Tipologie di materiali PCM: quali sono e che caratteristiche hanno

Quali sono le tipologie di materiali PCM esistenti sul mercato e che caratteristiche hanno in termini di prestazione? Ecco le domande a cui risponderemo oggi, proseguendo l'approfondimento sui materiali PCM iniziato nello scorso articolo "Materiali PCM- che cosa sono e come accumulano il calore".
La tipologia di materiali PCM a cui facciamo riferimento è quella a base solida-liquida, la più diffusa, che permette il passaggio da uno stato solido a uno stato liquido e viceversa. Questa tipologia di materiali PCM si distingue a sua volta in tre classi e rispettive sottoclassi, illustrate nell'immagine di cui sotto:

1. Materiali PCM organici
   1. Cere paraffine
   2. Materiali non paraffinici
2. Materiali PCM inorganici
   1. Sali idrati
   2. Leghe metalliche
3. Materiali PCM eutettici
   1. Materiali organici-organici
   2. Materiali inorganici-inorganici
   3. Materiali inorganici-organici

Se richiamiamo alla mente la suddivisione sulla base della temperatura di fusione dei materiali PCM di cui abbiamo parlato nell'articolo "Materiali PCM: che cosa sono e come accumulano calore", possiamo facilmente associare questi tre gruppi di PCM a specifici materiali corrispondenti. Per esempio, il ghiaccio e gli eutetticirientrano nella categoria dei PCM a bassa temperatura in quanto il loro cambiamento di fase avviene al di sotto dei 15°C. Mentre i Sali idrati, i PCM organici e i polimeri cambiano di fase in un intervallo di temperatura compreso tra 15°C e 90°C, popolando la categoria dei PCM a media temperatura. Infine, nei Sali fusi, nelle leghe metalliche e nelle paraffine il passaggio di fase avviene a temperature molto alte, tipicamente superiori ai 90°C.

Vediamo ora nel dettaglio quali sono le caratteristiche specifiche delle tre famiglie di materiali PCM esistenti.

Materiali PCM organici

I materiali PCM organici mostrano un processo di fusione che mantiene una temperatura quasi costante per un elevato numero di cicli di fusione/solidificazione. Questo assicura che il calore latente di fusione rimanga costante per un periodo prolungato. Inoltre, non presentano problemi di sottoraffreddamento, non sono corrosivi e sono disponibili sul mercato a prezzi ragionevoli.
Vediamoli uno per uno, dettagliatamente. I materiali PCM organici si suddividono in:

• cere paraffiniche
• materiali non paraffinici (acidi grassi, alcoli e glicoli).

Le cere paraffiniche o paraffine sono degli idrocarburi saturi. La cristallizzazione della catena del CH3 rilascia una considerevole quantità di calore latente. Maggiore è la lunghezza della catena di idrocarburi (quindi maggiore è il numero di atomi di carbonio), maggiore sarà la temperatura di cambiamento di fase e il calore latente di fusione. Le paraffine sono tra i materiali PCM più utilizzati per varie ragioni positive:

• stabilità
• sicurezza
• convenienza
• non corrosività
• bassa pressione di vapore
• coprono una ampia gamma di temperature

Dall'altra parte, tuttavia, presentano una bassa conduttività termica (circa 0,2 W/mK), sono moderatamente infiammabili (con un indice tra 15 e 50) e mostrano un'elevata variazione di volume durante la liquefazione.

I materiali organici non paraffinici sono una categoria più ampia di PCM e di conseguuenza presentano una maggiore varietà di proprietà. Questi possono essere suddivisi in due sottogruppi:

• acidi grassi, composti da CmHnO2 dove m e n sono numeri atomici
• altri PCM organici non paraffinici come esteri, alcoli e glicoli.

A differenza delle paraffine, che hanno proprietà simili tra loro, ciascun materiale di questa categoria possiede caratteristiche specifiche. Ma in generale si contraddistingue per:

• elevati calori latenti
• bassa conduttività termica (come le paraffine)
• basse temperature di infiammabilità
• vari livelli di tossicità
• instabilità ad alte temperature
• costo superiore a quello delle paraffine

Materiali PCM inorganici

La seconda categoria introdotta sopra è quella dei materiali PCM inorganici, che comprendono:

• sali idrati
• composti inorganici
• leghe metalliche a base di bismuto, piombo, stagno o indio.

I sali idrati risultano essere la categoria più importante e più studiata. Si possono considerare delle leghe fra un sale inorganico ed acqua che realizzano un tipico solido cristallino (A) indicato da una formula generale AnH2O. La liquefazione e la solidificazione del sale idrato sono in realtà una disidratazione e idratazione del sale. I cristalli idrati si scompongono in sale anidro e acqua, o in uno meno idrato e acqua. Tra gli svantaggi associati all'utilizzo dei PCM come materiali a cambiamento di fase si riscontrano la fusione incongruente e il sottoraffreddamento. La fusione incongruente si verifica quando durante la cristallizzazione non viene rilasciata abbastanza acqua per sciogliere completamente la fase solida presente. A causa della maggiore densità, i sali meno idratati si depositano nella parte inferiore dell'accumulo, rendendo il cambiamento di fase sempre più irreversibile nel tempo. Il sottoraffreddamento è causato dalla bassa velocità di nucleazione dei cristalli di sale idrato, il che comporta il rilascio del calore latente a una temperatura inferiore anziché alla temperatura di fusione. Per mitigare il problema del sottoraffreddamento e della fusione incongruente, si possono adottare diverse soluzioni come l'introduzione di agenti di nucleazione per favorire la formazione dei cristalli, l'agitazione meccanica, l'incapsulamento del PCM, l'uso di acqua in eccesso, il confinamento di alcuni cristalli in una regione fredda e limitata affinché agiscano come nuclei, o la modifica della composizione chimica del sistema.
Alcuni metalli e leghe metalliche a basso punto di fusione sono stati esaminati per essere impiegati come materiali per accumulare il calore, poiché presentano caratteristiche vantaggiose:

• alta conducibilità termica
• bassa pressione di vapore
• coefficiente di variazione volumetrica limitato durante il cambio di fase
• alto calore latente per unità di volume (dovuto alle elevate densità), suscitando interesse per specifiche applicazioni come il raffreddamento dei sistemi laser.

Tuttavia, l'elevato costo e il calore latente di fusione che tende a degradare nel tempo attualmente ne limitano la diffusione.

Materiali PCM eutettici

Vediamo ora la terza categoria presentata all'inizio dell'articolo: i materiali PCM eutettici, che sono composti da una miscela di sostanze a punto di fusione basso, cioè inferiore a quello delle singole sostanze che lo costituiscono. In un materiale eutettico, tutti gli elementi si fondono e solidificano in modo congruente e simultaneo, senza segregazione. Ciò che rende queste sostanze particolarmente vantaggiose rispetto ad altri tipi di PCM è:

• la loro capacità di regolare il punto di fusione attraverso la combinazione ponderata dei componenti di fase.
• I valori elevati di conduttività termica.

Tuttavia, i valori del calore latente di solidificazione e del calore specifico sono molto più limitati rispetto a quelli dei sali idrati e delle paraffine.

Facciamo un bilancio dei materiali PCM

In conclusione, riassumendo, le caratteristiche dei materiali PCM possono essere confrontate e rappresentate utilmente secondo l'immagine di cui sotto. Il grafico ci fornisce una sintesi visuale intuitiva delle caratteristiche prestazionali dei vari materiali PCM presentati.
I materiali PCM organici di derivazione biologica scelti da i-TES incontrano perfettamente la mission di i-TES di essere environmental friendly e appartenenti a un'economia circolare e sostenibile per garantire i massimi obiettivi di efficienza energetica. Infatti, questi bio-PCM possiedono una capacità di accumulo termico discretamente buona, anche se inferiore a quella dei Sali idrati, eliminando completamente alcuni fenomeni, come per esempio il sottoraffreddamento e la corrosione, rendendoli di facile gestione e manutenzione.