo.
Imagem cortesia de Avery Dennison-Hanita.
O Nível de Vácuo
O nível de vácuo é a primeira letra do termo VIP (Painel Isolado a Vácuo). O vácuo é definido como um espaço sem partículas. A eficácia do vácuo em manter a temperatura pode ser demonstrada pelo recipiente térmico tradicional que manteria sua bebida favorita quente ou fria o dia todo ou pela garrafa térmica que manteria sua sopa quente ou sobremesa favorita fria até a hora de comer. Essa mesma teoria é o que minimiza a transferência de energia de um lado para o outro de um painel isolado a vácuo. É isso que mantém o frio de um lado e o quente do outro. Durante o processo de fabricação do VIP, o espaço entre as duas camadas do filme de barreira é evacuado para remover o máximo possível de partículas de ar e vapor d'água. O vácuo é medido em relação à pressão atmosférica. Quanto maior a diferença entre a pressão interna do VIP e a pressão atmosférica, melhor será o desempenho do VIP.
O Filme da Barreira
O material que separa o interior do VIP da atmosfera externa e mantém o vácuo é o filme de barreira. O objetivo do filme de barreira é minimizar a transferência de partículas (ar e vapor d'água) entre o interior e o exterior do VIP, mantendo assim o vácuo. Geralmente, duas peças de filme de barreira são usadas e seladas para formar um envelope. A(s) camada(s) da estrutura do filme fornece(m) uma barreira, conforme discutido, bem como uma camada de vedação para garantir que não ocorra vazamento entre as camadas interna e externa do painel. O filme de barreira também contém o material do núcleo na parte interna do envelope e ajuda a definir o formato do painel. O filme de barreira geralmente é uma estrutura laminada multicamadas, potencialmente composta por muitos tipos diferentes de materiais.
Exemplos de diferentes materiais comumente utilizados são polipropileno, polietileno, náilon, alumínio, PET (tereftalato de polietileno) e combinações destes. Essas camadas são combinadas para fornecer a barreira mais eficaz para impedir a transferência de partículas de fora para dentro. Muitas combinações diferentes são utilizadas, dependendo dos requisitos e desejos específicos do fabricante, desde uma única camada até sete ou nove camadas.
Uma preocupação adicional dos projetistas é o "efeito de borda" causado pelo tipo de filme de barreira utilizado. Muitas das estruturas de filme de barreira mais eficazes utilizam camadas de material metálico, que são excelentes barreiras para impedir a transferência de partículas. Por outro lado, essas camadas metálicas também são excelentes condutoras de energia. Essas camadas podem transferir energia de um lado, da borda do VIP para o outro lado (efeito de borda), e essencialmente anular grande parte da finalidade do VIP. Existem muitos métodos diferentes para minimizar ou prevenir a ocorrência desse "efeito de borda", modificando as camadas do filme de barreira e até mesmo utilizando diferentes tipos de filme em cada lado do VIP. Os melhores filmes de barreira proporcionam uma barreira de vácuo eficaz, além de minimizar o efeito de borda.
O material central
O terceiro componente principal dos painéis isolados a vácuo é o material do núcleo. O material do núcleo deve ser denso o suficiente para manter sua forma no vácuo, mas não tão denso a ponto de transferir energia através da espessura do painel. Ao longo dos anos, diversos materiais têm sido utilizados como componente central em painéis a vácuo. Esses materiais incluem fibras de vidro, fibras de sílica, espumas, lã mineral e de vidro, bem como pós, sílica pirogênica ou pirogênica e aerogéis de sílica. Os melhores materiais para o núcleo são estruturas microporosas que não fornecem um caminho contínuo para a transferência de energia de uma superfície para a outra, interrompendo o fluxo de energia. Uma estrutura microporosa permite que todas as partículas que transfeririam energia sejam removidas durante o processo de evacuação. Um bom material para o núcleo também fornecerá estabilidade dimensional consistente e firme, além de suportar a pressão do nível de vácuo no painel. A estabilidade dimensional permitirá dimensões consistentes e um bom encaixe firme na construção de caixas e contêineres de transporte utilizando VIP.
O dessecante e/ou getter
O quarto componente essencial dos painéis isolados a vácuo é um dessecante e/ou absorvedor. A função desses componentes é absorver qualquer vapor d'água (dessecante) ou partículas gasosas (absorvedor) que ainda possam estar presentes no interior do painel a vácuo, bem como absorver aquelas partículas que possam entrar no painel selado através da emenda ou devido à permeabilidade do material da película de barreira. Existem muitos tipos diferentes de materiais usados para dessecantes e absorvedores, entre eles óxido de cálcio, zeólita e sílica gel. Os absorvedores podem ser projetados para os gases específicos que devem absorver.
Conclusão
A escolha dos materiais VIP pode ser personalizada para cada aplicação. Foi demonstrado que condutividades térmicas de até 1.15 mW/mK (R > 95) são possíveis com a combinação adequada de material do núcleo de microfibra de vidro, nível de vácuo, dessecantes/getters e estrutura do filme de barreira. Considerações sobre longevidade, durabilidade, nível de isolamento e custo ajudarão a determinar qual tipo de VIP é melhor para uma determinada aplicação.
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