Matèries Primes utilitzades en la fabricació de Panells Sandwich
Un panell sandvitx típic té una estructura de tres capes. Les superfícies rígides, amb un mòdul relativament alt d’elasticitat, es mantenen a distància per un nucli lleuger, el qual té una rigidesa suficient per suportar la major part dels esforços de tall. El nucli també actua com una capa d’aïllament tèrmic altament eficaç.
El creixement en l’ús dels panells compostos es deu principalment a la necessitat de la indústria de la construcció d’un panell amb un pes contingut que tingui també valors elevats d’aïllament tèrmic, i sigui alhora senzill d’instal·lar.
El primer requisit ha estat satisfet gràcies al desenvolupament tècnic de les escumes rígides de poliuretà (PUR) i de poliisocianurat (PIR), capaços d’oferir propietats elevades d’aïllament tèrmic, especialment si es posen en relació amb els materials comunament utilitzats en la construcció. La segona característica, consistent en la senzillesa de muntatge a l’estructura portant, ha resultat ser un dels factors principals de la popularitat del producte, ja que els temps de construcció s’han reduït notablement respecte als mètodes tradicionals, amb el consegüent estalvi dels costos de mà dobra. Durant els darrers 5-10 anys, la línia de producte s’ha ampliat gràcies al desenvolupament dels panells sandvitx amb llana de roca. Originalment desenvolupats i provats per a la utilització a les aplicacions a prova d’incendis, aquests panells són actualment més utilitzats per satisfer els requisits d’aïllament i absorció acústica. En definitiva, gràcies a l’elevat nombre de característiques favorables, els panells sandvitx són un element essencial en les aplicacions constructives del futur.
Superfícies metàl·liques
Per a les superfícies metàl·liques exteriors s’utilitzen generalment fulles relativament fines d’alta resistència. Aquestes han de complir els requisits següents:
- Requisits de producció relatius al perfilat i plegat
- Requisits funcionals de resistència al vent
- Impermeabilitat a l’aigua i al vapor
- Característiques de resistència estructural i capacitat de resistir a càrregues locals
- Adequada resistència a la corrosió i al foc.
No tots aquests requisits són d’igual importància en cadascuna de les aplicacions, però és clar que aquests se satisfan econòmicament amb fulles metàl·liques, especialment d’acer i d’alumini.
Per tant, els metalls utilitzats són:
- acer galvanitzat, pintat o nu
- alumini, pintat o nu
- acer inoxidable
- coure.
Les fulles de metall són subministrades pel proveïdor en rotlles (Fig. 2.1 i 2.2), i es poden incorporar fàcilment en un procés continu de producció, i poden modelar fàcilment per al perfilat.
Acer galvanitzat
Els panells sandvitx amb superfícies d’alumini de vegades s’utilitzen en aplicacions en les quals es tenen requisits especials de resistència a la corrosió o higiènics, com per exemple, en la producció o emmagatzematge de productes alimentaris. L’alumini utilitzat és un aliatge d’alumini codificat com 3003-3103. El gruix normalment utilitzat varia dins de l’interval 0,7÷1,2 mm. Un gruix de 0,7 mm és sovint considerat com el valor mínim per evitar danys locals relacionats amb el desplaçament i les petjades, però de vegades s’utilitza també un gruix de 0,6 mm.
Altres materials
L’acer inoxidable normalment s’utilitza en les aplicacions caracteritzades per importants requisits higiènics, o en les quals cal una elevada resistència a un ambient agressiu interior. Per aquest motiu, les superfícies d’acer inoxidable permeten obtenir revestiments d’una qualitat elevada i que necessiten un manteniment limitat. La resistència a la corrosió de l’acer inoxidable es deu principalment al contingut de crom, que evita l’oxidació del ferro.
També el coure és un material alternatiu utilitzat per reduir la necessitat de manteniment als revestiments dels edificis. La resistència a la corrosió oferta pel coure es deu a una fina capa d’òxid que es forma gradualment a la superfície, cosa que fa que el panell compost sigui adequat per a ambients rurals, urbans i també marins. El color original s’enfosqueix a causa de l’oxidació. S’obté una oxidació plena a 4÷6 anys en ambients marins, 8÷15 anys en ambients urbans i pot requerir de 20 a 50 anys en ambients rurals.
Des del punt de vista de la producció, l’adhesió entre les superfícies d’acer inoxidable i coure i el nucli és semblant a la que s’obté fent servir acer galvanitzat i alumini. Per assegurar una adhesió satisfactòria al nucli, els costats de les superfícies metàl·liques que entren en contacte amb l’escuma es revesteixen amb una imprimació adequada. Per aquesta raó, els rotllos de metall són lliurats pel fabricant amb la cara interna revestida amb una capa amb un gruix de 5 microns duna pintura especial anomenada backcoat.
Escumes rígides
Les escumes rígides més freqüentment utilitzades en la producció de panells compostos són:
- poliuretà / poliisocianurat (PUR/PIR)
- resina fenòlica (PF).
Aquests dos materials tenen una estructura de cèl·lules tancades, amb aproximadament el 90% del material de cèl·lules tancades, i una baixa inèrcia tèrmica. A més, se’ls anomena termoinduribles, cosa que significa que, una vegada modelades, aquests no poden canviar la seva forma a causa de l’àmplia formació d’unions entre molècules.
Poliuretà / Poliisocianurat (PUR/PIR)
Els components principals de les escumes de poliuretà i de poliisocianurat són:
- poliol
- isocianat
- un agent d’expansió
- un activador per controlar la reacció
Fins fa poc, els agents d’expansió eren gairebé invariablement clorofluorocarburs, l’ús dels quals ha estat prohibit amb el protocol de Mont-real, ja que són coneguts per ser una de les causes de la reducció de la capa d’ozó. Avui dia, els agents d’expansió més utilitzats en la producció de panells compostos són diverses formes de pentà i aigua, que alliberen, en reaccionar amb l’isocianat, diòxid de carboni CO2.
En alguns casos, es pot injectar a la barreja un agent retardant de flama per augmentar la resistència del panell al foc. El principal inconvenient si es fan servir retardants de flama està relacionat amb laugment de fums negres produïts en cas dincendi.
Un cop barrejats els components químics (Fig. 2.3), el líquid comença a escumar ia expandir-se ràpidament (Fig. 2.4). El temps que transcorre des de la primera barreja dels components a l’enduriment de l’escuma se situa entre 3 i 6 minuts, depenent de l’espessor de la capa d’escuma desitjada. Atès que la reacció química és exotèrmica, al nucli dels panells amb un gruix superior als 100 mm aproximadament es poden assolir temperatures fins i tot superiors a 150 °C. Per tant, cal emmagatzemar els panells de més gruix durant almenys 24 hores perquè es completi la fase d’enduriment i refredament i es pugui procedir a enviar-los.
Les escumes de poliisocianurat (PIR) difereixen de les escumes de poliuretà pur (PUR) només en la relació de barreja dels components, això és poliol i isocianat. Aquesta relació és d’aproximadament 100:150 en comparació del 100:100 per al PUR. Per tant, hi ha més isocianat al PIR que al PUR. Aquesta diferència de composició ofereix al material final propietats diferents a causa de la diferent estructura química, encara que el procés d’escumat i les propietats mecàniques i físiques normalment són semblants.
Les escumes de PIR s’usen només per les seves característiques superiors d’estabilitat tèrmica i prestació al foc. Mentre que una escuma de poliuretà pur es descompon gradualment si s’exposa a temperatures superiors als 250 °C, una escuma PIR suporta temperatures superiors als 350 °C abans de començar a descompondre’s. En aquesta es forma, a més, una capa estable carbonitzada que millora significativament la prestació davant del foc. Aquesta millora en el comportament davant del foc s’obté amb el cost d’un procés d’elaboració més car, ja que la reacció química requereix (per tenir lloc) una temperatura igual a aproximadament 40÷45 °C, és a dir, igual al doble de la requerida per a una reacció d’una escuma de poliuretà.
L’estructura de l’escuma endurida consisteix principalment en cèl·lules tancades que estan separades entre si per membranes fines (Fig. 2.5), al contrari que l’estructura de cèl·lules obertes que caracteritza les escumes flexibles (Fig. 2.6). Les cèl·lules contenen un agent d’expansió i normalment també algunes restes de diòxid de carboni, CO2.
El CO2 surt molt ràpidament a través de les membranes i després d’un temps, el resultat és que les cèl·lules tancades contenen sobretot agent d’expansió que té propietats aïllants excel·lents. A continuació, es pot difondre aire a partir de l’escuma, però això té poca influència en les propietats aïllants.
Classificació de les escumes de poliuretà (PUR)
Les escumes de poliuretà es classifiquen normalment pel que fa a la seva reacció davant del foc, d’acord amb el mètode de prova alemany, definit per la norma DIN 4102-1. D’acord amb aquesta norma, una escuma de poliuretà, carregada amb agents retardants de les flames, mostra millors característiques de reacció al foc i es pot classificar com a B2, mentre que totes les altres entren a la classe B3.
La necessitat d’aquesta classificació neix del fet que, per obtenir la classificació alemanya, Zulassung, l’escuma de poliuretà s’ha de classificar com a B2. Per aquesta raó, aquesta convenció està avui àmpliament acceptada pels fabricants d’escuma de poliuretà (inclosa Metecno), els quals identifiquen el material amb millors característiques de reacció al foc com a PUR B2, i una escuma de poliuretà amb propietats “estàndard” com a PUR B3.
La mateixa regla s’aplica també a França on, per obtenir la classificació francesa, Avis Techniques, l’escuma de poliuretà amb millors propietats davant del foc es classifica com a M2, encara que és exactament el mateix material utilitzat per obtenir la Zulassung. Clarament, per obtenir aquesta certificació, l’escuma s’haurà de provar d’acord amb la legislació francesa en aquesta matèria, que pot ser diferent de l’alemanya.
En conclusió, B2 i B3 identifiquen un tipus d’escuma de poliuretà amb característiques especials de resistència al foc.
Escuma de resina fenòlica (PF)
La recerca d’una seguretat cada vegada més elevada davant de foc als edificis amb panells compostos ha portat a prendre en consideració l’escuma rígida fenòlica, també aquesta de material termoindurible, com a nucli dels panells sandvitx. Comparada amb altres escumes rígides, aquesta té una conductivitat tèrmica molt baixa i una excel·lent prestació davant del foc, incloent-hi:
- una elevada resistència a l’encesa
- temps lents de combustió
- índexs molt baixos d’emissions de fums
- emissió de fums invisibles.
L’escuma fenòlica es produeix a partir de la resina líquida de formaldehid, que es barreja amb un solvent molt volàtil com a agent d’expansió i un agent indurecible. Amb l’aplicació d’un camp de temperatura, la barreja comença a escumar-se i després a endurir-se.
L’escuma fenòlica es produeix preferentment a lloses, les quals després es tallen en làmines que posteriorment es munten amb les superfícies metàl·liques amb substàncies adhesives. En efecte, la producció d’escuma fenòlica està acompanyada d’una quantitat considerable d’aigua àcida restant, que impedeix un procés de laminació continu fàcil amb les superfícies metàl·liques.
A més, l’escuma fenòlica és un material força friable, la qual cosa requereix una certa cura per a aplicacions de sostres o plafons, els quals poden estar sotmesos a petjades; en aquests casos, es pot incórrer en una precoç deslaminació per efecte de la repetida pressió aplicada.
Propietats característiques de les escumes rígides
Densitat
La densitat de l’escuma és de gran importància perquè el cost del material incideix en el cost final del producte acabat més que el cost de producció, per la qual cosa l’objectiu és obtenir les mateixes propietats físiques amb la densitat més baixa possible.
La major part de les propietats mecàniques de l’escuma estan relacionades amb la densitat. La densitat de les escumes rígides utilitzades per Metecno en la producció de panells sandvitx pot variar dins dels següents intervals:
- Poliuretà (PUR) B2: 40 ± 4 Kg/m3
- Poliuretà (PUR) B3: 38 ± 4 Kg/m3
- Poliisocianurat (PIR): 45 ± 5 Kg/m3
Aïllament tèrmic
El flux de calor a través de les escumes rígides es deu principalment a la conducció de calor a través dels gasos continguts a la seva estructura cel·lular. La conductivitat tèrmica es veu significativament influïda pel tipus de gas atrapat a les cèl·lules de l’escuma, i la major part dels agents d’expansió es mostren eficients en aquest sentit.
Al PUR el valor de la conductivitat tèrmica és aproximadament 0,020÷0,024 W/m°C immediatament després de la producció. Gràcies a l’efecte d’impermeabilitat als gasos ofert per les superfícies metàl·liques, són limitades les variacions posteriors en la composició dels gasos atrapats a l’estructura cel·lular de l’escuma, si bé el valor a llarg termini pot augmentar fins a 0,024÷0,030 W/m °C.
Les lloses de llana de vidre poden produir-se de la mateixa manera, començant però d’una fusió de sorra de quars, carbonat de sodi, i calç, o vidre reciclat. En un altre mètode de producció (el mètode anomenat TEL), mostrat a la Fig. 2.9, la fusió es premsa o aspira a través de petits filtres amb aire comprimit. Les propietats de la llana de vidre són semblants a les de la llana de roca, excepte per un punt de fusió més baix, i una quantitat més gran d’agent lligant que normalment se situa entre el 4 i el 15%.
Regulant la velocitat de la cinta i altres paràmetres del procés, poden variar ràpidament la densitat i el gruix de la llosa.
A causa del procés de producció, totes les lloses de llana mineral són altament ortotròpiques. En efecte, les fibres més llargues s’alineen al llarg de la cinta transportadora i conserven la mateixa orientació a la llosa acabada (Fig. 2.10). Les fibres més curtes tenen una orientació més casual, que és la raó per la qual les lloses de llana mineral són més rígides al seu pla. En qualsevol cas, aquestes lloses deuen molta de la seva rigidesa i resistència als agents lligants utilitzats.
Dels tipus abans esmentats, la llana mineral, amb roca natural com a material d’inici, té la millor resistència a les temperatures elevades i la millor resistència a la humitat. A més, l’estructura fibrosa no té porus tancats, per això les lloses són molt més susceptibles a l’absorció d’aigua ia la difusió de vapor. Amb l’afegit d’additius adequats, l’absorció d’aigua per la llana de roca es pot reduir a valors inferiors als del poliestirè.
Propietats característiques de les llanes minerals
Densitat
Es pot considerar que la densitat de la llana mineral utilitzada per als panells sandvitx varia en l’interval 90÷145 kg/m3.
Propietats mecàniques
Les llanes minerals deixen de comportar-se elàsticament quan les fibres i l’adhesió entre aquestes cedeixen. La resistència augmenta amb la densitat, però depèn més de lestructura interna de la llana que només de la densitat.
La resistència a compressió en direcció normal a l’orientació de les fibres varia típicament dins de l’interval 0,005÷0,08 N/mm2. La resistència corresponent a tensió és més baixa i està dins de l’interval 0,001÷0,01 N/mm2.
Les propietats corresponents en direcció paral·lela a les de la fibra són molt més elevades.
La resistència a tall varia de 0,03 a 0,20 N/mm2, i el corresponent mòdul de tall varia de 2 a 20 N/mm2.
La resistència a tensió està entre 0,03 i 1,0 N/mm2 i el corresponent mòdul d’elasticitat entre 5 i 40 N/mm2.
La resistència a compressió varia en l’interval 0,10÷0,15 N/mm2, i el corresponent mòdul d’elasticitat a l’interval 6÷20 N/mm2.
Absorció d’aigua
En condicions normals d’utilització, l’absorció d’aigua per la llana mineral és baixa i, en els panells compostos, a causa de la protecció que ofereixen les superfícies exteriors, això es redueix normalment a 0,2 ÷ 0,5 %. L’absorció d’aigua de la llana mineral es pot reduir ulteriorment utilitzant silicona, oli mineral o altres additius. L’absorció d’aigua de la llana de roca és inferior a la de la llana de vidre, fins i tot quan el contingut de lligant és inferior. Això és degut a una diferència en l’estructura interna del material.
Aïllament tèrmic
En comparació amb les escumes rígides que tenen una estructura de cèl·lules tancades, la conducció tèrmica de l’aire a la llana té una elevada influència en el flux de calor. En efecte, aproximadament el 75% del flux tèrmic és degut a fenòmens convectius i conductius relacionats amb la presència d’aire. La conductivitat tèrmica mesurada en lloses de llana mineral és pràcticament constant a l’interval de densitat de 60÷150 Kg/m3, i és igual a 0,033÷0,034 W/m°C.
Combustibilitat i altres propietats relacionades amb la presència de possibles incendis
Les llanes minerals amb un baix contingut de lligant orgànic són pràcticament no combustibles. Atès que el contingut de lligant a la llana de vidre és generalment superior al 5%, la llana de vidre no es classifica generalment com a no-combustible. Les mateixes fibres no cremen sinó que més aviat es fonen; les fibres de vidre es fonen a 650 ºC, mentre que les fibres de roca només a 1000 ºC.
