Aislantes Térmicos
Aislantes Térmicos
Por Jorge Gonzalez Delfin
INTRODUCCION
Desde siempre, el hombre a tenido constancia de los efectos del calor: dilatación, fusión, ebullición, y también las acciones inversas del frío: retracción, solidificación, licuefacción, no habiendo conocido las leyes hasta una época reciente.
Desde entonces, también a tratado de aprovechar en un máximo, ya sea el calor o el frío dependiendo de su conveniencia. Entonces ha ideado diferentes técnicas para la aislación de éstos, que no permiten en un gran porcentaje el intercambio de temperatura entre dos ambientes.
En este informe generalizaremos los tipos de aislamientos más usados en los diferentes medios.
AISLACION TERMICA
El objetivo de una aislación térmica es impedir en alguna medida la transferencia de calor desde o hacia el cuerpo aislado.
Los materiales de aislación térmica aprovechan en general el hecho de que el aire es un excelente aislante.
Por esta razón, la gran mayoría de los materiales usados como aislantes son porosos, manteniendo el aire atrapado en su interior.
El aire encerrado en los poros queda casi quieto en los materiales con poros cerrados (como Poliuretano y poliestireno expandido) o con muy poca movilidad en aislantes con poros abiertos (por ej: Lana Mineral y Lana de vidrio).
Por esta razón el coeficiente de conductividad térmica será en general, tanto más pequeño como sea su masa por unidad de volumen (Densidad).
Sin embargo, existe una masa por unidad de volumen determinada para cada material de aislación térmica poroso, que por debajo de ella aumentará nuevamente la conductividad térmica.
Esto se debe a que los poros son lo suficientemente grandes para permitir en su interior, una transferencia de calor por convección natural.
TEORIA GENERAL DEL FENOMENO DEL CAMBIO DE CALOR
Entre dos cuerpos con temperatura diferentes, inevitablemente se produce un flujo calorífico, el calor se desplaza del cuerpo caliente al cuerpo frío hasta que se produce el equilibrio de temperatura.
Ningún medio permite impedir el cambio de calor. Sólo puede modificarse su intensidad.
El cambio de calor se produce de tres formas diferentes:
El calor se propaga a través de todos los cuerpos sólidos o líquidos de molécula a molécula, suponiendo que estas últimas están inmóviles. En los gases (Teoría Cinética), los cambios de energía se producen por los choques entre las moléculas animadas por velocidades diferentes.
Ej: Si se coloca el extremo de una barra de hierro en un fuego, al cabo de unos instantes se calienta el otro extremo, obligándonos a quitar las manos.
Estas formas de propagación es propia de los fluidos (gases o líquidos), las moléculas que están directamente en contacto con un cuerpo de temperatura más alta "A" se calientan y tienden a desplazarse por gravedad.
La restitución de las calorías absorbidas al ponerse en contacto con cuerpos de temperatura inferior "B", origina la creación de un ciclo de convección que acelera los cambios térmicos entre A y B.
Ej: El radiador de calefacción central eleva la temperatura de las moléculas de aire que se vuelven más ligeras y suben hacia el techo, siendo inmediatamente reemplazadas por otras que se han enfriado al contacto con las paredes u objetos que han encontrados en su recorrido.
La transmisión de calor por radiación se produce a un para las bajas temperaturas siempre que dos cuerpos de temperatura diferente estén en presencia del otro, estando separado por un medio permeable a la radiación. El calor se transforma en energía radiante, atraviesa el medio permeable y alcanza al otro cuerpo.
Una parte de la energía se transforma en calor y es absorbida por este segundo cuerpo. El resto de la energía se refleja bajo la forma de calor radiante.
El transporte de calor por radiación no necesita soporte material alguno: se produce, igualmente, en el vacío.
Ej: La tierra es calentada por el sol por radiación.
Generalmente, estos tres casos posibles se producen simultáneamente.
La conducción pura tiene lugar únicamente en los cuerpos sólidos, y no siempre es cierto que sea sólo conducción.
Así se asimilan los cambios de calor en los materiales de construcción la conducción pura.
De hecho, se trata de cuerpos porosos. En estos poros, rellenos de aire, existen radiación y convección. Muchas veces es imposible disociar estas tres formas de transmisión y es por simplificar por lo que se agrupa el conjunto de fenómenos bajo el nombre de conducción.
Esto no es un inconveniente, los valores de los coeficientes de conductividad dados por la tabla se han establecidos experimentalmente, ya que establecerlos por el cálculos era prácticamente imposible.
MATERIALES AISLANTES
Bajo el nombre de materiales aislantes se agrupan productos que cumplen muchas funciones.
Están caracterizados por un coeficiente de conductividad (
l ) lo más bajo posible.
Características generales
El papel esencial de un material aislante, evidentemente, es cumplir su función. Un aislante térmico deberá ofrecer una buena resistencia a la transmisión del calor.
Independientemente de sus propiedades específicas, a los aislantes se le pide cualidades complementarias.
Las principales de estas cualidades son:
Cada clase de aislante, a menudo, se presta con un gran número de variedades o también de masas específicas.
Con frecuencia, resulta difícil la elección entre los diferentes aislantes.
Clasificación de los aislantes
Los aislantes pueden clasificar de muchas formas:
Bueno, acá se adoptara una clasificación arbitraria como las anteriores:
Según:
Materiales fibrosos
Fibras Minerales
Elaboración de los productos
En la mayoría de los procesos que acabamos de abocar se efectúa una proyección sobre las fibras de una mezcla líquida que contiene una resina del tipo fenol-formol, antes de su aspiración sobre una cinta transportadora.
Según la velocidad que desarrolle esta cinta, la manta de lana será mas o menos gruesa.
Comprimida entre dos cintas metálicas agujereadas y con aspiración regulable la manta penetra en una estufa en la que una circulación activa de aire caliente hace que en la masa fibrosa polimerice la resina termoendurecible, que acaba soldando las fibras en sus puntos de contacto.
A la salida de la estufa, el producto tiene su espesor definitivo.
La masa específica de los productos ( y en consecuencia sus características térmicas y mecánicas ) puede variar en grandes proporciones. Está determinada por dos parámetros: la masa de lana depositada sobre la cinta de recepción y el espesor del producto terminado.
La manta, a la salida de la estufa de polimerización, puede ser encolada sobre un soporte: papel kraft, kraft de aluminio, película plástica, etc. Los discos permiten un corte longitudinal al ancho comercial y las guillotinas efectúan el corte al largo.
Características Generales
Los procesos de fibrilado del vidrio utilizados en Francia permiten obtener un producto que no tiene partícula alguna que no sea fibra.
Para características térmicas iguales, los productos de lana de vidrio son aproximadamente dos veces mas ligeros que los de lana de roca.
Por otra parte, estos procesos confieren a la lana un elasticidad notable que permite una constancia del espesor después de una compresión y la garantizan contra todo riesgo de aplazamiento.
Como ventaja de fibra de roca, anotemos una mayor resistencia a la temperatura ( 650ºC contra 500ºC para el vidrio ) debida a una composición más rica en calcio y menos rica en sodio que la vidrio utilizada corrientemente.
Las fibras minerales son imputrescibles y químicamente neutras. Generalmente son incombustibles. Sólo los productos que tienen un alto porcentaje de resinas son clasificados como combustibles en el test de la bomba calorimétrica.
De todos los aislantes, las fibras minerales son las únicas que pueden ser utilizadas con éxito en todos los campos relativos a la edificación, aislamiento térmico, aislamiento acústico para los ruidos aéreos y de impacto o vibraciones, y finalmente en corrección acústica. Por todo esto, están situadas en la cabeza de la producción de aislantes.
Se agrupan normalmente:
El amianto, conocido desde la antigüedad, es una fibra mineral natural obtenida por trituración de una roca eruptiva cristalizada.
Existen tres variedades:
La extracción del amianto es cara debido a un rendimiento extremadamente bajo: el valor del 15% de fibras en la roca marina nunca a sido sobrepasado, y el límite de rentabilidad se sitúa en el 3% aproximadamente. Los yacimientos son explotados en minas o cielo abierto.
El espesor de los filones de amianto es del orden de algunos cm.
En el comercio, el amianto se encuentra bajo cuatro formas:
El triturado tiene por finalidad aplastar los conjuntos de fibras para separarlos unos de los otros.
La apertura airea la fibras separándolas.
El cardado separa las fibras previamente abiertas por deslizamiento de las unas sobre las otras. El fieltro así obtenido es muy homogéneo.
La fibra de amocita abierta y cardada es larga ( 10 a 15 cm ) con relación a la fibra bruta o triturada. Es extremadamente fina y su diámetro puede descender a 3 micras.
Con el amianto se fabrican:
2. La fibra o lana de vidrio. La lana de vidrio necesita la fusión de una composición vítrea particular, especialmente adaptada al problema del fibrilado.
Los componentes de esta mezcla son elegidos y dosificados para la obtención de características adaptadas al uso del vidrio.
Las dos cualidades esenciales del vidrio aislante son: fluidez suficiente para la temperatura de fibrilado y alta resistencia al ataque por los agentes atmosféricos, en particular la humedad.
En efecto, a causa de su finura, las fibras ofrecen, con relación a su volumen, una superficie considerable para el ataque por los agentes exteriores.
Por otra parte, los límites de temperatura imponen la uniformidad de las aleaciones que constituyen los órganos de los aparatos de fibrilado, que obliga a trabajar el vidrio a una temperatura sensiblemente más baja que los vidrios clásicos.
Las etapas de la fabricación de la fibra de vidrio son:
Procesos de fibrilado
Proceso Gossler:
La materia prima se introduce, bajo forma de polvo (vidrio molido) o de bolas, en un crisol refractario de pequeña capacidad.
El crisol está calentado eléctricamente y el vidrio fundido pasa a través de hileras de platino.
El estirado se obtiene por la acción mecánica de un tambor, que gira alrededor de un eje horizontal, sobre el cual se van arrollando la fibra.
Cada hilera primaria da, pues, origen a una fibra única continua de 25 m de diámetro aproximadamente.
Proceso Hager:
Un hilo de vidrio cae sobre un plato de refractario y bajo el efecto de la fuerza centrífuga se divide en fibras más o menos regulares.
Proceso Schuller:
El extremo inferior de una varilla de vidrio, de 4 mm de diámetro, se funde al pasar por un pequeño horno eléctrico anular. Las gotas que se forman caen entonces sobre un tambor, en el que son aspiradas.
Proceso Owens:
El vidrio es tomado a la salida del horno de fusión y se hace pasar a través de hileras de platino calentadas por efecto Joule. Cada hilo primario, bajo la acción de un chorro de vapor de 10-15 kg/cm², se divide en un gran numero de fibras con un diámetro medio de 12 a 14 m .
Proceso Microléne:
El vidrio elaborado en el horno eléctrico se encuentra en forma de bolas. Estas bolas se funden en crisoles que tienen hileras anulares, dando origen a fibras estiradas mecánicamente. Estas fibras primarias son sometidas a la acción de los gases de un quemador con llama rápida.
3. La fibra o lana de roca: La lana de roca se elabora, con frecuencia a partir de escoria de altos hornos. En el momento de la fusión de la escoria se añaden rocas seleccionadas, con el fin de obtener ciertas cualidades en el producto final.
Procesos de fibrilado
Proceso de Johns-Manville Corporation:
La fusión se efectúa en un cubilote, con camisa refrigerada por agua. El chorro de materias fundidas a una temperatura del orden de 1500ºC está dirigido sobre una "hilandera" constituida por ruedas dentadas con una gran velocidad periférica. La colada cae sobre las llantas de estas ruedas y es proyectada en fibras largas y finas (4m ) y aspiradas hacia el interior de una cámara de expansión.
Proceso Grünzweig und Hartmann:
La fusión de las rocas trituradas se efectúa en un horno clásico de vidriero con antecuerpo. El proceso de fibrilado se parece mucho al proceso Owens. El antecuerpo tiene cinco hileras prismáticas de platino, perforadas cada una con 60 orificios y calentadas por una mezcla de aire-propano. El estirador de las fibras primarias se efectúa con chorros de vapor que provienen de boquillas dispuestas a cada lado de las hileras. Las fibras tienen un diámetro medio de 7m .
Fibras Vegetales
Fibra de Madera
La madera utilizada no tiene, por su naturaleza o por su forma, valor constructivo: son desechos de aserrado, costeros y madera de monte bajo.
La madera al principio es cortada en astillas de forma paralelepípeda, después es desfibrada mecánicamente entre dos cilindros acanalados en presencia de vapor, de forma que se ablanden los ligantes de la madera.
La masa fibrosa es refinada y después se le incorporan los ligantes necesarios para la cohesión del producto acabado.
En este estado la pasta es tratada, de forma diferente, según el producto elegido: tableros duros para la carpintería o tableros blandos, llamados aislantes.
La operación de afieltrado consiste en entremezclar las fibras en todos los sentidos para dar homogeneidad al producto.
Este último, a continuación, es escurrido y secado en los hornos para tableros aislantes, o bien en prensas calientes de grandes potencias para los productos duros.
Los tableros, generalmente, tienen grandes dimensiones. Los espesores varían de 10 a 20 mm. La masa específica es del orden de 250 kg/mt³. Existe una variedad de tableros aislantes que reciben una impregnación de asfalto.
Los tableros de fibras de madera son combustibles y generalmente resisten mal la presencia de humedad (hinchamientos). Ciertas atmósferas ácidas pueden favorecer el desarrollo de hongos.
El aislante asfáltico ofrece una mejor resistencia a la humedad y se beneficia de un tratamiento contra la podredumbre y los hongos.
Los tableros de fibras de maderas, igual que los llamados aislantes, son utilizados sobre todo en la construcción y la decoración como revestimiento interno de muros y techos.
El tablero asfáltico se utiliza en aislamiento de suelos contra los ruidos de impacto.
Fibragglos
Son tableros de fibras de madera aglomerados con cemento, a veces se los denomina hormigón de fibra de madera. Por su aspecto corriente, esencialmente, son empleados para el aislamiento térmico de los muros y de los suelos de hormigón, la colocación se efectúa con la técnica de encofrado perdido. Igualmente son utilizados para la corrección acústica industrial.
También existen variedades, con un aspecto de superficie más cuidado, destinadas a la corrección acústica de las salas de espectáculos.
Características:
Fibra de Lino
Se utilizan las partes leñosas de las plantas que son reducidas a pequeñas láminas, llamadas anas.
Estas últimas, compuestas por celulosas casi puras de gran estabilidad química, son aglomeradas con resinas termoendurecibles.
Los tableros se fabrican aplicando presión y calor al fieltro. Presentan una cara brillante de color dorado.
La resistencia a los microorganismos es superior a la de la fibra de madera.
Igualmente sucede con la resistencia a la humedad, aunque esta última queda en valores medios.
Sólo las densidades 300 y 400 kg/mt³ son utilizadas en aislamiento, esencialmente como revestimiento interior de paredes.
Aislantes Con Estructura Celular
Aislantes Minerales y Vegetales
Corcho
El corcho es un producto natural: es la corteza de una variedad de alcornoque, el alcornoque corchero, que abunda principalmente en el contorno occidental del Mediterráneo.
El corcho está formado por la yuxtaposición de minúsculas células de aire; estas últimas ocupan del 90 al 95% del volumen aparente. Esta contextura asegura a la vez una flexibilidad notable y un coeficiente de conductividad térmica muy pequeño.
Vidrio Celular
El vidrio celular está constituido por células cerradas, estancas al agua y al vapor de agua, separadas entre sí por paredes de vidrio. Estas células tienen un diámetro comprendido entre el 0,5 y 2,5 mm, aproximadamente.
Esencialmente se elabora a partir de una composición vítrea mezclada con productos auxiliares complementarios, que dan al producto final unas buenas cualidades de resistencia al ataque por los agentes atmosféricos y de uniformidad ante las temperaturas y los esfuerzos mecánicos.
La fabricación consta de seis etapas principales:
A la salida del horno se forma un tubo delgado de vidrio que es enfriado y triturado a continuación.
Después de mezclarlo con los agentes de hinchamiento, el vidrio triturado es colocado en moldes de acero especial estucados para obtener la expansión final.
Los volúmenes a la salida de los moldes, son introducidos en un horno de recocido, en el que se efectúa lentamente su enfriamiento controlado.
Finalmente los bloques son cortados a las dimensiones de mercado.
Entre las cualidades que con más frecuencia hacen preferir el vidrio celular a los otros aislantes, vamos a citar:
La estanqueidad garantiza la permanencia de sus características en el tiempo.
Su resistencia a la compresión es 7 kg/cm² y es incombustible.
Espumas plásticas aislantes
Espumas de Poliuretano
La química de los poliuretanos es compleja, ya que sus reacciones se producen simultáneamente. Las espumas rígidas son materiales alveolares que provienen de la reacción de los polisocianatos, de la familia del benceno, o del tolueno sobre los polioles, en presencia de un agente de expansión. Este último es el gas carbónico y sobre todo el triclorofluoretano. No existe una composición bien definida para el poliuretano expandido, pero por el contrario, hay una gran variedad de fórmulas para aplicar según las necesidades.
La masa específica depende de los componentes empleados, sobre todo del porcentaje de agente de expansión, de la temperatura, de la forma y de las dimensiones del molde o de la cavidad. Puede variar de 25 a 150 kg/m³ .
Los límites de temperatura son los siguientes:
inferior:
superior: +100 ºC para masas específicas iguales o superiores a 30 kg/m³, pero la estabilidad dimensional no está garantizada.
Las espumas estándar son inflamables. Existen calidades autoextinguibles que se obtienen utilizando polioles modificados añadidos a los productos de base de los aditivos. Estos contienen con frecuencia fósforo, cloro o bromo.
Espumas de Poliestireno
El poliestireno, es una de las más antiguas resinas termoplásticas. Es un derivado del benceno que proviene de la destilación de la hulla o del petróleo.
La materia expansible se presenta bajo forma de gránulos esferoidales con un diámetro aproximado de 1,54 mm, de masa específica 650 kg/m³ y encierra el 6 % en peso de agente de hinchamiento ( pentano ).
Actualmente existen tres procesos patentados de fabricación de poliestireno expandido. Dos de ellos parten del poliestireno expansible bajo forma de gránulos, y son, por orden de antigüedad:
Las masas específicas, de forma normal se sitúan entre 8 y 30 kg/m³ para los productos fabricados por moldeado o por termocompresión.
Para el poliestireno extraído, las tres densidades comerciales son: 30, 40 y 53 kg/m³.
Los límites de empleo por temperatura son: -200 º C a +85 º C, pero la temperatura inferior necesita ser verificada. Conocemos utilizaciones con temperaturas más bajas.
Espumas Fenólicas
Las espumas Fenólicas se obtienen a partir de dos tipos de resinas: las resinas fenol-formol en solución acuosa y las resinas de fenol-formol en solución alcohólica.
Las técnicas de fabricación son semejantes a las del poliuretano colándolas en bloques con mezcladoras por turbina o bien colándolas con pistola mezcladora y con posibilidad de fabricación en continuo.
La masa específica varía entre 30 y 400 kg/m³ según el porcentaje del agente de hinchamiento.
La estructura tiene un 60 % aproximadamente de células abiertas, de aquí su falta de resistencia a la humedad.
Las espumas de resinas Fenólicas, naturalmente son poco combustibles; se mejora esta propiedad con la incorporación de aditivos.
Resisten muy bien las bajas temperaturas y su campo de empleo cubre una gama de temperaturas de -200 a +130 ºC.
El límite de carga varía de 4 a 5 kg/cm² para una masa específica de 45 kg/m³.
Espumas de cloruro de Vinilo
Se obtiene por dos procedimientos:
Los límites de temperatura son: por debajo de -25ºC, las espumas sufren un envejecimiento acelerado.
El limite superior se sitúa en 70ºC.
El PVC arde muy difícilmente sin propagación de llama.
Las espumas de cloruro de polivinilo tienen el grave defecto de envejecer al cabo de algunos años de servicio, tienen tendencia a deformarse y a presentar una contracción importante.
Este fenómeno de envejecimiento se acelera fuertemente por el calentamiento solar.
La termoplasticidad del material es interesante para la obtención de tableros perfilados.
Espumas de Poliéster
Los poliésteres son conocidos, sobre todo, bajo la forma de estratificados armados con fibras : techos de automóviles, cascos de pequeñas embarcaciones y sobre todo placas onduladas para cubiertas. Se obtienen por policondensación entre un poliácido y un polialcohol en presencia de un catalizador ácido o peróxido.
Espumas de Urea-Formol
La materia base es una resina termoendurecible obtenida por condensación de la urea con una solución acuosa de formol y eliminación del agua.
Las espumas se fabrican formando una emulsión por agitación violenta. Se obtiene una masa espumosa estable, que se vierte en una cavidad o en un molde, en donde se modifica bajo la acción de un catalizador y de calor.
Las espumas de Urea-Formol son espumas rígidas que tienen el 98% de células abiertas, por lo que son muy permeables al aire. Son muy friables y, en consecuencia, difícilmente transportables.
En general, es preferible colocarlas "in situ" con ayuda de una máquina que posea un compresor con dos depósitos de presión: uno para la resina y otro para el agente espumante, una pistola y una lanza de inyección.
A la salida, la espuma tiene el aspecto de clara de huevo batida a la nieve. La polimerización total necesita una decena de horas y origina una contracción del 3%. Es indispensable prever las posibilidades de goteo y evaporación del exceso de agua.
La masa específica de estas espumas varía entre 6 y 8 kg/m³, 11 y 12 kg/m³, 16 y 18 kg/m³.
BIBLIOGRAFIA
Dr. Juan J. Maluquer Wahl
Dr. Ing. Industrial
Claude Rougeron