Materias Primas utilizadas en la fabricación de Paneles Sandwich
Un panel sandwich típico tiene una estructura de tres capas. Las superficies rígidas, con un módulo relativamente alto de elasticidad, se mantienen a distancia por un núcleo ligero, el cual tiene una rigidez a flexión suficiente para soportar la mayor parte de los esfuerzos de corte. El núcleo actúa también como una capa de aislamiento térmico altamente eficaz.
El crecimiento en el uso de los paneles compuestos se debe principalmente a la necesi- dad de la industria de la construcción de un panel con un peso contenido que tenga tam- bién elevados valores de aislamiento térmico, y sea al mismo tiempo sencillo de instalar.
El primer requisito ha sido satisfecho gracias al desarrollo técnico de las espumas rígidas de poliuretano (PUR) y de poliisocianurato (PIR), capaces de ofrecer elevadas propiedades de aislamiento térmico, especialmente si se ponen en relación con los materiales comúnmente utilizados en la construcción. La segunda característica, consistente en la sencillez de montaje en la estructura portante, ha resultado ser uno de los factores principales de la popularidad de dicho producto, ya que los tiempos de construcción se han reducido notablemente respecto a los métodos tradicionales, con el consiguiente ahorro de los costes de mano de obra. Durante los últimos 5-10 años, la línea de producto se ha ampliado gracias al desarrollo de los paneles sandwich con lana de roca. Originalmente desarrollados y probados para la utilización en las aplicaciones a prueba de incendios, dichos paneles son actualmente más utilizados para satisfacer los requisitos de aislamiento y absorción acústica. En definitiva, gracias al elevado número de características favorables, los paneles sandwich son un elemento esencial en las aplicaciones constructivas del futuro.
Superficies metálicas
Para las superficies metálicas exteriores se utilizan generalmente hojas relativamente finas de alta resistencia. Éstas deben cumplir los siguientes requisitos:
- Requisitos de producción relativos al perfilado y plegado
- Requisitos funcionales de resistencia al viento
- Impermeabilidad al agua y al vapor
- Características de resistencia estructural, y capacidad de resistir a cargas locales
- Adecuada resistencia a la corrosión y al fuego.
No todos estos requisitos son de igual importancia en cada una de las aplicaciones, pero está claro que éstos se satisfacen económicamente con hojas metálicas, en especial modo de acero y aluminio.
Por lo tanto, los metales utilizados son:
- acero galvanizado, pintado o desnudo
- aluminio, pintado o desnudo
- acero inoxidable
- cobre.
Las hojas de metal son suministradas por el proveedor en rollos (Fig. 2.1 y 2.2), y se pueden incorporar fácilmente en un proceso continuo de producción, y pueden moldearse fácilmente para el perfilado.
Acero galvanizado
Los paneles sandwich con superficies de aluminio a veces se utilizan en aplicaciones en las cuales se tienen especiales requisitos de resistencia a la corrosión o higiénicos, como por ejemplo, en la producción o almacenamiento de productos alimentarios. El aluminio utilizado es una aleación de aluminio codificada como 3003 – 3103. El espesor normalmente utilizado varía dentro del intervalo 0,7÷1,2 mm. Un espesor de 0,7 mm es a menudo considerado como el valor mínimo para evitar daños locales relacionados con el desplazamiento y las pisadas, pero a veces se utiliza también un espesor de 0,6 mm.
Otros materiales
El acero inoxidable normalmente se utiliza en las aplicaciones caracterizadas por importantes requisitos higiénicos, o en las cuales se requiere una elevada resistencia a un ambiente agresivo interior. Por este motivo, las superficies de acero inoxidable permiten obtener revestimientos de una elevada calidad y que necesitan un mantenimiento limitado. La resistencia a la corrosión del acero inoxidable se debe principalmente a su contenido de cromo, que evita la oxidación del hierro.
También el cobre es un material alternativo utilizado para reducir la necesidad de mantenimiento en los revestimientos de los edificios. La resistencia a la corrosión ofrecida por el cobre se debe a una fina capa de óxido que se forma gradualmente en la superficie, lo que hace que el panel compuesto sea adecuado para ambientes rurales, urbanos y también marinos. El color original se oscurece a causa de la oxidación. Se obtiene una oxidación plena en 4÷6 años en ambientes marinos, 8÷15 años en ambientes urbanos y puede requerir de 20 a 50 años en ambientes rurales.
Desde el punto de vista de la producción, la adhesión entre las superficies de acero inoxidable y cobre y el núcleo es parecida a la que se obtiene utilizando acero galvanizado y aluminio. Para asegurar una adhesión satisfactoria al núcleo, los lados de las superficies metálicas que entran en contacto con la espuma se revisten con una imprimación adecuada. Por esta razón, los rollos de metal son entregados por el fabricante con la cara interna revestida con una capa con un espesor de 5 micrones de una pintura especial llamada backcoat.
Espumas rígidas
Las espumas rígidas más frecuentemente utilizadas en la producción de paneles compuestos son:
- poliuretano / poliisocianurato (PUR/PIR)
- resina fenólica (PF).
Estos dos materiales tienen una estructura de células cerradas, con aproximadamente el 90% del material de células cerradas, y una baja inercia térmica. Además, se los llama termoindurecibles, lo que significa que, una vez moldeadas, éstos no pueden cambiar su forma debido a la amplia formación de uniones entre moléculas.
Poliuretano / Poliisocianurato (PUR/PIR)
Los componentes principales de las espumas de poliuretano y de poliisocianurato son:
- poliol
- isocianato
- un agente de expansión
- un activador para controlar la reacción
Hasta hace poco tiempo, los agentes de expansión eran casi invariablemente clorofluorocarburos, cuyo uso ha sido prohibido con el protocolo de Montreal, ya que son conocidos por ser una de las causas de la reducción de la capa de ozono. Hoy, los agentes de expansión más utilizados en la producción de paneles compuestos son varias formas de pentano y agua, que liberan, al reaccionar con el isocianato, dióxido de carbono CO2.
En algunos casos, se puede inyectar en la mezcla un agente retardante de llama para aumentar la resistencia del panel al fuego. El principal inconveniente si se utilizan retardantes de llama está relacionado con el aumento de humos negros producidos en caso de incendio.
Una vez mezclados los componentes químicos (Fig. 2.3), el líquido comienza a espumar y a expandirse rápidamente (Fig. 2.4). El tiempo que transcurre desde la primera mezcla de los componentes al endurecimiento de la espuma se sitúa entre 3 y 6 minutos, dependiendo del espesor de la capa de espuma deseado. Dado que la reacción química es exotérmica, en el núcleo de los paneles con un espesor superior a los 100 mm aproximadamente se pueden alcanzar temperaturas incluso superiores a 150 °C. Por lo tanto, es necesario almacenar los paneles de más espesor durante al menos 24 horas para que se complete la fase de endurecimiento y enfriamiento y se pueda proceder al envío de los mismos.
Las espumas de poliisocianurato (PIR) difieren de las espumas de poliuretano puro (PUR) sólo en la relación de mezcla de los componentes, esto es poliol e isocianato. Esta relación es de aproximadamente 100:150 en comparación con el 100:100 para el PUR. Por lo tanto, hay más isocianato en el PIR que en el PUR. Esta diferencia de composición ofrece al material final propiedades diferentes a causa de la diferente estructura química, incluso si el proceso de espumado y las propiedades mecánicas y físicas normalmente son parecidas.
Las espumas de PIR se usan solamente por sus superiores características de estabilidad térmica y prestación al fuego. Mientras que una espuma de poliuretano puro se descompone gradualmente si se expone a temperaturas superiores a los 250 °C, una espuma PIR generalmente soporta temperaturas superiores a los 350 °C antes de comenzar a descomponerse. En ésta se forma, además, una capa estable carbonizada que mejora significativamente la prestación ante el fuego. Esta mejora en el comportamiento ante el fuego se obtiene con el coste de un proceso de elaboración más caro, ya que la reacción química requiere (para tener lugar) una temperatura igual a aproximadamente 40÷45 °C, esto es, igual al doble de la requerida para una reacción de una espuma de poliuretano.
La estructura de la espuma endurecida consiste principalmente en células cerradas que están separadas entre sí por membranas finas (Fig. 2.5), al contrario que la estructura de células abiertas que caracteriza a las espumas flexibles (Fig. 2.6). Las células contienen un agente de expansión y normalmente también algunos restos de dióxido de carbono, CO2.
El CO2 sale muy rápidamente a través de las membranas y después de un tiempo, el resultado es que las células cerradas contienen sobre todo agente de expansión que tiene excelentes propiedades aislantes. A continuación, puede difundirse aire a partir de la espuma pero esto tiene poca influencia en las propiedades aislantes.
Clasificación de las espumas de poliuretano (PUR)
Las espumas de poliuretano se clasifican normalmente, en lo que se refiere a su reacción ante el fuego, de acuerdo con el método de prueba alemán, definido por la norma DIN 4102-1. De acuerdo con esta norma, una espuma de poliuretano, cargada con agentes retardantes de las llamas, muestra mejores características de reacción al fuego y puede clasificarse como B2, mientras que todas las otras entran en la clase B3.
La necesidad de dicha clasificación nace del hecho que, para obtener la clasificación alemana, Zulassung, la espuma de poliuretano debe clasificarse como B2. Por esta razón, esta convención está hoy ampliamente aceptada por los fabricantes de espuma de poliuretano (incluida Metecno), los cuales identifican el material con mejores características de reacción al fuego como PUR B2, y una espuma de poliuretano con propiedades “estándar” como PUR B3.
La misma regla se aplica también en Francia donde, para obtener la clasificación francesa, Avis Techniques, la espuma de poliuretano con mejores propiedades ante el fuego se clasifica como M2, aunque es exactamente el mismo material utilizado para obtener la Zulassung. Claramente, para obtener dicha certificación, la espuma deberá probarse de acuerdo con la legislación francesa en esta materia, que puede ser diferente de la alemana.
En conclusión, B2 y B3 identifican un tipo de espuma de poliuretano con especiales características de resistencia al fuego.
Espuma de resina fenólica (PF)
La búsqueda de una seguridad cada vez más elevada ante fuego en los edificios con paneles compuestos ha llevado a tomar en consideración la espuma rígida fenólica, también ésta de material termoindurecible, como núcleo de los paneles sandwich. Comparada con otras espumas rígidas, ésta tiene una conductividad térmica muy baja y una excelente prestación ante el fuego, incluyendo:
- una elevada resistencia al encendido
- tiempos lentos de combustión
- índices muy bajos de emisiones de humos
- emisión de humos invisibles.
La espuma fenólica se produce a partir de la resina líquida de formaldehído, que se mezcla con un solvente muy volátil como agente de expansión, y un agente indurecible. Con la aplicación de un campo de temperatura, la mezcla comienza a espumar y después a endurecerse.
La espuma fenólica se produce preferentemente en losas, las cuales después se cortan en láminas que posteriormente se montan con las superficies metálicas con sustancias adhesivas. En efecto, la producción de espuma fenólica está acompañada de una considerable cantidad de agua ácida restante, la cual impide un fácil proceso de laminación continuo con las superficies metálicas.
Además, la espuma fenólica es un material bastante friable, lo que requiere un cierto cuidado para aplicaciones de techos o plafones, los cuales pueden estar sometidos a pisadas; en estos casos, se puede incurrir en una precoz deslaminación por efecto de la repetida presión aplicada.
Propiedades características de las espumas rígidas
Densidad
La densidad de la espuma es de gran importancia porque el coste del material incide en el coste final del producto acabado en mayor medida que el coste de producción, por lo que el objetivo es obtener las mismas propiedades físicas con la densidad más baja posible.
La mayor parte de las propiedades mecánicas de la espuma están relacionadas con su densidad. La densidad de las espumas rígidas utilizadas por Metecno en la producción de paneles sandwich puede variar dentro de los siguientes intervalos:
- Poliuretano (PUR) B2: 40 ± 4 Kg/m3
- Poliuretano (PUR) B3: 38 ± 4 Kg/m3
- Poliisocianurato (PIR): 45 ± 5 Kg/m3
Aislamiento térmico
El flujo de calor a través de las espumas rígidas se debe principalmente a la conducción de calor a través de los gases contenidos en su estructura celular. La conductividad térmica se ve significativamente influida por el tipo de gas atrapado en las células de la espuma, y la mayor parte de los agentes de expansión se muestra eficiente en este sentido.
En el PUR el valor de la conductividad térmica es aproximadamente 0,020÷0,024 W/m°C inmediatamente después de la producción. Gracias al efecto de impermeabilidad a los gases ofrecido por las superficies metálicas, son limitadas las posteriores variaciones en la composición de los gases atrapados en la estructura celular de la espuma, si bien el valor a largo plazo puede aumentar hasta 0,024÷0,030 W/m°C.
Las losas de lana de vidrio pueden producirse de la misma manera, comenzando sin embargo de una fusión de arena de cuarzo, carbonato de sodio, y cal, o vidrio reciclado. En otro método de producción (el método llamado TEL), mostrado en la Fig. 2.9, la fusión se prensa o aspira a través de pequeñas boquillas con aire comprimido. Las propiedades de la lana de vidrio son parecidas a las de la lana de roca, excepto por un punto de fusión más bajo, y una mayor cantidad de agente ligante que normalmente se sitúa entre el 4 y el 15%.
Regulando la velocidad de la cinta y otros parámetros del proceso, pueden variarse rápidamente la densidad y el espesor de la losa.
A causa del proceso de producción, todas las losas de lana mineral son altamente ortotrópicas. En efecto, las fibras más largas se alinean a lo largo de la cinta transportadora y conservan la misma orientación en la losa acabada (Fig. 2.10). Las fibras más cortas tienen una orientación más casual, que es la razón por la que las losas de lana mineral son más rígidas en su plano. En cualquier caso, dichas losas deben mucha de su rigidez y resistencia a los agentes ligantes utilizados.
De los tipos antes mencionados, la lana mineral, con roca natural como material de inicio, tiene la mejor resistencia a las elevadas temperaturas y la mejor resistencia a la humedad. Además, la estructura fibrosa no tiene poros cerrados, por lo que las losas son mucho más susceptibles a la absorción de agua y a la difusión de vapor. Con el añadido de aditivos adecuados, la absorción de agua por la lana de roca puede reducirse a valores inferiores a los del poliestireno.
Propiedades características de las lanas minerales
Densidad
Puede considerarse que la densidad de la lana mineral utilizada para los paneles sandwich varía en el intervalo 90÷145 Kg/m3.
Propiedades mecánicas
Las lanas minerales dejan de comportarse elásticamente cuando las fibras y la adhesión entre éstas cede. La resistencia aumenta con la densidad, pero depende más de la estructura interna de la lana que sólo de la densidad.
La resistencia a compresión en dirección normal a la orientación de las fibras varía típicamente dentro del intervalo 0,005÷0,08 N/mm2. La correspondiente resistencia a tensión es más baja y está dentro del intervalo 0,001÷0,01 N/mm2.
Las correspondientes propiedades en dirección paralela a las de la fibra son mucho más elevadas.
La resistencia a corte varía de 0,03 a 0,20 N/mm2, y el correspondiente módulo de corte varía de 2 a 20 N/mm2.
La resistencia a tensión está entre 0,03 y 1,0 N/mm2, y el correspondiente módulo de elasticidad entre 5 y 40 N/mm2.
La resistencia a compresión varía en el intervalo 0,10÷0,15 N/mm2, y el correspondiente módulo de elasticidad en el intervalo 6÷20 N/mm2.
Absorción de agua
En condiciones normales de utilización, la absorción de agua por la lana mineral es baja y, en los paneles compuestos, a causa de la protección ofrecida por las superficies exteriores, esto se reduce normalmente a 0,2 ÷ 0,5 %. La absorción de agua de la lana mineral puede reducirse ulteriormente utilizando silicona, aceite mineral u otros aditivos. La absorción de agua de la lana de roca es inferior a la de la lana de vidrio, incluso cuando el contenido de ligante es inferior. Esto se debe a una diferencia en la estructura interna del material.
Aislamiento térmico
En comparación con las espumas rígidas que tienen una estructura de células cerradas, la conducción térmica del aire en la lana tiene una elevada influencia en el flujo de calor. En efecto, aproximadamente el 75% del flujo térmico se debe a fenómenos convectivos y conductivos relacionados con la presencia de aire. La conductividad térmica medida en losas de lana mineral es prácticamente constante en el intervalo de densidad de 60÷150 Kg/m3, y es igual a 0,033÷0,034 W/m°C.
Combustibilidad y otras propiedades relacionadas con la presencia de posibles incendios
Las lanas minerales con un bajo contenido de ligante orgánico son prácticamente no- combustibles. Dado que el contenido de ligante en la lana de vidrio es generalmente superior al 5%, la lana de vidrio no se clasifica generalmente como no-combustible. Las mismas fibras no queman sino que más bien se funden; las fibras de vidrio se funden a 650ºC, mientras que las fibras de roca sólo a 1000 °C.
