Table des matières
Chaque fois que des objets ayant des températures différentes sont en contact physique ou se trouvent dans la zone d’influence du rayonnement, ils subissent un échange de chaleur.
L’isolation thermique consiste à réduire ce transfert de chaleur.
Elle est obtenue en créant des barrières thermiques entre ces objets en cas de conduction thermique ou par réflexion en cas de rayonnement thermique.
Pour isoler un objet de son environnement, il faut éviter les échanges de chaleur tant par conduction que par rayonnement et convection.
Le transfert de chaleur par conduction est proportionnel à la différence de température, à la surface de contact thermique et à l’inverse de l’épaisseur des matériaux.
Il est mesuré en watts par mètre et par kelvin (W-m-1-K-1).
La capacité d’isolation des matériaux d’isolation thermique dépend de leur conductivité thermique et de leur épaisseur.
L’isolation est réalisée en entourant l’objet de matériaux ayant une faible conductivité thermique et une grande épaisseur.
L’isolation thermique permet de maintenir les matériaux froids froids et les matériaux chauds chauds.
Pour les bâtiments elle augmente l’efficacité énergétique et permet de conserver la chaleur en hiver ou la fraîcheur en été, ce qui réduit l’empreinte carbone.
Des matériaux d’isolation sont utilisés :
- pour le bâtiment et la construction : bâtiments et tuyaux, réservoirs d’eau chaude, etc.
- pour l’emballage (principalement pour les conteneurs d’expédition isolés faisant partie de la chaîne du froid)
- pour l’habillement et comme isolant animal naturel chez les oiseaux (plumes) et les mammifères (fourrure)
- pour l’isolation des produits de camping tels que les matelas de couchage et les matelas en mousse
Conductivité thermique
La conductivité thermique peut varier de presque zéro (pour les gaz) à quelques centaines de W/(m*K) pour les matériaux les plus conducteurs comme les métaux. Les gaz ont les conductivités thermiques les plus faibles (air : 0,026 W/(m*K)), suivis par les liquides (0,1 -0,2 W/(m*K) pour la plupart des liquides organiques) et les solides. Les solides organiques tels que les polymères, le bitume, le caoutchouc ont des conductivités thermiques plus faibles (typiquement, 0,1 à 0,3 W/(m*K)) que les solides inorganiques tels que les pierres (marbre, granit, etc.) et le béton (typiquement 2 – 3 W/(m*K)).
Le piégeage des gaz (air) dans les solides permet d’obtenir de bons matériaux d’isolation, principalement si la convection est limitée par la création de petites cellules, la meilleure solution étant d’utiliser des solides organiques ayant une faible conductivité thermique. Ce principe est utilisé pour la plupart des matériaux isolants tels que les mousses (mousse d’uréthane, styromousse (polystyrène expansé (EPS), liège), les isolants de construction (laine de roche et de verre, fibre de verre et amiante) et les vêtements (comme la laine, les plumes de duvet, la laine polaire).
Les aérogels sont un type particulier de matériaux isolants. Ils sont dérivés d’un gel dans lequel la phase liquide est remplacée par un gaz sans que la structure ne soit modifiée. Les aérogels ont une densité extrêmement faible combinée à une faible conductivité thermique et souvent une grande transparence.
Transmission thermique, valeur R et U
Le coefficient de transmission thermique ou valeur R est utilisé pour caractériser la capacité d’isolation d’un matériau.
Il mesure la résistance du flux de chaleur (conductrice) à travers un objet bidimensionnel tel qu’un mur, une fenêtre ou un panneau isolant.
La valeur R est mesurée dans des conditions stables et décrit le flux de chaleur entre la surface chaude et la surface froide à une différence de température donnée.
Son unité est le K⋅m2/W.
Plus la valeur R est élevée, meilleures sont les propriétés isolantes.
Le coefficient global de transfert de chaleur ou valeur U est l’inverse de R et ses unités SI sont les suivantes W/(m2*K).
Isolation thermique par secteur d'application
Selon l’application, différents types de matériaux isolants sont utilisés.
Bâtiment et construction
Autrefois, l’isolation des bâtiments était réalisée à partir d’amiante. Aujourd’hui, l’EPS (polystyrène expansé), la mousse d’uréthane, la laine de roche et les panneaux isolés sous vide (VIP) ont remplacé l’amiante. Souvent, des matériaux organiques comme le bois, le coton et la paille sont utilisés. Les fenêtres sont isolées par deux plaques de verre entre lesquelles se trouve une couche d’air isolante (vitrage isolant).
Pour l’isolation des réservoirs d’eau chaude et des tuyaux, on utilise principalement des mousses de polyuréthane.
Emballage
Pour l’emballage et principalement pour les conteneurs d’expédition isolés (qui font partie de la chaîne du froid), on utilise généralement des matériaux polycouches. Ils sont composés de mousses, de couvertures thermiques (liners) et de couches réfléchissantes. Des enveloppes à bulles sont souvent utilisées. Un autre concept est celui de la bouteille sous vide (bouteille « thermos »).
Isolation des vêtements et des animaux naturels
Les vêtements sont constitués, comme l’isolation naturelle des animaux, de mammifères (fourrure) et d’oiseaux (plumes), de matériaux organiques avec des inclusions d’air (coton, laine, plumes de duvet, etc.).
Méthodes et dispositifs d'essai
Il existe différentes méthodes pour mesurer la conductivité thermique des matériaux isolants, telles que la technique du flux thermique (HFM – Heat Flow Meters), la plaque chauffante protégée (GHP) et les méthodes à fil chaud comme le le pont chaud transitoire (THB).
