Isolants à cellules ouvertes et fermées : quelles différences ?

La différence essentielle : des cellules isolées ou interconnectées

La différence fondamentale entre les matériaux isolants à cellules ouvertes et à cellules fermées tient à la connexion entre leurs cellules.

Dans les matériaux à cellules fermées, les cellules sont en grande partie isolées les unes des autres et délimitées par des parois continues. Elles emprisonnent un gaz à faible conductivité thermique, limitent les mouvements d’air et réduisent généralement la pénétration de l’humidité. Ces matériaux présentent donc le plus souvent une conductivité thermique plus faible, une résistance à la compression plus élevée et une meilleure résistance à l’humidité.

Dans les matériaux à cellules ouvertes, les pores sont interconnectés : l’air et la vapeur d’eau peuvent circuler plus librement dans la structure. Ces matériaux sont généralement plus souples, plus flexibles et plus perméables à la vapeur d’eau. Ils se prêtent aussi mieux à l’absorption acoustique et sont souvent moins coûteux.

Les matériaux à cellules ouvertes sont toutefois généralement plus sensibles à l’humidité. Lorsque l’eau pénètre dans leur réseau de pores interconnectés, leurs performances thermiques peuvent diminuer sensiblement.

Les grandes tendances peuvent se résumer ainsi :

• Cellules fermées : perméabilité      plus faible, résistance mécanique plus élevée et meilleure résistance à      l’humidité.

• Cellules ouvertes : davantage de      souplesse, perméabilité à la vapeur d’eau et absorption acoustique.

Aucune de ces deux structures n’est supérieure dans toutes les situations : le choix dépend de l’application.

1. Les conditions à prendre en compte pour comparer les deux structures

La distinction entre cellules ouvertes et cellules fermées semble simple. En pratique, plusieurs conditions techniques doivent être prises en compte pour comparer les matériaux.

1.1. Les structures ouvertes et fermées forment un continuum

Dans les matériaux réels, la structure poreuse n’est pas toujours entièrement ouverte ou entièrement fermée. C’est pourquoi les mousses sont souvent caractérisées par leur teneur en cellules fermées.

Cette teneur peut être évaluée selon des normes telles que ASTM D6226 et ISO 4590.

Les matériaux dont la teneur en cellules fermées est très élevée sont généralement classés parmi les mousses à cellules fermées. Ceux dont les pores sont majoritairement interconnectés sont considérés comme des mousses à cellules ouvertes.

Pour un produit donné, il est néanmoins préférable de se référer à la teneur en cellules fermées effectivement mesurée plutôt qu’à la seule désignation commerciale « à cellules ouvertes » ou « à cellules fermées ».

1.2. L’écart de conductivité thermique peut être plus faible en laboratoire, à sec

Dans des conditions de laboratoire à sec, l’écart de conductivité thermique entre des mousses à cellules ouvertes et fermées issues de matrices polymères similaires n’est pas nécessairement très important.

La différence devient plus marquée en conditions réelles, notamment en présence :

• d’absorption d’humidité ;

• de condensation ;

• de mouvements d’air ;

• de différences de pression ;

• d’une exposition prolongée aux conditions ambiantes.

Ces facteurs sont particulièrement importants, car les structures à pores ouverts et interconnectés facilitent le déplacement de l’humidité et de l’air à travers le matériau.

1.3. Un isolant fibreux n’est pas une mousse à cellules ouvertes

La laine de roche et la laine de verre ne possèdent pas une structure de mousse cellulaire. Elles contiennent des espaces d’air interconnectés entre leurs fibres.

Elles peuvent ainsi présenter certaines propriétés de transport comparables à celles des structures poreuses ouvertes, notamment pour la perméabilité à l’air et le transport de l’humidité. Elles ne doivent cependant pas être classées comme des mousses à cellules ouvertes.

Ces matériaux peuvent servir de références dans une comparaison, mais leur définition structurelle reste différente.

1.4. La tenue en température et le comportement au feu dépendent surtout de la chimie du matériau

La tenue en température et l’inflammabilité des mousses organiques, telles que le PU, le PSE (EPS), le XPS et le NBR, dépendent principalement de la composition chimique et de la stabilité thermique du polymère de base.

Une structure à cellules ouvertes ou fermées ne détermine pas, à elle seule, la résistance au feu ni la température maximale d’utilisation.

Les performances d’isolation thermique et le comportement au feu doivent donc être évalués séparément.

2. Comment la structure des pores influence le comportement du matériau

La plupart des différences pratiques entre les mousses à cellules ouvertes et fermées découlent d’une question structurelle simple : les cellules sont-elles délimitées par des parois fermées ou les pores sont-ils interconnectés ?

Cette distinction influence fortement les mouvements de gaz, le transfert de chaleur, le transport de l’humidité et le comportement mécanique.

2.1. Confinement des gaz : conductivité thermique et convection

Une mousse à cellules fermées emprisonne le gaz dans des cellules isolées de taille micrométrique. Le gaz ne pouvant pas circuler librement entre les cellules, ses mouvements à grande échelle sont fortement restreints et la convection naturelle est limitée.

Certaines mousses à cellules fermées contiennent également des agents d’expansion à faible conductivité thermique, tels que les HFO ou le pentane. Ces gaz peuvent présenter une conductivité thermique inférieure à celle de l’air et réduire ainsi davantage la conductivité thermique effective de la mousse.

Dans les structures à cellules ouvertes, les pores interconnectés permettent à la phase gazeuse de communiquer plus facilement avec le milieu extérieur. Les différences de température et de pression, ainsi que les flux d’air extérieurs, peuvent donc influencer les mouvements de gaz dans la structure.

En conditions réelles, ces phénomènes peuvent accroître le transfert de chaleur par rapport aux conditions idéalisées d’un essai en laboratoire à sec.

2.2. Transport de l’humidité : durabilité et performances thermiques à long terme

Le comportement face à l’humidité constitue l’une des principales différences pratiques entre les isolants à cellules ouvertes et fermées.

Les cellules fermées limitent la pénétration de l’eau liquide et réduisent le transport de vapeur d’eau. Elles contribuent ainsi à préserver la structure remplie de gaz qui assure l’isolation thermique.

La conductivité thermique de l’eau liquide est d’environ 0,6 W/(m·K), soit plus de vingt fois celle de l’air immobile, qui est d’environ 0,026 W/(m·K).

Si l’eau pénètre dans une structure isolante poreuse et remplace le gaz à faible conductivité thermique, le transfert de chaleur peut augmenter considérablement.

Dans les matériaux à cellules ouvertes, l’humidité peut pénétrer et circuler plus facilement dans le réseau de pores interconnectés. Une fois mouillés, ces isolants peuvent présenter, selon le matériau et les conditions ambiantes :

• une augmentation de la conductivité thermique ;

• une diminution de la résistance thermique ;

• des dommages liés aux cycles de gel et de dégel ;

• un risque de développement de moisissures ;

• une dégradation de la matrice du matériau.

C’est l’une des raisons pour lesquelles l’écart de performance en usage entre les isolants à cellules ouvertes et fermées peut devenir beaucoup plus important en milieu humide ou en présence d’eau.

2.3. Comportement mécanique : résistance, compression et toucher

La structure poreuse influence également fortement le comportement mécanique. Une structure à cellules fermées peut être vue comme un ensemble de chambres microscopiques remplies de gaz.

Sous compression, les parois cellulaires et le gaz emprisonné contribuent tous deux à la résistance à la charge. Les mousses à cellules fermées présentent ainsi généralement :

• une résistance à la compression plus élevée ;

• une plus grande rigidité structurelle ;

• une meilleure résistance à la déformation sous charge.

Les matériaux à cellules ouvertes se comportent différemment. Lorsqu’ils sont comprimés, le gaz peut se déplacer dans le réseau de pores interconnectés. Le matériau se déforme alors plus facilement et présente généralement :

• un toucher plus doux ;

• une plus grande compressibilité ;

• davantage de flexibilité ;

• une meilleure capacité de reprise de forme.

Ces propriétés s’accompagnent toutefois généralement d’une résistance à la compression plus faible.

Ce que contrôle la structure poreuse

La structure des pores ne crée pas une nouvelle loi physique. Elle détermine dans quelle mesure le matériau autorise ou limite plusieurs mécanismes : la conduction thermique dans le gaz, la convection et les flux d’air, la migration de l’humidité et la transmission des charges mécaniques.

3. Comparaison des matériaux isolants à cellules ouvertes et fermées

Les valeurs ci-dessous correspondent à des plages typiques publiées par l’industrie, à température ambiante et dans des conditions relativement sèches.

Les performances réelles dépendent de la formulation, de la densité, de l’humidité, de la température, du vieillissement, de la mise en œuvre et de la méthode d’essai.

Ces valeurs doivent être considérées comme des plages représentatives, et non comme des constantes universelles propres à chaque matériau.

Un isolant ne doit pas être choisi sur la seule base de sa conductivité thermique. L’exposition à l’humidité, les charges mécaniques, les contraintes d’épaisseur, le transport de vapeur d’eau, les exigences acoustiques, la durabilité et les conditions de mise en œuvre influencent tous le choix de la structure poreuse la plus adaptée.

4. Paramètres techniques et méthodes d’essai

Plusieurs paramètres mesurés selon des méthodes normalisées permettent de caractériser et de comparer les systèmes isolants à cellules ouvertes et fermées.

4.1. Teneur en cellules fermées

La teneur en cellules fermées peut être évaluée selon ASTM D6226 ou ISO 4590. Cette mesure décrit quantitativement la part de la structure d’une mousse constituée de cellules isolées.

4.2. Absorption d’eau

L’absorption d’eau peut être évaluée à l’aide de méthodes telles que ASTM D2842 et EN 12087. Ce paramètre est particulièrement important pour l’isolation enterrée, les toitures, la réfrigération et les autres applications exposées à l’humidité.

4.3. Perméabilité à la vapeur d’eau

La transmission de vapeur d’eau peut être évaluée selon des normes telles que ASTM E96.

Cette distinction est importante : un matériau peut absorber peu d’eau liquide tout en laissant passer une certaine quantité de vapeur d’eau.

4.4. Conductivité thermique de l’eau et de l’air

À une température proche de la température ambiante, les valeurs approximatives sont les suivantes :

• Eau liquide : environ 0,6 W/(m·K).

• Air immobile : environ 0,026 W/(m·K).

L’écart important entre ces valeurs explique pourquoi la reprise d’humidité peut réduire sensiblement les performances thermiques des isolants poreux.

5. Quelle structure choisir selon l’application ?

Le choix dépend fortement des contraintes du milieu et des exigences mécaniques. Trois repères permettent de l’orienter :

• Milieu sec, souplesse, perméabilité à la vapeur d’eau et      besoins acoustiques : les structures à      cellules ouvertes peuvent être avantageuses.

• Milieu humide, compression, sensibilité à la condensation et      fonction structurelle : les structures à      cellules fermées sont souvent plus adaptées.

• Très faible épaisseur, flexibilité et perméabilité à l’humidité      : des isolants poreux souples de conception      avancée peuvent être envisagés.

5.1. Cellules fermées : milieux humides, froids ou soumis à des charges

Les matériaux à cellules fermées sont particulièrement utiles lorsque l’isolant doit résister à l’humidité, à la pression ou à une exposition prolongée à des surfaces froides.

Sols de sous-sol et isolation enterrée

Le XPS est couramment utilisé dans les applications enterrées, car il associe isolation thermique, faible absorption d’eau et résistance élevée à la compression.

Toitures inversées

Dans une toiture inversée, la couche isolante se trouve au-dessus de la membrane d’étanchéité. L’isolant pouvant être exposé à l’eau de manière répétée, une faible absorption d’eau constitue une exigence essentielle. Les matériaux à cellules fermées sont donc particulièrement adaptés à cette configuration.

Tuyauteries frigorifiques et chambres froides

Les isolants à cellules fermées en NBR et en EPDM sont largement utilisés autour des tuyauteries frigorifiques et des réseaux d’eau glacée.

Dans ces applications, l’isolant doit assurer à la fois l’isolation thermique et la maîtrise de la condensation. Une faible perméabilité à la vapeur d’eau contribue à limiter la migration de l’humidité vers les surfaces froides.

Conteneurs de la chaîne du froid et applications maritimes

Les matériaux à cellules fermées peuvent assurer simultanément plusieurs fonctions :

• isolation thermique ;

• soutien mécanique ;

• résistance à l’humidité ;

• flottabilité.

Cette combinaison les rend utiles dans les conteneurs de la chaîne du froid, les systèmes maritimes et d’autres environnements exigeants.

5.2. Cellules ouvertes : souplesse, acoustique et perméabilité à la vapeur en milieu sec

Les structures à cellules ouvertes sont souvent avantageuses lorsque la souplesse, l’absorption acoustique ou le passage de la vapeur d’eau priment sur la résistance à l’humidité ou à la compression.

Combles et cavités des parois intérieures

Les mousses projetées à cellules ouvertes et les isolants fibreux peuvent être utilisés dans des applications intérieures relativement sèches où la souplesse et le remplissage des cavités sont importants.

Selon la conception de l’ensemble du bâtiment, le transport de vapeur d’eau peut également favoriser le séchage.

Absorption acoustique

Les structures à cellules ouvertes dissipent efficacement l’énergie acoustique. Lorsque les ondes sonores pénètrent dans le réseau de pores interconnectés, les frottements visqueux et les mouvements d’air internes transforment une partie de cette énergie en chaleur.

Les applications typiques comprennent :

• les studios d’enregistrement ;

• les plafonds de bureaux ;

• les locaux techniques ;

• les panneaux acoustiques.

Garnissage souple et amortissement

La souplesse et la compressibilité des matériaux à cellules ouvertes les rendent adaptés :

• au rembourrage du mobilier ;

• aux protections amortissantes ;

• aux supports souples ;

• aux applications d’étanchéité souple.

5.3. Vêtements et équipements de plein air

L’isolation des vêtements répond à un problème technique très différent de celui de l’isolation des bâtiments.

Dans le bâtiment, une faible perméabilité à la vapeur d’eau peut être recherchée pour limiter l’entrée d’humidité dans la couche isolante. Dans un vêtement, le corps humain produit en permanence de la chaleur et de la vapeur d’eau.

L’isolation destinée à l’habillement doit donc souvent concilier isolation thermique, flexibilité, faible épaisseur, transport de l’humidité et confort.

Les isolants traditionnels pour l’habillement, tels que le duvet, les ouates synthétiques et les garnissages fibreux, utilisent des structures tridimensionnelles pour emprisonner l’air. Ils peuvent offrir une isolation efficace, mais nécessitent généralement un certain gonflant et peuvent perdre en performance lorsqu’ils sont mouillés.

Les isolants poreux souples de conception avancée constituent une autre approche possible. Des matériaux tels que Y-Warm sont conçus pour assurer une isolation thermique au sein d’une structure mince et souple, tout en permettant le passage de la vapeur d’eau.

L’isolation des vêtements peut ainsi être envisagée comme un problème plus large de conception des matériaux, au-delà du seul choix entre cellules ouvertes et cellules fermées.

L’objectif consiste à trouver un équilibre adapté entre faible conductivité thermique, perméabilité à l’humidité, flexibilité, épaisseur et durabilité.

5.4. Structures mixtes et composites

Dans les systèmes techniques réels, les matériaux à cellules ouvertes et fermées sont souvent associés.

L’enveloppe d’une chambre froide peut, par exemple, comprendre :

• des panneaux à cellules fermées pour l’isolation thermique et      la résistance à l’humidité ;

• de la mousse à cellules fermées au niveau des joints et des      ponts thermiques ;

• une couche intérieure acoustique ou de finition présentant une      structure plus ouverte.

Les matériaux à cellules ouvertes et fermées ne sont pas nécessairement concurrents : ils peuvent remplir des fonctions complémentaires dans un même système.

Choisir une structure adaptée à l’usage

La différence fondamentale est structurelle : les matériaux à cellules fermées contiennent des cellules en grande partie isolées, tandis que les matériaux à cellules ouvertes présentent des pores interconnectés.

Cette distinction dépasse la seule conductivité thermique. Elle influence les mouvements de gaz, la convection, le transport de l’humidité, la résistance à la compression, la flexibilité et le comportement acoustique.

Les matériaux à cellules fermées conviennent généralement mieux lorsque l’isolant doit aussi assurer une résistance à l’humidité, une maîtrise de la condensation, une résistance à la compression ou une intégration structurelle.

Les matériaux à cellules ouvertes sont souvent avantageux lorsque la priorité porte sur la souplesse, la flexibilité, la perméabilité à la vapeur d’eau ou l’absorption acoustique.

La conception des systèmes isolants dépasse toutefois de plus en plus cette classification binaire. Pour les vêtements, les chaussures et d’autres systèmes souples, le matériau peut devoir combiner isolation thermique et transport de l’humidité dans une structure extrêmement mince.

La meilleure structure isolante n’est donc pas simplement la plus ouverte ou la plus fermée : c’est celle qui maîtrise le mieux la chaleur, l’humidité, l’air et les forces mécaniques pour l’application visée.

Questions fréquentes

1. Quelle mousse isole le mieux : à cellules ouvertes ou à      cellules fermées ?

Dans des conditions sèches comparables et à épaisseur égale, une mousse à cellules fermées présente souvent une conductivité thermique plus faible.

L’écart peut s’accentuer en milieu humide, car les matériaux à cellules ouvertes peuvent absorber davantage d’humidité. Les performances réelles dépendent néanmoins de la densité, de la chimie du polymère, de l’agent d’expansion, de la température, de l’humidité et des conditions d’essai.

2. Un isolant à cellules ouvertes peut-il être utilisé à      l’extérieur ou en isolation enterrée ?

Il ne peut être utilisé dans ces conditions que si le système complet assure une protection suffisante contre l’eau et contre une exposition non maîtrisée à l’humidité.

Pour les applications continuellement exposées à l’eau, enterrées ou très sensibles à la condensation, les matériaux à cellules fermées sont généralement plus adaptés grâce à leur absorption d’eau et à leur perméabilité à la vapeur d’eau plus faibles.

3. Pourquoi les mousses à cellules fermées sont-elles souvent plus      coûteuses ?

Leur fabrication peut nécessiter un contrôle plus strict :

• des conditions de moussage ;

• de la nucléation des cellules ;

• de la température ;

• de la pression ;

• de la composition chimique de l’agent d’expansion ;

• de la stabilité du procédé.

Ces exigences peuvent accroître la complexité et le coût de production. Les mousses à cellules ouvertes peuvent employer moins de matière et être fabriquées à une densité plus faible, ce qui peut réduire leur coût.

4. Quelle structure est la plus adaptée à l’absorption acoustique      ?

Les matériaux à cellules ouvertes sont généralement mieux adaptés. Leurs pores interconnectés permettent aux ondes sonores de pénétrer dans la structure, où l’énergie acoustique est dissipée par les frottements visqueux et les mouvements d’air internes.

Les matériaux à cellules fermées absorbent généralement moins le son. Des couches denses à cellules fermées peuvent toutefois contribuer à l’isolation contre les bruits aériens lorsqu’elles sont intégrées à une construction multicouche.

5. Le PSE (EPS) est-il un matériau à cellules ouvertes ou fermées      ?

Le polystyrène expansé, ou PSE (EPS), est généralement considéré comme un matériau à cellules majoritairement fermées. La plupart des cellules situées à l’intérieur de chaque bille sont fermées.

Les interfaces entre les billes fusionnées peuvent toutefois créer des voies supplémentaires de transport de l’humidité. C’est pourquoi le PSE présente généralement une absorption d’eau à long terme supérieure à celle du XPS, alors que tous deux sont des isolants à cellules majoritairement fermées.