És la rajola ceràmica de fusta 3D una bona opció d’aïllament tèrmic?

Rendiment de l’aïllament tèrmic de les rajoles ceràmiques de fusta 3D

Com afecta la microestructura la transferència de calor per conducció i per convecció

Què fa que les rajoles ceràmiques de fusta tridimensionals siguin tan bones per resistir la calor? Bé, tot es redueix a com estan construïdes amb aquelles estructures poroses especials. Quan observem les espumes de cel·les obertes, formen petites bosses d'aire que, fonamentalment, impedeixen que la calor es transmeti per conducció a través seu. I aquelles parts ceràmiques? Tampoc permeten que passi gaire radiació, ja que reflecteixen la major part en lloc d'absorbir-la. Les proves de laboratori realitzades cap al 2019 van mostrar que aquests materials poden tenir una conductivitat tèrmica entre 0,07 i 0,10 W/m·K, cosa que representa aproximadament un 40 % millor que els materials aïllants habituals. Algunes versions amb cel·les tancades funcionen encara millor contra les pèrdues de calor per convecció, ja que cada bossa d'aire està tancada per separat. Tanmateix, també hi ha un compromís: aquestes cel·les tancades no són tan bones per permetre l’escapada de la humitat. Els millors resultats s’obtenen quan els fabricants aconsegueixen l’equilibri adequat entre les mides dels porus (normalment entre 100 i 500 micròmetres) i el gruix dels estruts. Assolir aquest equilibri significa maximitzar el valor R mentre es manté prou resistència mecànica al material i es permet encara una certa circulació d’aire a través seu.

Comparació directa: rajola ceràmica de goma espumosa 3D vs. EPS, llana mineral i aerogel

Les proves tèrmiques independents posen de manifest com pastilla ceràmica de foam 3d ocupa un niu únic entre els materials d’aïllament:

L'aerogel té, efectivament, una avantatge quan es tracta de valors de conductivitat, però hi ha un inconvenient. Per sobre d'uns 400 °C, aquests materials comencen a degradar-se i necessiten revestiments protectors especials per funcionar correctament. Les rajoles de fusta ceràmica presenten una història completament diferent. Aquestes estructures tridimensionals mantenen la seva resistència fins i tot quan s'exposen a temperatures extremadament elevades, que fondrien completament la majoria de materials aïllants polimèrics i de fibra. El que realment destaca és la seva capacitat per gestionar els problemes d'humitat. El seu disseny de cel·les obertes evita que els danys causats per l'aigua afectin el rendiment, a diferència de l'escuma de poliestirè expandit o la llana mineral, que perden gairebé tot el seu poder aïllant un cop mullades. Per a les indústries que treballen en entorns amb altes temperatures, per a fornaces que necessiten solucions de revestiment o per a edificis que requereixen reformes en zones amb molta humitat, aquest material ofereix alguna cosa especial: combina resistència tèrmica amb característiques de seguretat contra incendis i conserva les seves propietats al llarg del temps, malgrat les variacions climàtiques.

Factors estructurals clau que influeixen en l'eficiència de les rajoles ceràmiques espumoses 3D

Arquitectura de porus de cel·la oberta respecte a la de cel·la tancada i el seu impacte en el valor R

La manera com estan disposats els porus afecta realment com gestionen els materials els canvis de temperatura i el moviment de la humitat. Quan analitzem les estructures de cel·les tancades, aquestes atrapen l'aire dins d'aquestes bosses segellades, cosa que redueix tots dos tipus de transferència de calor. Les proves realitzades segons les normes ASTM C518 mostren que aquests materials poden augmentar, de fet, el rendiment d’aïllament en un 40 % aproximadament respecte als seus homòlegs de cel·les obertes, segons les dades de l’any passat. Tanmateix, també hi ha un compromís en aquest cas. Aquestes cel·les tancades no permeten que el vapor d’aigua hi penetri tan fàcilment, de manera que els constructors han d’anar amb molt de compte quan les incorporen a les parets, ja que altrament podria formar-se condensació entre les capes. Per altra banda, els dissenys de cel·les obertes sí que permeten el pas d’una certa quantitat d’humitat, però poden causar problemes amb la circulació de l’aire llevat que totes les vores siguin segellades hermèticament durant la instal·lació. Això fa que el detallat adequat sigui absolutament fonamental per a un disseny correcte de l’envolupant de l’edifici.

Per a aplicacions exteriors on la transmissió tèrmica i el risc de condensació són les principals preocupacions —com ara reformes en zones costaneres o revestiments industrials—, els científics de materials recomanen sistemàticament formulacions de cel·les tancades combinades amb capes compatibles de gestió de vapor.

Paràmetres de sinterització i efectes de la composició de fases sobre la resistència tèrmica

La manera com controlem el procés de sinterització té un impacte fonamental en el tipus d’estructures cristal·lines que es formen, en la densitat que assolirà el material i en si queden porus després del tractament. Tots aquests factors afecten com de bé el material resisteix la transferència de calor. Quan les temperatures superen els uns 1300 graus Celsius durant la sinterització, normalment s’obté una estructura de mul·lita molt densa, però això comporta un cost. La porositat disminueix aproximadament un 22 %, fet que, de fet, redueix l’eficàcia del material com a aïllant. Estudis han demostrat que mantenir la temperatura entre 1150 i 1250 graus Celsius durant uns 90 minuts és el més adequat. A aquestes temperatures, tant els cristalls de cristobalita com els de cordierita es desenvolupen correctament sense perdre massa de la seva estructura porosa original, conservant més del 75 % de l’espai buit inicial. Aquest enfocament proporciona una resistència tèrmica aproximadament un 18 % millor en comparació amb els mètodes habituals de sinterització. L’addició de partícules minúscules de zircònia ajuda a dispersar les vibracions que transporten la calor i interromp els camins pels quals normalment es propagaria la calor. L’anàlisi de mapes de fases revela també un detall interessant: els materials en què la cordierita es distribueix uniformement tendeixen a mantenir nivells constants de conductivitat tèrmica d’uns 0,08 W per metre kelvin. Això supera l’interval habitual de la llana mineral, que oscil·la entre 0,035 i 0,040 W/mK quan està completament seca, però, encara més important, funciona molt millor quan s’exposa a les condicions habituals d’humitat presents en aplicacions reals.

Evidència d'aplicació real del mosaic ceràmic en espuma 3D

Estudi de cas de reforma mediterrània: reducció mesurada del valor U i comportament davant l'humitat

Durant més de cinc anys, es va dur a terme un projecte de reforma en dotze edificis antics de fusta situats al sud d'Espanya, amb resultats força bons en condicions reals. Els edificis tractats amb aquestes especials rajoles ceràmiques tridimensionals d'espuma presentaven valors U mitjans d'aproximadament 0,22 W/m²·K, és a dir, uns 32 per cent millors que edificis similars que feien servir aïllament convencional de llana mineral. Les imatges tèrmiques obtingudes durant l'estudi van mostrar que aquells incòmodes ponts tèrmics a les finestres i on es trobaven diferents parts de l'edifici havien desaparegut completament. Tot i que la zona sol ser molt humida la major part del temps (uns 85 % d'humitat), les rajoles només van absorbir menys del 5 % d'humitat després de tres temporades consecutives de pluges. El valor R també es va mantenir estable, i no es va observar cap descamació ni esquerdament a les superfícies. Els habitants d'aquests edificis no van informar de cap creixement de fongs darrere de l'aïllament, probablement perquè el material permet el pas de vapor però repel·leix l'aigua. Els treballadors que van instal·lar les rajoles les van trobar més fàcils de manipular en parets corbes en comparació amb materials rígids en forma de placa. Després de vigilar aquests edificis durant els seixanta mesos sencers, ningú no va observar cap disminució de la seva eficàcia com a aïllament contra la pèrdua de calor.

Consideracions pràctiques: cost, durabilitat i instal·lació de rajoles ceràmiques de fusta 3D

Mirar les rajoles ceràmiques de fusta tridimensionals requereix més que només pensar en el cost inicial. És cert que cada peça sol costar entre un 30 i un 50 per cent més que materials habituals com la llana mineral o l’aislament d’EPS. No obstant això, aquestes rajoles també tenen una vida útil molt més llarga: més de cinquanta anys en llocs on hi ha poca desgast. Fins ara, ningú no ha observat mai cap degradació quan s’exposen a temperatures inferiors a 1000 °C. Aquestes rajoles ceràmiques són totalment ignífugues segons les normes ASTM, de manera que no prenen foc ni alliberen fum tòxic durant els incendis. A més, suporten perfectament els cicles de congelació i descongelació sense desenvolupar fissures microscòpiques que permetin la pèrdua de calor. La seva instal·lació, però, requereix una feina precisa. Els contractistes necessiten eines de tall diamant especials per obtenir vores netes, les superfícies han d’estar perfectament nivellades amb làser per evitar punts de tensió que es podrien formar posteriorment, i cal fer servir una morter especial que s’adhereixi molt bé i, al mateix temps, permeti absorbir les diferències de dilatació entre el material ceràmic i la superfície sobre la qual es col·loca, ja sigui de formigó o d’acer. Sempre que els instal·ladors segueixin escrupolosament totes les instruccions del fabricant sobre juntas i aplicació de primer, tot aquest sistema funciona excel·lentment i gairebé no necessita manteniment, fins i tot en condicions extremes, des de fornaces industrials fins a edificis alts situats en zones sísmiques.