Informacin Tcnica

Construccin

Fsica de la Construccin

1018

Conductividad trmica de materiales

aislantes

Introduccin

En nuestro pas se destina un alto porcentaje de los recursos energticos a procesos de calefaccin y enfriamiento (45%), tanto en aplicaciones domsticas como a nivel industrial.

Existen informaciones errneas y tendenciosas en lo referente a ahorrar energa a travs de una planificacin adecuada y la eleccin de los materiales aislantes apropiados. Esto seala la necesidad de dar a conocer un estudio comparativo de los materiales aislantes trmicos alternativos que se ofrecen en el mercado chileno.

Propiedad fsica ms relevante

La conductividad trmica ( (ver IT 1010) es la propiedad fsica ms importante de un material aislante.

Las estructuras microscpica (composicin qumica y estructura molecular de la parte slida) y macroscpica (forma, tamao, disposicin y orientacin de los poros) juegan un papel primordial. Por una parte, determinan la variacin de las cualidades, trmicas en funcin de la temperatura de trabajo y por otra, la capacidad de absorcin de agua y la resistencia material.

Adicionalmente deben observarse las caractersticas 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 trmica. Materiales saturados poseern una conductividad trmica similar a la del agua ( ( = 0.55 Kcal/mhC), catalogado entre los malos aislantesEn la eleccin de un material aislante para una aplicacin especfica, habr que apreciar otras caractersticas que no conciernen directamente a sus propiedades trmicas. Las mltiples disposiciones para los elementos de aislacin determinan requisitos de resistencia frente a solicitaciones mecnicas, de deformabilidad, resistencia frente a solicitaciones mecnicas, de deformabilidad, resistencia a la radiacin solar, resistencia a la difusin, facilidad de transporte y manipulacin, etc.

Clasificacin de los materiales aislantes

Una primera clasificacin general diferencia los materiales de poros cerrados que resultan de espumar mediante gas o vapor a presin 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 presin y que en forma posterior se unen entre s, aplicando eventualmente algn aglutinante sinttico (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 homogneo de estructura de clulas cerradas con aire en su interior (ver IT 1101).

Espuma de poliuretano

Se espuma una mezcla de dos elementos: isocianato y poliol, con triclorofluormetano (F11) como agente de expansin. El resultado es una espuma de clulas cerradas que contienen este ltimo gas a presin. 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 mineral

Material 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 difusin de vapor de agua.

Lana de Vidrio.

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

Comparacin entre Aislapol y el poliuretano

Estos materiales compiten principalmente en aplicaciones de refrigeracin.

En este rubro es de primera necesidad contar con materiales que tengan un excelente comportamiento trmico a bajas temperaturas de trabajo. Se requiere asimismo una alta resistencia a la difusin 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 mnima de 20 kg/m3, porque sus componentes slidos y gaseosos son trmicamente estables en un rango de temperaturas que va desde los 180C hasta los 85 C.

Fig. 2 : Conductividad trmica de planchas de Aislapol en funcin de la temperatura media (d= 25 kg/m3). (1)

El poliuretano presenta un comportamiento irregular en el tramo entre 50C y 0C, debido a que el gas atrapado en sus clulas (trclorofluormetano) alcanza el punto de condensacin y se lica, permitiendo la entrada de aire. Este fenmeno origina un aumento de su conductividad trmica, como se indica en los grficos, que pasa generalmente en densidades superiores a 30kg/m3.

Es necesario hacer notar que el poliuretano sufre adems variaciones de su conductividad trmica a travs del tiempo. El gas contenido en las clulas ejerce presin de poros sobre las paredes de stas y difunde hacia el exterior, alcanzando el punto de equilibrio de presiones despus de dos aos. En los clculos de espesor de aislacin deber emplearse, por consiguiente, una conductividad trmica igual a la que adquiere el material luego de transcurrido este periodo de tiempo.

Por el contrario, el Aislapol posee caractersticas trmicas que se mantienen por un tiempo indefinido.

Valores de clculo a observar para cada material Aislapol:

( = 0,027 Kcal/m2C h a 0 C

Poliuretano:

( = 0,022 Kcal/m2C h a 0 C

Entre estos coeficientes existen una relacin de 10:8, proporcin vlida igualmente para espesores de aislacin equivalentes.

Fig. 3 : Conductividad trmica de planchas de poliuretano (espuma inyectada, agente de expansin: Frigen 11) en funcion de la temperatura y del tiempo. (1)

Fig. 4: Variacin de la conductividad trmica de planchas de poliuretano (agente de expansin triclorofluormetano para una temperatura media de 10C en funcin del tiempo (1).

Fig. 5: Conductividad trmica del Aislapol en funcin de la densidad y la temperatura media (1)

(1) (Ing. H. Zehender. Mediciones de conductividad trmica en materiales espumosos a bajas temperaturas). Forchugsinstituit fr Warmesschutz e V.. Mnchen.

Dilatacin lineal

En frigorficos es esencial contar con materiales de poca contraccin lineal trmica para evitar las aberturas en los puntos de unin de las planchas.

El Aislapol se contrae slo 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 segn la norma DIN 4102 en la categora de difcilmente inflamable, y segn la norma ASTM 1962-68, como autoextinguible (ver IT 1130 ). El poliuretano es clasificado como un material normalmente inflamable. Slo el poliisocianurato (PIR) es considerado como material de comportamiento al fuego similar al Aislapol.

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

Humedad y aislacin trmica

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 tecnologa industrial requiere de procesos que se llevan a cabo en condiciones ambientales muy precisas de temperatura y humedad. En ambos casos hay una directa interrelacin con consumo de energa por calefaccin 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 trmica. La presencia de humedad en el elemento depende de su capacidad de absorcin y de la humedad que se condense y evapore por difusin de vapor de agua originada por una diferencia entre las condiciones ambientales externas y las que se desea tener en el interior de la construccin.

Absorcin de humedad.

La absorcin de humedad de un material se ve favorecida notablemente si posee huecos interconectados entre s y con las zonas superficiales. Una estructura interna que propicie la absorcin de agua por capilaridad est totalmente contraindicada.

El Aislapol se compone de clulas polidricas cerradas y cohesionadas entre s (ver IT 1101). Su capacidad de absorcin de agua es muy baja y presenta caractersticas que impiden absolutamente el fenmeno 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 : Relacin entre la conductividad trmica y el contenido de humedad de varios materiales, a 10C de temperatura. (2)

(2) Binder, Materiales aislantes trmicos para la construccin habitacional. Ed. Facultas. Viena).

El grfico muestra que los materiales fibrosos aumentan considerablemente su conductividad trmica en comparacin con el Aislapol. Esto se debe a una estructura de espacios abiertos conectados entre s.

Si tenemos en cuenta que el calor se transmite a travs de los componentes slidos por conduccin, en forma de radiacin y conveccin por los poros o celdas y especialmente por difusin de agua lquida o vapor de agua durante procesos de absorcin (IT 1031), podemos explicar qu incidencia tiene la humedad o otras propiedades sobre el valor que toma este coeficiente.

Resistencia a la difusin 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, segn la trayectoria de temperaturas a lo ancho de su seccin transversal, puede condensar agua en su interior que luego se evapora total o parcialmente al aumentar la temperatura exterior.

Este fenmeno se evita al considerar un espesor de aislacin suficiente para suavizar la pendiente del gradiente de temperatura y al emplear materiales aislantes que posean una alta resistencia a la difusin del vapor de agua.

El material ms adecuado es el Aislapol, por su estructuras de clulas cerradas, cohesionadas entre s.

Fig. 7: Valores de resistividad trmica ( 1/ ( ) de diversos materiales. (3)

(3) (Ernst Neufert, Manual del Styropor)

Fig. 8 : Resistencia a la difusin del vapor de agua para diferentes materiales.

Resumen

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

Tabla 1

Comparacin entre Aislapol y otros aislantes fibrosos

PROPIEDADAislapolMateriales aislantes fibrosos (lana mineral, lana de vidrio)

DensidadMenor (poca absorcin de calor)Mayor (ms absorcin de calor)

Homogeneidad del materialFcil de comprobarMaterial heterogneo difcil de revisar si lleva papel en sus dos caras.

Coeficiente de conductividad trmicaLevemente ms baja 0.036 W/m*k. Densidad entre 10 y 15 Kg/m3 (4)Levemente ms 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 difusin del vapor de aguaBuenaNula. Solamente puede alcanzarla colocando una barrera de vapor.

Aumento de la conductividad trmica por efecto de la humedadPoco (5% por cada 1% de aumento del contenido de humedad)Alto (30% por cada 1% de aumento del contenido de humedad).

Impermeabilidad al vientoMuy buenaNula

Resistencia mecnicaBuenaDeficiente

Deformabilidad con el tiempoNulaEl material puede asentarse y disminuye su espesor.

Uso en paramentos verticalesSin problemasNo se puede, se asienta por peso propio, Slo se puede usar aumentando su densidad o utilizando fijaciones mecnicas.

Tolerancia dimensional(2mm(5mm.

ColorBlanco (refleja la radiacin solar)Gris (absorbe la radiacin solar, el papel caf slo atena el efecto).

ColocacinFcil e higinicaDesprende polvo, daa las manos y las vas respiratorias. Nociva para la salud.

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IT 1018

AISLAPOL GRUPO BASF

Febrero 2001 Santiago: Carrascal 3791 Quinta Normal Fono 56(2)6407070 Fax 56(2)7750936 Casilla 3238

Marca Registrada Concepcion: Paicavi 2555 Fono (41)225396 Pto. Montt: Panamericana Norte 4001 Fono(65)257404 Fax(65)259405