Información Técnica Construcción Física de la Construcción

1018 Conductividad térmica de materiales aislantes

Introducción

En nuestro país se destina un alto porcentaje de los recursos energéticos a procesos de calefacción y enfriamiento (45%), tanto en aplicaciones domésticas como a nivel industrial.Existen informaciones erróneas y tendenciosas en lo referente a ahorrar energía a través de una planificación adecuada y la elección de los materiales aislantes apropiados. Esto señala la necesidad de dar a conocer un estudio comparativo de los materiales aislantes térmicos alternativos que se ofrecen en el mercado chileno.

Propiedad física más relevante

La conductividad térmica (ver IT 1010) es la propiedad física más importante de un material aislante.Las estructuras microscópica (composición química y estructura molecular de la parte sólida) y macroscópica (forma, tamaño, disposición y orientación de los poros) juegan un papel primordial. Por una parte, determinan la variación de las cualidades, térmicas en función de la temperatura de trabajo y por otra, la capacidad de absorción de agua y la resistencia material.Adicionalmente deben observarse las características del gas que llena los poros y las densidades aparentes en que se suministra el material.Debe ponerse de relieve el efecto que tiene el contenido de humedad de un material en el valor de su conductividad térmica. Materiales saturados poseerán una conductividad térmica similar a la del agua ( = 0.55 Kcal/mh°C), catalogado entre los malos aislantesEn la elección de un material aislante para una aplicación específica, habrá que apreciar otras características que no conciernen directamente a sus propiedades térmicas. Las múltiples disposiciones para los elementos de aislación determinan requisitos de resistencia frente a solicitaciones mecánicas, de deformabilidad, resistencia frente a solicitaciones mecánicas, de deformabilidad, resistencia a la radiación solar, resistencia a la difusión, facilidad de transporte y manipulación, etc.

Clasificación de los materiales aislantes

Una primera clasificación general diferencia los materiales de poros cerrados que resultan de espumar mediante gas o vapor a presión – elementos como el Aislapol y el poliuretano - y los materiales de poros o espacios abiertos que consisten en fibras delgadas obtenidas de materiales fundidos que se someten a procesos de estirado con aire o vapor a presión y que en forma posterior se unen entre sí, aplicando eventualmente algún aglutinante sintético (lana mineral, lana de vidrio).

Fig.1: Corte por una perla de Aislapol expandida de 2 mm. de espesor. Puede apreciarse con toda claridad la estructura celular cerrada del material

Materiales aislantes usuales en el mercado chileno:

Aislapol.La materia prima denominada Styropor se espuma con vapor caliente en dos etapas, entre las que media un periodo de reposo. Toma la forma de bloques que son cortados finalmente en planchas. El producto terminado es un material homogéneo de estructura de células cerradas con aire en su interior (ver IT 1101).

Espuma de poliuretanoSe espuma una mezcla de dos elementos: isocianato y poliol, con triclorofluormetano (F11) como agente de expansión. El resultado es una espuma de células cerradas que contienen este último gas a presión. Se pueden fabricar en bloques que son cortados en planchas o aplicar en forma de spray, en cuyo caso el resultado es una espuma de densidad irregular con posible presencia de bolsones de aire

Lana mineralMaterial aislante compuesto de fibras minerales de estructura abierta. Se suministra en forma de colchonetas libres o eventualmente aglutinadas, a las que se agrega papel en una o ambas caras para otorgarle alguna resistencia a la difusión de vapor de agua.

Lana de Vidrio.Material aislante similar al anterior, constituido por fibras de vidrio.

Comparación entre Aislapol y el poliuretanoEstos materiales compiten principalmente en aplicaciones de refrigeración.En este rubro es de primera necesidad contar con materiales que tengan un excelente comportamiento térmico a bajas temperaturas de trabajo. Se requiere asimismo una alta resistencia a la difusión del vapor de agua para evitar las condensaciones en el material en el caso de que se perforase la barrera de vapor (ver IT 1240 e IT 1245).El Aislapol cumple ampliamente con estos requisitos a partir de una densidad mínima de 20 kg/m3, porque sus componentes sólidos y gaseosos son térmicamente estables en un rango de temperaturas que va desde los – 180°C hasta los 85 °C.

Fig. 2 : Conductividad térmica de planchas de Aislapol en función

de la temperatura media (d= 25 kg/m3). (1)

El poliuretano presenta un comportamiento irregular en el tramo entre –50°C y 0°C, debido a que el gas atrapado en sus células (tríclorofluormetano) alcanza el punto de condensación y se licúa, permitiendo la entrada de aire. Este fenómeno origina un aumento de su conductividad térmica, como se indica en los gráficos, que pasa generalmente en densidades superiores a 30kg/m3.Es necesario hacer notar que el poliuretano sufre además variaciones de su conductividad térmica a través del tiempo. El gas contenido en las células ejerce presión de poros sobre las paredes de éstas y difunde hacia el exterior, alcanzando el punto de equilibrio de presiones después de dos años. En los cálculos de espesor de aislación deberá emplearse, por consiguiente, una conductividad térmica igual a la que adquiere el material luego de transcurrido este periodo de tiempo.Por el contrario, el Aislapol posee características térmicas que se mantienen por un tiempo indefinido.

Valores de cálculo a observar para cada material Aislapol: = 0,027 Kcal/m2°C h a 0° CPoliuretano: = 0,022 Kcal/m2°C h a 0° C

Entre estos coeficientes existen una relación de 10:8, proporción válida igualmente para espesores de aislación equivalentes.

Fig. 3 : Conductividad térmica de planchas de poliuretano

(espuma inyectada, agente de expansión: Frigen 11) en funcion

de la temperatura y del tiempo. (1)

Fig. 4: Variación de la conductividad térmica de planchas de

poliuretano (agente de expansión triclorofluormetano para una

temperatura media de 10°C en función del tiempo (1).

Fig. 5: Conductividad térmica del Aislapol en función de la

densidad y la temperatura media (1)

(1) (Ing. H. Zehender. “Mediciones de conductividad térmica

en materiales espumosos a bajas temperaturas).

Forchugsinstituit für Warmesschutz e V.. München.

Dilatación lineal

En frigoríficos es esencial contar con materiales de poca contracción lineal térmica para evitar las aberturas en los puntos de unión de las planchas.El Aislapol se contrae sólo 0,06 mm. por cada metro lineal y °C de diferencia de temperatura, mientras que el poliuretano sufre modificaciones de 0,10 mm en iguales condiciones.

Comportamiento al fuego

El Aislapol es clasificado según la norma DIN 4102 en la categoría de “difícilmente inflamable”, y según la norma ASTM 1962-68, como “autoextinguible” (ver IT 1130 ). El poliuretano es clasificado como un material normalmente inflamable. Sólo el poliisocianurato (PIR) es considerado como material de comportamiento al fuego similar al Aislapol.

Es importante mencionar que Aislapol fabrica en Chile sólo poliestireno expandido autoextinguible.

Humedad y aislación térmica

En edificaciones de tipo habitacional o de uso regular por personas, es imperativo otorgar las condiciones adecuadas en cuando a temperatura de confort y a una humedad relativa conveniente. El actual nivel de la tecnología industrial requiere de procesos que se llevan a cabo en condiciones ambientales muy precisas de temperatura y humedad. En ambos casos hay una directa interrelación con consumo de energía por calefacción o por enfriamiento de los recintos.

Humedad de los materiales aislantes

El contenido de humedad de los materiales afecta considerablemente el valor de su coeficiente de conductividad térmica. La presencia de humedad en el elemento depende de su capacidad de absorción y de la humedad que se condense y evapore por difusión de vapor de agua originada por una diferencia entre las condiciones ambientales externas y las que se desea tener en el interior de la construcción.

Absorción de humedad.

La absorción de humedad de un material se ve favorecida notablemente si posee huecos interconectados entre sí y con las zonas superficiales. Una estructura interna que propicie la absorción de agua por capilaridad está totalmente contraindicada.El Aislapol se compone de células poliédricas cerradas y cohesionadas entre sí (ver IT 1101). Su capacidad de absorción de agua es muy baja y presenta características que impiden absolutamente el fenómeno de la capilaridad. Al humedecerse un material aislante en exceso, aparecen manchas de humedad en el cielo aislado de viviendas, con los consiguientes efectos destructivos del mismo.

Fig. 6 : Relación entre la conductividad térmica y el contenido

de humedad de varios materiales, a 10°C de temperatura. (2)

(2) Binder, Materiales aislantes térmicos para la construcción

habitacional. Ed. Facultas. Viena).

El gráfico muestra que los materiales fibrosos aumentan considerablemente su conductividad térmica en comparación con el Aislapol. Esto se debe a una estructura de espacios abiertos conectados entre sí.Si tenemos en cuenta que el calor se transmite a través de los componentes sólidos por conducción, en forma de radiación y convección por los poros o celdas y especialmente por difusión de agua líquida o vapor de agua durante procesos de absorción (IT 1031), podemos explicar qué incidencia tiene la humedad o otras propiedades sobre el valor que toma este coeficiente.

Resistencia a la difusión del vapor de agua.

En un material que media entre dos ambientes a distintas temperaturas se genera un flujo de vapor de agua que lleva consigo un contenido apreciable de calor y que, según la trayectoria de temperaturas a lo ancho de su sección transversal, puede condensar agua en su interior que luego se evapora total o parcialmente al aumentar la temperatura exterior.Este fenómeno se evita al considerar un espesor de aislación suficiente para suavizar la pendiente del gradiente de temperatura y al emplear materiales aislantes que posean una alta resistencia a la difusión del vapor de agua.El material más adecuado es el Aislapol, por su estructuras de células cerradas, cohesionadas entre sí.

Fig. 7: Valores de resistividad térmica ( 1/ ) de diversos

materiales. (3)

(3) (Ernst Neufert, “Manual del Styropor”)

Fig. 8 : Resistencia a la difusión del vapor de agua para

diferentes materiales.

Resumen

La conductividad térmica de un material aislante es la característica más indicativa de sus cualidades. Este coeficiente no puede ser apreciado en forma separada de otras propiedades que lo afectan fuertemente. Entre éstas destaca el contenido de humedad. El Aislapol es un aislante muy versátil y de excelentes características que le permiten mantener sus propiedades aislantes por un tiempo indefinido y bajo severas condiciones ambientales.

Tabla 1Comparación entre Aislapol y otros aislantes fibrosos

PROPIEDAD AislapolMateriales aislantes fibrosos (lana mineral, lana de vidrio)

Densidad Menor (poca absorción de calor) Mayor (más absorción de calor)

Homogeneidad del material Fácil de comprobar Material heterogéneo difícil de revisar si lleva papel en sus dos caras.

Coeficiente de conductividad térmica

Levemente más baja 0.036 W/m*k. Densidad entre 10 y 15 Kg/m3 (4)

Levemente más alta 0.043 W/m*k a granel (d = 50 Kg/m3) y 0.038 W/m*k en colchoneta con dos caras de papel (d = 80 Kg/m3) (4)

Resistencia a la difusión del vapor de agua

Buena Nula. Solamente puede alcanzarla colocando una barrera de vapor.

Aumento de la conductividad térmica por efecto de la humedad

Poco (5% por cada 1% de aumento del contenido de humedad)

Alto (30% por cada 1% de aumento del contenido de humedad).

Impermeabilidad al viento Muy buena NulaResistencia mecánica Buena DeficienteDeformabilidad con el tiempo Nula El material puede asentarse y

disminuye su espesor.Uso en paramentos verticales Sin problemas No se puede, se asienta por peso

propio, Sólo se puede usar aumentando su densidad o utilizando fijaciones mecánicas.

Tolerancia dimensional 2mm 5mm.

Color Blanco (refleja la radiación solar) Gris (absorbe la radiación solar, el papel café sólo atenúa el efecto).

Colocación Fácil e higiénica Desprende polvo, daña las manos y las vías respiratorias. Nociva para la salud.

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IT 1018 AISLAPOL – GRUPO BASF

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