Download - DIVISIÓN CERÁMICOS DEL INTEMA: … · El área de materiales cerámicos para aplicaciones en electrónica inició sus actividades junto con la División. Desde esos años se han

Transcript

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com36

Introducción

La División Cerámicos es un grupo de investigación pertenecienteal Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales(INTEMA), dependiente del Consejo Nacional de InvestigacionesCientíficas y Técnicas de la República Argentina (CONICET) y de laUniversidad Nacional de Mar del Plata (UNMdP). Inició sus activi-dades en 1988, y desde entonces sus tareas han incluido investi-gaciones en el campo del diseño, desarrollo, síntesis, caracteriza-ción y aplicaciones de materiales cerámicos; acciones de serviciosy de transferencia de tecnología al medio productivo; formación derecursos humanos; colaboraciones con otros centros de investiga-ción, empresas y universidades en el ámbito nacional e internacio-nal, junto con actividades docentes de grado y posgrado en laUNMdP, y de grado en la Universidad Tecnológica Nacional (UTN).

Durante su trayectoria, el número de integrantes de la DivisiónCerámicos ha estado comprendido entre 12 y 20. En la actualidadcuenta con 11 investigadores, 1 técnico, 3 becarios (tesistas docto-rales y becarios posdoctorales) y 3 estudiantes de grado.

Desde su creación, el trabajo de sus integrantes ha resultado en larealización y defensa de 15 tesis doctorales y 2 tesis de maestría enCiencia de Materiales, más de 250 publicaciones en revistas y libroscientíficos de difusión internacional, numerosos convenios: de I+Dcon empresas, de cooperación nacional e internacional con otroscentros de investigación, y una patente con titularidad compartidacon una empresa.

A lo largo de estos años se han mantenido colaboraciones, entreotros, con el Instituto de Cerámica y Vidrio (Madrid, España), elInstituto de Química (Araraquara, Brasil), Universidad del Cauca(Popayán, Colombia), Universidad Federal de São Carlos (SanCarlos, Brasil), Universidad Técnica de Hamburgo (Hamburgo,Alemania), Universidad de Belgrado (Belgrado, Serbia), Instituto deCiencia de Materiales de Barcelona (Barcelona, España),Universidad Federal de Rio de Janeiro (Brasil), Universidad de LaHabana (Cuba), Imperial College (RU), Universidad de Santiago de

Compostela (España), Institute of Chemical Technology (Praga,República Checa), Universidad Nacional de Rio Cuarto, UniversidadNacional de Córdoba, Universidad Nacional de La Plata,Universidad Nacional de San Juan, Centro de Tecnología deRecursos Minerales y Cerámica (CETMIC, La Plata), UniversidadNacional de Salta, DEYTEMA y Departamento de Metalurgia(Universidad Tecnológica Nacional, Reg. San Nicolás), y elDepartamento de Física de la Materia Condensada (CNEA-UNSaM).

A pesar de que los temas de investigación en el grupo evoluciona-ron gradualmente al ritmo que imponen los tiempos y los avancescientíficos, los hilos conductores y las "grandes líneas" han perma-necido vigentes. En la actualidad, en la División Cerámicos delINTEMA, se trabaja en investigaciones aplicadas en diversos cam-pos de acción de estos materiales: cerámicos con funcionalidadeselectrónicas, biomédicas y magnéticas, cerámicos estructurales yrecubrimientos sol-gel funcionalizados.

Materiales electrocerámicos

El área de materiales cerámicos para aplicaciones en electrónicainició sus actividades junto con la División. Desde esos años se hanestudiado materiales basados en óxido de cinc, dióxido de estaño ytitanato de bario, para su aplicación como varistores, sensores degases, termistores con coeficiente positivo de temperatura, y con-densadores. También, se ha trabajado con materiales compuestospolímero-cerámico para aplicaciones eléctricas. En todos los temasse ha buscado vincular la estructura y la microestructura del mate-rial con las propiedades desarrolladas por los distintos materiales.

Actualmente, la línea de investigación se enfoca al desarrollo demateriales piezoeléctricos libres de plomo, de nanocompuestos die-léctricos y de películas delgadas nanoestructuradas.

Dentro de los materiales piezoeléctricos se busca obtener materia-les cerámicos densos y libres de plomo con propiedades similares

CIENCIA Y TECNOLOGÍA

DIVISIÓN CERÁMICOS DEL INTEMA: INVESTIGACIÓN, DESARROLLO YTRANSFERENCIA EN MATERIALES CERÁMICOS

Dr. José M. Porto LópezInstituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA), (CONICET - UNMdP)

Av. J.B.Justo 4302 - (B7608FDQ) Mar del Plata, Prov. de Buenos Aires

Resumen En este artículo se presenta a la División Cerámicos del Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTE-MA), y se describen sintéticamente las tareas de investigación, desarrollo y transferencia de tecnología que se desarrollan en elcampo de los materiales cerámicos.

Palabras clave: materiales cerámicos - electrocerámicos - cerámicos estructurales - biocerámicos - cerámicos magnéticos - recu-brimientos sol-gel funcionalizados.

AbstractIn this note, the Ceramics Division of the Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales (INTEMA) is presen-ted, together with a brief description of its research, development and technology transfer activities in the field of ceramic mate-rials.

Keywords: ceramic materials - electroceramics - structural ceramics - bioceramics - magnetic ceramics - functionalized sol-gelcoatings.

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 - ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com 37

a las de sus pares de circonato-titanato de plomo (Pb(Zr,Ti)O3-PZT)que son los materiales más utilizados y estudiados para aplicacio-nes tales como actuadores, sensores, transductores o vibradores.En particular, se estudian materiales del sistema basado en niobatode sodio y potasio (K0.5Na0.5NbO3), con la incorporación de distin-tos aditivos que permitan lograr materiales cerámicos densos conbajas temperaturas de sinterizado, sin la necesidad de realizar untratamiento de sinterizado bajo presión.

En el tema de nanocompuestos dieléctricos el interés se centra enla formulación de materiales compuestos formados por nanofibrasde BaTiO3 en una matriz polimérica. Para ello, se ha implementadola técnica de electrohilado (electrospinning) para producir las fibrascerámicas nanoestructuradas. Una vez obtenidas las fibras, se con-forman los materiales compuestos dentro de moldes con forma deplacas o mediante la inmersión de las fibras en la matriz polimérica.

Por otro lado, se trabaja en el desarrollo de películas delgadasnanoestructuradas para conformar dispositivos compactos que inte-gran películas conductoras que funcionan como electrodos con pelí-culas densas funcionales. Se estudia la deposición mediante lastécnicas de inmersión (dipping) y spin-coating de películas basadasen SnO2 y en CaCu3Ti4O12 para su uso como varistores o comocondensadores. Estas películas, luego de la deposición, son trata-das térmicamente para completar las reacciones de formación delos compuestos deseados y favorecer su densificación.

Las investigaciones realiza-das en estos años han logra-do menciones especiales enlos concursos: Innovar 2006(Categoría: ConceptoInnovador, Título delProyecto: CapacitoresIntegrados), Innovar 2008(Categoría InvestigaciónAplicada, Título del proyecto:Detección de tuberías plásti-cas subterráneas) y PremioL´ORÉAL UNESCO por laMujer en la Ciencia, con el

respaldo del CONICET, 2010. Asi mismo, se ha obtenido una patenteen conjunto con la empresa MetroGas por el desarrollo de un sistemaque permite localizar tuberías plásticas subterráneas por radiodetección.

Cerámicos estructurales

Las líneas centrales de investigación en el campo de los materialescerámicos estructurales, "Procesamiento de materiales cerámicosestructurales" y "Comportamiento mecánico a alta temperatura demateriales cerámicos", se llevan a cabo desde 1992. Entre lostemas abordados se han realizado estudios en diseño y procesa-miento (por distintos métodos de conformado, sinterizado y meca-nizado) de cerámicos oxídicos monofásicos avanzados, densos yporosos, de alúmina, cordierita y mullita, y compuestos de alúmi-na/whiskers de SiC, cordierita/mullita y mullita/circonia para aplica-ciones estructurales. En estos materiales se han analizado lasmicroestructuras desarrolladas y el comportamiento mecánico atemperatura ambiente y alta temperatura y, en algunos casos, larespuesta eléctrica y frente al choque térmico. Además, impulsadopor demandas de la industria siderúrgica, también se ha abordadoel estudio de materiales refractarios, en particular, de uso siderúrgi-co: ladrillos de sílice, silicoaluminosos, SiC/Al2O3/C y óxido-C(MgO-C y Al2O3-MgO-C) y monolíticos con liga cemento (alumina-tos y silicato cálcicos) de diferentes composiciones base (sílice, alú-mina, mullita, cromia) y para soldadura cerámica. El comportamien-to mecánico ha sido el aspecto más frecuentemente estudiado, aun-que también se han evaluado otras propiedades como la adhesión

(en materiales de gunitado y de soldadura cerámica), la sinterabili-dad, la resistencia al choque térmico y la evolución térmica de lamicroestructura en condiciones similares a las de servicio, inclu-yendo estudios post-mortem, además de estudios de reciclado demateriales básicos.

Actualmente, se están desarrollando materiales de mullita, macro-porosos y macro-celulares (espumas), de uso como materialesestructurales livianos y aislantes térmicos, a partir del estudio deprocesamientos coloidales de relativo bajo costo y no contaminantes.

En el primer caso, se emple-an almidones nativos o modi-ficados físicamente comoagente consolidante/ligante yformador de poros a tempe-ratura y rutas de consolida-ción alternativas a la utilizadaconvencionalmente. Losmateriales macro-celularescon estructura porosa tipoesponja se obtienen porespumado en caliente y gela-ción térmica de albúmina desuero bovino (proteína globu-lar, BSA) con y sin el agrega-do de metilcelulosa. En ambos tipos de materiales, se evalúa el com-portamiento mecánico y térmico en función de la temperatura, en rela-ción con las microestructuras desarrolladas.

Paralelamente, se desarrollauna línea de investigación enrefractarios óxido-C de usosiderúrgico (MgO-C y Al2O3-MgO-C), que involucra accio-nes de transferencia con laindustria. Además de ladegradación mecánica eva-luada a través de la determi-nación de curvas esfuerzo-deformación (empleandomedidas directas de la defor-mación de la probeta), uno delos objetivos de esta línea es la evaluación de la degradación quí-mica, orientada a la oxidación en atmósferas con diferente conteni-do de oxígeno, y la degradación por escorias siderúrgicas, incluyen-do el uso de herramientas termodinámicas específicas, con vistas adilucidar mecanismos de reacción.

Las actividades de transfe-rencia desarrolladas en lalínea de cerámicos estructu-rales han mantenido continui-dad desde 1998, principal-mente en la modalidad deI&D y servicios técnicos no-rutinarios, y se han centradohasta el momento en mate-riales refractarios de usosiderúrgico. Aunque noexclusivamente, estas accio-nes se relacionan frecuente-mente a la evaluación mecánica de los refractarios en condicionessimilares a las de servicio.

Materiales biocerámicos

El primer tema explorado en este campo fue, desde la creación de

CIENCIA Y TECNOLOGÍA

Figura 1. Fibras de BaTiO3 obtenidasmediante la técnica de electrospinning.

Figura 2. Microestructura en verde de mulli-ta porosa obtenida a partir de una suspen-sión pre-gelada con almidón de papa.

Figura 3. Microestructura macro-celularen verde de mullita-BSA-metilcelulosa.

10K V x100 100μm 23 28 SEI

10K V x150 100μm 19 28 SEI

Figura 4. Refractario Al2O3-MgO-C deuso siderúrgico.

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com38

la División, el desarrollo y estudio fisico químico y del comporta-miento biológico de vidrios y vitrocerámicos bioactivos del sistemaSiO2-CaO-MgO-P2O5-CaF2 para aplicaciones biomédicas. Estalínea continúa en la actualidad con un proyecto(INTEMA/UNSa/Imperial College, RU) de desarrollo de soportes(scaffolds) de vidrios y vitrocerámicos bioactivos de porosidad con-trolada para aplicaciones en regeneración ósea.

En el año 1993, se comenzó a estudiar la síntesis y procesamientode polvos de hidroxiapatita, Ca10(PO4)6(OH)2 (HA), un fosfato de cal-cio cristalográficamente similar al componente inorgánico de hue-sos y dientes. Este material, junto a otros fosfatos de calcio, consti-tuye la base de numerosos estudios desplegados en el área de bio-materiales cerámicos. Se han desarrollado mezclas de fosfatos decalcio (fosfato tetracálcico, TTCP y fosfato ácido de calcio anhidro,DCPA) con buenas propiedades hidráulicas, que los convierten enexcelentes materiales para ser empleados como cementos óseos.Asimismo, la combinación de estos sistemas con materiales poli-méricos ha dado lugar al desarrollo de materiales compuestos conaplicaciones diversas.

En los últimos años, se logródesarrollar un cemento óseonovedoso basado en fosfatosde calcio conteniendo micro-partículas híbridas nanoes-tructuradas portadoras deácido acetil salicílico. Esta for-mulación permitió modificar elperfil de liberación del princi-pio activo. Debido a la versa-tilidad del método desarrolla-do, la vía de síntesis pro-puesta para estas micropartí-culas abre un amplio abanicode posibilidades para la obtención de nuevos sistemas de liberaciónde fármacos (antiinflamatorios, antibióticos), donde la estructuramolecular de los precursores utilizados juega un rol fundamental.

En la actualidad, se investiga la síntesis de hidroxiapatita de tama-ño nanométrico mediante la precipitación asistida por ultrasonido opor síntesis hidrotermal. Esto permite controlar la morfología de laspartículas obtenidas según los aditivos agregados.

Las partículas de hidroxiapatita se emplean actualmente como fasede refuerzo en sistemas compuestos de matriz polimérica (polica-prolactona) o incluso inorgánica (TiO2). El estudio de matrices com-puestas como soporte para el crecimiento de nuevo tejido se orien-ta además, al desarrollo de materiales funcionalizados. Poder dotara estos materiales compuestos de una acción biológica específicaes uno de los objetivos más importantes en el área de estudio plan-teado. Para funcionalizar estos biomateriales, se trabaja empleandocomo solvente dióxido de carbono en condiciones supercríticas(CO2-SC). Esta metodología, conocida como tecnología de fluidossupercríticos, comenzó a desarrollarse como trabajo posdoctoral enel exterior (período 1999-2003) siendo incorporada a nuestro grupoa principios del año 2005, en el que se comenzó a trabajar en eldiseño, construcción y puesta en marcha de una planta de extrac-ción-adsorción supercrítica (HPU 500).

Los estudios realizados en esta línea fueron distinguidos con elPremio Ernesto E. Galloni en Nanotecnología (Premio Estímulo),otorgado por la Academia Nacional de Ciencias Exactas, Físicas yNaturales, Sección Ingeniería, en 2008.

Cerámicos basados en óxidos magnéticos

Las investigaciones referidas a cerámicos magnéticos se iniciaron

en 1999 con el desarrollo de una tesis doctoral en Ciencia deMateriales. La misma abordó el estudio de reacciones en estadosólido activadas mecanoquímicamente, aplicadas a la síntesis demateriales compuestos metal-cerámico (Fe/Al2O3) y cerámicos conpropiedades eléctricas y magnéticas (MnxZn1-xFe2O4, ZnTiO3).

La activación mecanoquímica consiste en realizar una molienda dealta energía de reactivos sólidos, como óxidos, carbonatos o meta-les. Esto produce, en primera instancia, la pérdida de cristalinidadcomo consecuencia de la acumulación de defectos en la estructura,lo que frecuentemente conduce a un aumento en la reactividad delos sólidos. La utilización del método mecanoquímico como herra-mienta de síntesis de materiales ha resultado ventajosa desde elpunto de vista del proceso, debido a las menores temperaturasnecesarias para producir las reacciones entre los sólidos, a la ace-leración de las cinéticas de las mismas, y/o al desarrollo de fasesmetaestables a través del establecimiento de mecanismos de reac-ción alternativos a los favorecidos termodinámicamente. Dado queel tratamiento mecánico altera el ordenamiento de los iones en lared, varios de los materiales obtenidos exhibieron propiedades dife-rentes a los que se producen por métodos más convencionales. Porejemplo, en las ferritas MnxZn1-xFe2O4, fue posible variar la distri-bución catiónica entre los sitios tetraédricos y octaédricos de laestructura de espinela mediante la combinación de tratamientosmecánicos y térmicos. Esto permitió modificar este ordenamiento, elcual tiene fuerte influencia sobre la magnetización de estos mate-riales.

En los últimos años se han iniciado estudios sobre la síntesis deortoferritas YxLa1-xFeO3 y SrxLa1-xFeO3. Estos óxidos con estruc-tura de perovskita son de importancia tecnológica por su uso cre-ciente en áreas como celdas de combustible, sensores, materialesmagneto-ópticos y catalizadores. La aplicación del método meca-noquímico resulta particularmente interesante para estos materialesya que la estructura distorsionada generada a temperatura ambien-te durante la propia activación mecánica, presenta mayor magneti-zación que la obtenida por otros métodos de síntesis. En este tema,una tesis doctoral aprobada en 2010 obtuvo la Primera Mención delPremio Jorge Sabato en la categoría "Mejor Trabajo de Tesis deDoctorado". Actualmente, además se está trabajando con materiales multiferroi-cos basados en BiFeO3, en los que existe un acoplamiento entre losparámetros de orden magnético y eléctrico. Esta interacción permi-te por ejemplo la escritura de datos en una memoria en forma eléc-trica mientras la lectura de los mismos podría hacerse magnética-mente, lo cual brinda la posibilidad de evitar las dificultades asocia-das con la lectura de las memorias RAM (ferroeléctricas) y la utili-zación de campos magnéticos elevados, necesarios para el proce-so de escritura. La prepa-ración de BiFeO3 policris-talino puro presentaserias dificultades debidoal estrecho rango de tem-peraturas donde la fasees estable. En la metodo-logía de síntesis conven-cional, esto lleva a la for-mación de diversas impu-rezas, con el consecuen-te detrimento en el com-portamiento magnetoe-léctrico. La preparaciónpor vía mecanoquímicapodría limitar la genera-ción de estas fasessecundarias a través deluso de temperaturas deprocesamiento másbajas.

CIENCIA Y TECNOLOGÍA

Figura 5. Microestructura de un cementoóseo formulado a partir de TTCP, DCPA ymicroesferas híbridas nanoestructuradas.

Figura 6. Efectos de la composición sobre laestructura cristalina y la magnetización (M) deferritas YxLa1-xFeO3 obtenidas a temperaturaambiente por procesamiento mecanoquímico.

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 - ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com 39

CIENCIA Y TECNOLOGÍA

Recubrimientos sol-gel funcionalizados

La investigación desarrollada en el campo de los materiales sinteti-zados a partir de la química sol-gel, se centra principalmente en eldesarrollo de estructuras vítreas de sílice modificadas orgánica-mente. De este modo, y mediante el estudio de diversas formula-ciones químicas y parámetros de síntesis y procesamiento se hanencarado distintos desafíos relacionados con la modificación super-ficial de los materiales a través del desarrollo de recubrimientosvítreos funcionalizados.

Mediante distintas acciones de cooperación con el Departamentode Vidrios del Instituto de Cerámica y Vidrio de Madrid (ICV-CSIC)y la División Corrosión del INTEMA, se desarrollan dos líneas deinvestigación relacionadas con recubrimientos bioactivos y recubri-mientos anticorrosivos. En el área de recubrimientos bioactivos setrabaja en la generación de un sistema de recubrimientos de basesílice cargados con partículas vitrocerámicas del sistema P2O5-CaO-SiO2; la finalidad de estos recubrimientos es brindar a losimplantes quirúrgicos de bajo costo relativo, principalmente deacero inoxidable 316L, propiedades de regeneración ósea e inhibi-ción de la liberación iónica del material del implante, mejorando laadhesión, la vida útil y el desempeño general del implante. En elcampo de los recubrimientos anticorrosivos se trabaja en la optimi-zación de las propiedades barrera, que aíslan el substrato de unambiente agresivo, y de la promoción de propiedades de autocura-do, o self-healing, es decir una reparación producida en forma auto-mática luego de un daño eventual en el recubrimiento. Este fenó-meno se basa en la combinación de las propiedades fisicoquímicasde una matriz vítrea producida por sol-gel con las característicasinhibitorias de la corrosión que presentan ciertos elementos lantáni-dos, como son el Ce y el La, añadidos en la composición.

Más recientemente, atendiendo a una problemática del orden de lasalud pública, se inició el desarrollo de nuevos recubrimientos conpropiedades biocidas, en los cuales se busca efectividad contra laproliferación de la vida bacteriana sobre superficies expuestas alcontacto humano. La incorporación de iones de Ag, Cu y Co a losmateriales híbridos orgánico-inorgánicos permitirá el desarrollo derecubrimientos en los que la liberación controlada de dichos ionesotorgará las propiedades biocidas a largo plazo.

Consideraciones finales

A lo largo de un cuarto de siglo de actividad, la División Cerámicosdel INTEMA también ha contribuido al sector socio-productivo a tra-vés de la formación de científicos destacados que se desempeñanactualmente en otros centros de investigación reconocidos y enempresas de corte tecnológico (Centro Atómico Bariloche; CINI-Siderca; Universidad del Cauca, Colombia; Infineon Technologies,Alemania).

Es interesante mencionar que un estudio bibliométrico del año2009, cubriendo el período 1997-2008, ubica a la UNMdP (donde laDivisión Cerámicos de INTEMA es el único grupo de investigaciónen materiales cerámicos) en el primer lugar en producción científicaen la Argentina y en quinto lugar en Latinoamérica en su campo,luego de la Universidade Federal de São Carlos (UFSCar), laUniversidade Estadual Paulista (UNESP), la Universidade de SãoPaulo (USP), todas de Brasil, y la Universidad Nacional Autónomade México [1].

En el futuro se espera continuar con un crecimiento sostenido delgrupo a través de la incorporación de nuevos temas de investiga-ción y de personal, tanto de planta permanente (investigadores yprofesionales y técnicos de apoyo a la investigación) como beca-rios. Del mismo modo, y dados los beneficios que hasta el presen-te han aportado, las actividades de transferencia y las acciones de

cooperación con otros centros nacionales y extranjeros continuaránsiendo parte de los objetivos centrales del grupo.

Contactos en las distintas líneas de investigación

Investigación sobre Materiales Electrocerámicos- Dr. Miriam S. Castro, [email protected] Dr. Rodrigo Parra, [email protected] Dr. Leandro A. Ramajo, [email protected]

Investigación sobre Cerámicos Estructurales- Dra. María Andrea Camerucci, [email protected] Dra. Analía G. Tomba Martinez, [email protected]

Investigación sobre Materiales Biocerámicos- Dra. María Alejandra Fanovich, [email protected]

Investigación sobre Cerámicos basados en Óxidos Magnéticos- Dr. Pablo M. Botta, [email protected] Dr. Adrián A. Cristóbal, [email protected]

Investigación sobre Recubrimientos sol-gel funcionalizados- Dr. Sergio A. Pellice, [email protected] Dr. Raúl A. Procaccini, [email protected]

Referencia Bibliográfica

[1] J.I.Rojas-Solá y col.: "Análisis bibliométrico de las publicaciones científicasde América Latina, España y Portugal en la categoría Materials Science,Ceramics de la base de datos JCR (SCI) (1997-2008)", Boletín de la SociedadEspañola de Cerámica y Vidrio 48 (6) 297-310 (2009).

EEEE LLLL EEEE CCCC PPPP OOOO RRRR SSSS .... AAAA ....FABRICACION DE PORCELANA ELECTRICA PARA ILUMINACION

(HASTA 60 AMP)AISLADORES E INTERCEPTORES

Fab.: Ruta 25 Nº 2782 y Víctor Maro - Adm. y Vta.: Alicia Moreau de Justo 5641625 BELEN DE ESCOBAR -Telefax:(0348) 4421969 | [email protected]

´

ARTIC S.A.I.C.

Habana 2248 (1640) Martínez. Tel.: 4798-1272, Fax.: [email protected] www.imanes-ferrites.com

Imanes de cerámica y especiales,

núcleos de ferritaCERÁMICAS ELECTRÓNICAS

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com40

CIENCIA Y TECNOLOGIA

EFECTO TÉRMICO DE BALDOSAS CERÁMICAS SITUADAS EN EXTERIORES

Vicente Cantavella Soler*, Émilie Bannier, Gonzalo Silva Moreno, Encarna Bou SolsonaInstituto de Tecnología Cerámica (ITC). Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas (AICE).

Universidad Jaume I. Castellón. España.*[email protected]

ResumenLas superficies de pavimentos expuestas al sol incrementan la temperatura del ambiente, conduciendo a lo que se conoce comoefecto isla de calor de las ciudades. En este trabajo se aborda la transferencia de calor desde el ambiente hasta la superficie hori-zontal de una pieza situada en el exterior, se revisan los parámetros que influyen en dicha transferencia y la temperatura quealcanza la superficie de la pieza. Se analiza la idoneidad del índice de reflectancia solar (SRI) para cuantificar dicha temperatura,así como el papel que juega la capacidad de absorción de calor que tiene el terreno sobre el que se asienta la pieza.Aunque el estudio se ha centrado en baldosas cerámicas, la metodología es aplicable a cualquier tipo de superficie.

Palabras clave: Baldosas cerámicas, pavimento urbano, índice de reflectancia solar, simulación.

AbstractFloor surfaces exposed to sunlight increase ambient temperature, leading to the so-called heat island effect in cities. This papertackles the heat transfer from the environment to the horizontal surface of a piece located outdoors; we review the parametersinfluencing this transfer and the temperature reached by the surface. We analyse the suitability of the solar reflectance index (SRI)for quantifying the peak temperature, and the role of the capacity of heat storage of the ground.Although the study is focused on ceramic tiles, the methodology is applicable to any type of surface.

Keywords: Ceramic tiles, urban pavement, simulation, solar reflectance index

Introducción:

En las zonas urbanas la temperatura del aire es mayor que en laszonas rurales cercanas como consecuencia de la actividad humanay de la alta densidad de infraestructuras construidas (edificios, calles,pavimentos…).Esta diferencia de temperatura suele ser mayor du-rante la noche puesto que los edificios y pavimentos desprenden elcalor acumulado durante el día; este fenómeno se conoce como islade calor urbana y ha sido ampliamente estudiado en los últimos 50años [1-3].

La formación de estas islas de calor urbanas es perjudicial a nivelmedioambiental ya que el aumento de la temperatura urbana con-duce a un mayor consumo energético para la refrigeración, intensifi-ca los problemas de contaminación y causa problemas de salud. Porlo tanto, es necesario utilizar materiales de construcción "fríos" cuyasuperficie no se caliente excesivamente al ser expuestos a la ra-diación solar.

Para conocer la temperatura de una superficie es necesario determi-nar su reflectancia solar y su emisividad térmica. La reflectancia solarcuantifica la capacidad que tiene una superficie de absorber la ra-diación solar incidente mientras que la emisividad térmica define sucapacidad para radiar el calor. La temperatura superficial alcanzadapor una pieza aislada por su parte inferior (Tp) depende de la emisi-vidad térmica (ε), la reflectancia solar (a), la radiación solar incidente(Gs), la temperatura del cielo (Tsky) y la temperatura ambiente (Ta)según la relación siguiente:

(Ec.1)

donde σ es la constante de Stefan-Boltzmann y hC el coeficiente detransferencia de calor por convección.

Para evaluar la capacidad de una superficie para calentarse y com-parar distintos materiales, se puede utilizar el índice de reflectanciasolar (Solar Reflectance Index, SRI)[4] que combina los efectos de

la emisividad térmica y de la reflectancia solar. Este índice se definecomo:

(Ec.2)

Siendo TW, TB y Tp las temperaturas alcanzadas respectivamente poruna superficie blanca de referencia (a = 0,80 y ε = 0,9), una superfi-cie negra de referencia (a = 0,05 y ε = 0,9) y la superficie problema,en las condiciones definidas en la norma ASTM E1980-11 [4].

El índice de reflectancia solar (SRI) se utiliza en la certificación LEED(Leadership in Energy and Environmental Design). Esta normativaha sido desarrollada por el U.S. Green Building Council (USGBC)para certificar edificios sostenibles y consiste en asignar una serie depuntos a un proyecto de edificación en función de distintos aspectoscomo el ahorro de energía y de agua, la mejora de la calidad ambi-ental interior, la gestión de recursos, el uso de materiales ecológicos,etc. En particular, la certificación LEED premia el uso de materialescon un SRI superior a 29 en suelos exteriores y techos, para reducirel fenómeno de isla de calor [5].

En la primera parte de este trabajo se analizaron distintas baldosascerámicas evaluando la temperatura máxima que alcanzan cuandose sitúan sobre una superficie aislante (sin pérdidas de calor por suparte inferior), y correlacionando dicha temperatura con el SRI.En la segunda parte del estudio se realizó una simulación que teníaen cuenta la transferencia de calor por la parte inferior de la pieza,incorporando con ello la inercia térmica del terreno. Como tempe-ratura ambiente y radiación se han utilizado los valores de la base dedatos empleada por Energy Plus [7] correspondientes a la ciudad deMadrid en verano.

Estudio experimentalMateriales

Es la primera parte de este trabajo se analizaron distintas baldosas

(1 - a)Gs = εσ (Τ4p - Τ

4sky) + hC (Tp - Ta)

SRI= TB - Tp

TB - Tw

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 - ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com 41

CIENCIA Y TECNOLOGIA

diferentes condiciones de viento que se detallan en la norma.Se puede comprobar que los tres tonos más oscuros presentan valo-res del índice de reflectancia solar inferiores a 29; por lo tanto, nopermiten el cumplimiento de la condición impuesta por el LEED.

Calentamiento del pavimento durante la exposición a laradiación solar

El valor del SRI está directamente relacionado con el calentamientode una superficie expuesta a la radiación solar y los resultadosobtenidos en el apartado anterior indican que las baldosas claras secalientan menos que las oscuras al recibir radiación solar.Para validar este resultado, se decidió medir la temperatura alcan-zada por las distintas piezas situadas en una zona soleada. Para ellose colocaron todas las muestras sobre una placa de aislante térmicosituada en la azotea del Instituto de Tecnología Cerámica (figura 1) yse midió su temperatura superficial usando un pirómetro (modelo

MI320LTS de Raytek) durante una mañana soleada de primavera.Los resultados obtenidos aparecen en la figura 2 (a).

En general se observa una buena correlación entre el SRI y la tem-peratura que alcanza la pieza (figura 2 (b)); por tanto el índice dereflectancia solar es un buen indicador de la capacidad de un pavi-mento cerámico a calentarse bajo radiación solar.

cerámicas de gres porcelánico (figura 1) con el fin de estudiar el efec-to del color sobre el calentamiento superficial del pavimento.

Medida de la emisividad térmica y de la reflectancia solar

Se determinó la emisividad térmica usando un emisómetro modeloAE1 de Devices & Services Company calibrado mediante patronesde emisividad conocida. Asimismo, se midió la reflectancia solar conun reflectómetro de espectro solar modelo SSR-ER V6 de Devices &Services Company. La distribución espectral de la radiación solar,correspondiente a 1,5 atmósferas, se simuló utilizando las tablas dela norma ASTM G173-03. La tabla 1 recoge los resultados obtenidospara todas las muestras ensayadas.

Se puede comprobar que la emisividad es independiente del color dela pieza ensayada; en cambio, se aprecia que la reflectancia solar vadisminuyendo a medida que oscurece el color de la pieza ensayadacomo consecuencia de la mayor absorción de la radiación solar inci-dente por las superficies oscuras.

Cálculo del índice de reflectancia solar

A partir de los valores de emisividad térmica y de reflectancia solarmedidos, se calculó el índice de reflectancia solar (SRI) según la nor-ma ASTM E1980-11 [4]. La tabla 2 presenta los resultados para las

Figura 1.Baldosas cerámicas utilizadas en el estudio.

Figura 2. (a) Temperatura (Tp) alcanzada por los distintos pavimentosexpuestos a la radiación solar. (b) Temperatura media (Tmedia) alcan-zada por las piezas expuestas a la radiación solar en función de suíndice de reflectancia solar (para hc=12 W/(m2·K)).

Tabla 1. Valores de reflectancia solar (a) y emisividad térmica (εε)

Tabla 2. Índice de reflectancia solar (SRI) en función del coefi-ciente de convección (hc = 5, 12 y 30 W/(m2·K) correspondientes avelocidades de viento baja, media y alta respectivamente).

Color Blanco Beige Marrónclaro

Azul Verde Marrónoscuro

Azulmarino

Negro

a 0.73 0.64 0.44 0.37 0.34 0.29 0.25 0.13ε 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85 0.84 0.85 0.85

hcW/(m2·K)

Blanco Beige Marrónclaro

Azul Verde Marrónoscuro

Azulmarino

Negro

5 88 74 46 36 32 25 20 612 89 76 49 39 35 28 23 7

30 90 78 50 41 37 30 25 9

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com42

CIENCIA Y TECNOLOGIA

Simulación

Las piezas cerámicas instaladas sobre un sustrato alcanzan una tem-peratura diferente a la que alcanzaría una pieza situada sobre unasuperficie aislante, debido a la capacidad de acumular calor del sus-trato. La transferencia de calor en una pieza se muestra de formasimplificada en la figura 3.

El estudio de la transferencia de calor entre una superficie y el am-biente puede simplificarse utilizando el concepto de temperatura sol-aire (Tsa), definida como:

(Ec. 3)

donde hR es el coeficiente de transferencia de calor por radiación y losdemás parámetros ya han sido definidos anteriormente (ec.1). hR

depende de la emisividad térmica de la superficie (ε), pudiéndose es-cribir como:

De forma simplificada se puede considerar un coeficiente global detransferencia de calor, que incluiría tanto la convección como la ra-diación (hT), obteniéndose:

(Ec. 4)

Y el flujo de calor que llega a una superficie se puede expresar como

Si no existe transferencia de calor al terreno (inercia térmica), el flujode calor debe ser cero (todo el calor que llega a la pieza debe per-derse por su superficie superior), por tanto la temperatura de lasuperficie de la pieza es la temperatura sol-aire (Tp = Tsa). Para simular la transferencia de calor al terreno se utilizó el progra-ma de cálculo por elementos finitos Code_Aster [6], y se realizó unmallado de una zona de 10 m desde la superficie, garantizando conello que su extensión era suficientemente profunda. Para realizar loscálculos es necesario conocer la temperatura ambiente y la radiaciónsolar, que dependen de la zona climática y la época del año. Estainformación se obtuvo de la base de datos empleada por Energy Plus[7] empleándose las condiciones climáticas de Madrid para el mes dejulio, aunque únicamente se analizó el intervalo de días entre el 21 yel 27. El terreno se consideró como un material homogéneo, con unaconductividad térmica de 2 W/(m·K), una densidad de 2000 kg/m

3y

un calor específico de 1000 J/(kg·K) [8]. En la figura 4 se muestra lazona mallada así como el perfil de temperatura cerca de la superficieen un instante del cálculo.

Figura 3. Transferencia de calor de la pieza con el ambiente, el cielo yel sustrato.

Figura 4. Zona del terreno simulada, detalle del perfil térmico en uninstante para la pieza de color marrón claro.

En la figura 5 (b) se puede ver la evolución de Tsa y Tp para el inter-valo de días entre el 21 y el 27 de julio para la pieza de color marrónclaro; comprobándose el gran efecto amortiguador de la presenciadel terreno. En la figura 5 (b) se presenta la media de los valoresmáximos de Tsa y de Tp para todas las piezas. Se constata que Tp,max

es significativamente inferior a Tsa,max, lo que demuestra nuevamenteel efecto térmico que ejerce el terreno.

Figura 5. (a) Evolución de la temperatura sol-aire (Tsa) y de la pieza(Tp). (b) Valores máximos de Tsa y Tp en función del SRI.

hC Ta + hR Tsky + (1- a) Gs

hC + hRTsa =

hR = εσ ( T2p + T

2sky)(Tp + Tsky)

(1 - a)Gs

hT

Tsa = Ta +

q = hT (Tp - Tsa)

CERAMICA Y CRISTAL 146 - DICIEMBRE 2013 - ISSN 0325 0229 www.ceramicaycristal.com 43

Conclusiones

Se ha analizado la transferencia de calor en una superficie cerámicaexpuesta al Sol y situada sobre un sustrato.

- El amortiguamiento térmico que produce el terreno es muy signifi-cativo. En colores oscuros, y en las condiciones analizadas, la tem-peratura máxima pasó de 73 a 53 ºC al considerar el efecto térmicodel terreno. Análogamente las temperaturas mínimas aumentan a-preciablemente.- El índice de reflectancia solar (SRI) se correlaciona bien con la tem-peratura que alcanza la superficie de una pieza, tanto si existe efec-to de inercia térmica del sustrato como si la pieza se sitúa sobre unasuperficie aislante térmica (adiabática).

Referencias bibliográficas

[1] Using advanced cool materials in the urban built environmentto mitigate heatislands and improve thermal comfort conditions; M. Santamouris, A. Synnef, T.Karless; Solar Energy 85 (2011) 3085-3102

[2] How to make a city climate-proof, addressing the urban heat island effect; L.Kleerekoper, M. van Esch, T. Baldiri Salcedo; Resources, Conservation and Recy-cling 64 (2012) 30- 38[3] Cooling the cities - A review of reflective and green roof mitigation technologiesto fight heat island and improve comfort in urban environments; M. Santamouris;Solar Energy (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.solener.2012.07.003[4] ASTM E1980-11 "Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index ofHorizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces"[5] Página web oficial de la certificación LEED [on-line] [acceso 24/02/2012]:http://www.usgbc.org/DisplayPage.aspx?CategoryID=19 [6] Code_Aster. Électricité de France (EDF) [on-line] [acceso 24/02/2012]:http://www.code-aster.org/V2/spip.php?rubrique4[7] EnergyPlus Energy Simulation Software. Weather Data [on-line] [acceso 31/08/2012]:http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/weather_data.cfm

[8] Condiciones de aceptación de procedimientos alternativos a LIDER y CALE-NER. Guía para la calificación de eficiencia energética de edificios, publicada porel ministerio de vivienda, por el ministerio de industria, turismo y comercio (IDAE),2009. http://www.mityc.es/energia/desarrollo/EficienciaEnergetica/Certificacion-Energetica/DocumentosReconocidos/Paginas/documentosreconocidos.aspx[acceso 31/08/12].

CIENCIA Y TECNOLOGIA