MEDICIÓN DE CONDUCTIVIDAD Y CÁLCULO DE LA TRANSMITA NCIA TÉRMICA DE VENTANAS PRODUCIDAS CON PERFILES DE PLÁS TICO

RECICLADO

Julian Gonzalez Laria1, Halimi Sulaiman2, Belén Constantini3, Rosana Gaggino4, María Positieri5, Jerónimo Kreiker 6.

Centro Experimental de la Vivienda Económica - (CEVE) Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET), Córdoba. Tel. 0351-4800883 email: comunicaciones@ceve.org.ar

Recibido 19/08/18, aceptado 27/09/18

RESUMEN: Dentro del campo de los nuevos materiales existen estudios sobre la tecnología para el reciclado de los plásticos y su aplicación. Se ha estudiado un material compuesto por polietilen-tereftalato (PET) y polietileno (PE) reciclados en la producción de perfiles para aberturas. El material esta constituido totalmente por plásticos de residuos y posee propiedades mecánicas y físicas que lo hacen apto para este uso. En el presente trabajo se avanzó en el estudio de su comportamiento térmico. Mediante el ensayo por la normativa ASTM D5334, se obtuvo la conductividad térmica del material y se calculó luego la transmitancia térmica de un prototipo en base a la norma IRAM 11507-4. Los resultados muestran que la conductividad del material, son esperables para este tipo de compuestos, siendo similar a la de maderas blandas utilizadas en aberturas. El cálculo de transmitancia térmica demostró que las mismas, verifican a la norma en la categoría K5. Palabras clave: material compuesto, plástico reciclado, acondicionamiento térmico, aberturas. INTRODUCCIÓN Si bien las tecnologías de reciclado para los polímeros plásticos de mayor consumo (Wilson, 2015) como Polietilen-tereftalato (PET) o Polietileno (PE) han sido investigadas y desarrolladas en los últimos años, en la mayoría se utiliza la molienda y la incorporación de estos como áridos. Aunque el reciclado mecánico de plásticos presenta la ventaja de la incorporación del residuo en la producción, se ha probado que algunas propiedades técnicas de los morteros y hormigones con el agregado de plásticos se ven disminuidas. Son destacables las propiedades de los mampuestos de plástico PET desarrollados por Gaggino y otros (2009) o la mejora frente a la aparición de fisuras por dilatación o a la retracción a bajas temperaturas, de algunos hormigones con fibras plásticas (Choi Moon et al., 2005; Chandra et al., 1982). Además, en el primer caso la tecnología fue transferida a numerosos productores del sector, por ser de aplicación muy sencilla y tener métodos robustos. Sin embargo, recientemente la incorporación del plástico PET, en procesos de reciclado y nueva producción de piezas han sido investigadas. En estos, a diferencia de los anteriores son aprovechadas todas sus características técnicas como, facilidad en el moldeo, resistencia mecánica, impermeabilidad y posibilidad de reciclado sucesivo. Ejemplo de esto son los desarrollos de plásticos mezcla de PET y PE, con aditivos en algunos casos, (Yamada et al., 2012; Navarro et al., 2008) que permiten reincorporar el plástico nuevamente a procesos de inyección o extrusión obteniendo piezas de propiedades mecánicas similares a las de los materiales vírgenes.

1 Becario CONICET, Centro Experimental de la Vivienda Económica, AVE-Conicet. 2 Investigadora Asistente CONICET, Centro Experimental de la Vivienda Económica, AVE-Conicet. 3 Becaria CONICET, I.M.P.A.S, Facultad de Ciencias Exactas físicas y Naturales. 4 Investigadora Independiente CONICET, Centro Experimental de la Vivienda Económica, AVE-Conicet. 5 Investigadora Independiente Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba. 6 Investigador Adjunto CONICET, Centro Experimental de la Vivienda Económica, AVE-Conicet.

ASADES Acta de la XLI Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente

Vol. 6, pp. 01.189-01.199, 2018. Impreso en la Argentina. ISBN 978-987-29873-1-2

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En este caso se investigó y desarrolló, dentro de la misma temática, la producción de piezas por extrusión de un nuevo material compuesto por plástico PET con PE agregado 100% de reciclado (Gonzalez Laria et al., 2018). El plástico PET fue obtenido del reciclado directo de las botellas de bebida, de residuos sólidos urbanos (RSU) sin separación de su etiqueta o tapa. El polietileno del reciclado de los films plásticos compuestos de “Silo bolsa” de uso común en la actividad agrícola. Se realizó una etapa exploratoria de estudio sobre las condiciones de procesamiento del material y la evaluación de algunas de sus propiedades físicas. Así se determinó una formulación seleccionada sobre la cual se hicieron los ensayos determinados para tal caso. Finalmente obteniendo resultados positivos, se estudió la aplicabilidad de este nuevo material compuesto a la producción de perfilería plástica, para la fabricación de aberturas. Para esto se adaptó una técnica de extrusión sencilla y de fácil aplicación para los productores pequeños y medianos del sector del reciclado de plásticos. Para el presente trabajo se avanzó en la realización del análisis de la conductividad térmica del material. Esta variable, de gran incidencia en el comportamiento térmico global de la construcción, es hoy en día uno de los campos de investigación en arquitectura que se encuentra en mayor desarrollo. Debido al proceso de extrusión por el cual se realiza, la perfilería producida evidencia distintas fases en su sección. De esta manera podemos observar que la densidad y morfología de las fibras son diferentes, encontrándose en casos un centro con celdas de aire contenido. Por esta característica y debido a los materiales constitutivos y sus propiedades físicas, es que argumentamos que su comportamiento es similar al de las maderas blandas. En el presente trabajo se determinó la conductividad térmica específica de este material de mezcla heterogéneo con el “Standard Test Method”, el procedimiento de la aguja térmica norma ASTM D5334. Utilizando una probeta extruida y analizando cómo las diferentes fases producen un comportamiento distinto frente al parámetro de conductividad estudiado. Finalmente se analizó, la transmitancia térmica del componente completo acorde con la norma IRAM 11507-4 correspondiente. METODOLOGÍA

1. Para la caracterización del material se realizó un análisis por imágenes de microscopía SEM de piezas extruidas y probetas ensayadas. También se utilizó el análisis de elementos constitutivos por presencia del Oxígeno, detectando las zonas de diferentes tipos de plásticos en la mezcla.

2. Para el estudio de la Conductividad térmica del material desarrollado se utilizó el método de la Aguja Térmica, adoptando la norma ASTM D5334 y obteniendo valores significativos de conductividad térmica específica de este material.

3. Para los cálculos se utilizó el Programa para el cálculo de Transmitancia Térmica, desarrollado por el Centro de Estudios de Energía y Medioambiente IAA-FAU-UNT (Gonzalo, 1989).

2. Conductividad térmica La medición de conductividad térmica (CT) de las muestras de material se realizó mediante la técnica de la aguja de calentamiento siguiendo los pasos enunciados en la norma ASTM D-5334 (ASTM; 2007), no solo para la determinación puntual de la medición sino también para la calibración previa de la aguja. Los ensayos fueron realizados en el laboratorio de la Facultad de Ciencias Exactas físicas y Naturales y los dispositivos pertenecen al I.M.P.A.S., Grupo de Investigación en Medios Porosos y Aguas Subterráneas.

2.1 Calibración Se realiza la calibración del equipo con la norma, la cual presenta el procedimiento de cálculo que determina la conductividad térmica en suelos, rocas y otros materiales, estableciendo valores de conductividad térmica que luego se comparan con valores de conductividad de materiales con propiedades conocidas. En este caso Agua destilada 0.607+/-0.03 W/m°K y Glicerina liquida 0.292+/-0.003W/m°k, admitiendo una variación estándar que se indican en la Tabla 1.

01.190

Conductividad Térmica λ [ W/m°K] Error porcentual (%)

Fluido Medida Teórica (*)

Agua Destilada 0.590 0.607 -2.7 Glicerina Liquida 0.295 0.292 1.0

Tabla 1: Calibración de equipos de medición de conductividad térmica.

2.2 Preparación de muestra La muestra de material a utilizar para el análisis, es una probeta de sección circular, con 50 mm de diámetro en su sección y 100 mm de longitud. Fue producida con la técnica de extrusión, utilizando el mismo procedimiento de fabricación con el que se realizan los perfiles desarrollados. De esta manera se intenta acercarse lo más fielmente posible al comportamiento del componente en una sección regular. 2.3 Medición El ensayo consiste en la inserción de un sensor de aguja simple marca EAST-30 de acero inoxidable de 1 mm de diámetro y 60 mm de longitud en la muestra, expuesto en Figura 1. La misma en su interior posee un hilo Evanohm que se calienta durante el ensayo, a través de la aplicación de corriente eléctrica. Tiene incorporada además una termocupla de 1°C de precisión, que se monitorea con un multímetro durante 90 segundos (periodo que dura el ensayo), detectando las variaciones de temperatura que sufre la aguja durante el periodo de calentamiento (ver Figura 2). Durante el ensayo se mantuvo la temperatura y la humedad ambiente controladas en 24°C y 50% respectivamente.

Figura 1: Esquema de medición de datos.

Figura 2: Estudio experimental de la conductividad térmica en la muestra.

01.191

3. Cálculo de la transmitancia térmica (K) Una vez obtenidos los datos de conductividad, es posible aplicar los cálculos de la Norma IRAM 11507-4:2010. Carpintería de obras y fachadas integrales livianas. Ventanas exteriores. Parte 4. Requisitos complementarios. Aislación térmica. La verificación se hace en la Zona Bioclimática IIIa, Correspondiente a Córdoba AERO, según Norma IRAM 11603. Las ventanas verificadas, según lo establecido en la IRAM 11601, con todos sus componentes incluyendo herrajes y burletes, deben presentar un valor de transmitancia térmica total menor que 4,0 W/m2K. Los valores de K del tipo de vidrio se extraen de la tabla A.2 de la Norma IRAM 11507-4:2010. RESULTADOS Y ANÁLISIS 3.1 Caracterización del material El material compuesto desarrollado fue caracterizado en un análisis por imágenes. De esta forma se demostró que su estructura interna no es homogénea y que el mismo se encuentra organizado en capas. Este efecto ya fue descrito por autores previamente (Navarro et al., 2008), donde se evaluó la organización de estas dependiendo la dirección de inyección del material. En este caso por tratarse de un material extruido, pudo observarse que las fibras o capas se organizan linealmente en el sentido de la extrusión, como se observa en la Figura 3. Probablemente debido a este efecto el material es resistente, pero con una fase elástica en su comportamiento a compresión y tracción.

Figura 3. Imágenes de microscopía SEM de la superficie interna de probetas ensayadas.

Cabe destacar que la producción de las piezas con residuos sin separación de las pequeñas fracciones plásticas de otros componentes presentes en el PET (generalmente PP o PPBO) demuestra que puede aplicarse el material a componentes de construcción con una formulación robusta. Así mismo el método de fabricación también determina que las propiedades de las piezas sean diferentes, analizándolas en una dirección o la otra. Un comportamiento anisotrópico que podría ser perjudicial en algunos casos, para materiales industriales (Miravete, 2005). Sin embargo, en el caso de la producción de aberturas, podría ser semejante al comportamiento de la madera blanda, relacionado a su bajo peso, gran elasticidad y presencia de fibras en determinada organización generalmente lineal. El método de extrusión adaptado es una modificación del tradicionalmente utilizado, descrito en manuales de la especialidad (Giles et al. 2005), con el agregado de un molde para el enfriado y terminación, siguiente a la boquilla de extrusión. De esta manera se conforma la totalidad de la geometría, de la perfilería para aberturas fabricada (Gonzalez Laria et el. 2018). Este sistema sencillo de moldes, que es el utilizado también en la fabricación de pequeñas piezas de plástico moldeado por recicladores del sector, fue adaptado su geometría y optimizado en sus propiedades de producción, ver Figura 4.

01.192

Figura 4. Extrusión modificada; Calentamiento (1) Boquilla extrusión (2) Molde de enfriamiento (3).

Finalmente, después del análisis de sus propiedades mecánicas, fue seleccionada una formulación óptima. Con estas se produjeron los prototipos según los cuales se continúa el análisis de comportamiento térmico. El mismo se basa en un diseño de aberturas modulares, fabricado en el instituto CEVE (2009) y aplicado a proyectos de vivienda social ampliamente, detalle en Figura 5. Uno de los aspectos principales del diseño de las aberturas que se tuvo en cuenta fue el de la producción. Si bien existen numerosos estudios que muestran las ventajas técnicas de las actuales aberturas de aluminio y PVC (de Gastines & Pattini, 2016), que radican principalmente en su aislamiento térmico y acústico, las de perfiles de madera siguen siendo las que muestran un menor impacto ambiental en su producción y el análisis de su ciclo de vida (Llorente, 2013). Además de esto la fabricación de estas últimas sigue siendo realizable por carpinterías a menor escala y no dependiente de las piezas y perfilería de producción internacional. Los perfiles de PVC utilizados actualmente en nuestro País, son en su mayoría importados.

Figura 5. Diseño prototipo de ventana con vidrio simple, vista y corte de detalle.

01.193

El desarrollo de esta material resistente por esto, pretende sumar las propiedades de imputrescibilidad y mantenimiento nulo de los plásticos, con el agregado de su fácil reciclaje o su producción a partir de material reciclado, con la posibilidad de su fabricación a menor escala y con técnicas más simples. Un resumen de sus propiedades físicas pueden verse en la Tabla 2.

Variables Compuesto plástico Madera natural

Formulación 65/35 PET-PE Madera blanda

Condiciones de extrusión 245 ºC – 500 gr/min -

Densidad 0.82 g/cm3 0.43 - 0.70 g/cm3

Material Compuesto fibrado reciclado Sin tratamiento

Resistencia a compresión 16 - 36 MPa 16 - 30 MPa

Resistencia a tracción 13.9 MPa 8 - 18 MPa

Resistencia a flexión 20.2 MPa 14 - 30 MPa

Tabla 2. Propiedades de perfilería plástica y madera comparadas (Suirezs, 2005).

Se continuó entonces ampliando el análisis, para incorporar la variable de aislación térmica del componente desarrollado. Se realiza un estudio de la conductividad térmica del material constitutivo del marco y el análisis teórico del prototipo de ventana completo. 3.2 Determinación de la Conductividad térmica del material

Condiciones del Test

Voltaje (V) 4

Corriente (A) 0.042

Duración (Seg) 90

Delta T° 3.04

Curva de Calibración

T = 16241 V + 21.33

a 16541

b 21.33

Tabla 3. Tabla de valores para determinación de la Conductividad Térmica

Para continuar con el análisis de su comportamiento térmico fue evaluado primeramente el índice de Conductividad térmica del material desarrollado (CT). Aquí la adopción de la norma que realiza el análisis por el método de la aguja térmica, permite ver cómo se comporta un material heterogéneo y con celdas de aire, aunque la misma no sea usualmente aplicada a plásticos. Para esto las condiciones del ensayo se muestran en la Tabla 3. Existen otras normas donde se realiza el análisis por el método de “Placa caliente”, consistente en la medición de la transmisión entre dos superficies a distinta temperatura, utilizando un material macizo. En ese caso se podría haber aportado un valor de CT más exacto, pero no aplicable a la producción de perfilería extruida que contiene aire en su interior (IRAM, 1994).

01.194

De todas formas, la comparación entre ambas normas podría aportar más datos sobre el material y no se descarta hacerlo a futuro. En la relación de temperatura vs tiempo puede verse la respuesta del material en el ensayo realizado, como muestra la Figura 6.

Figura 6. Variación de temperatura vs tiempo durante el ensayo de Conductividad Térmica.

Coeficiente de CT

Pendiente 0.861

Re [Ω/m] 0.042

λ [ W/m°K] 0.15

Tabla 4. Valores de Conductividad térmica del material ensayado. 3.3 Cálculo de la Transmitancia térmica del componente A continuación, se detallan todos los cálculos realizados para la ventana de perfilería de material reciclado con dos tipos de vidrio: vidrio simple y DVH básico, de 6-12-6 mm. En ambos casos se consideran sin ruptor de puente térmico, ya que el perfil no lo posee por ser un material macizo y de esta manera fue realizado el diseño de aberturas antes descripto. Se destacan los parámetros claves en el cálculo correspondientes a la Norma IRAM 11603 (2012) Córdoba AERO Zona bioclimática III a: La temperatura exterior de diseño -4,3 °C y la humedad relativa exterior de diseño 67% (ver Tabla 5). El Kmax admisible según IRAM 11507-4 es 4,00 W/m2ºK y las resistencias térmicas superficiales (Rs) se obtuvieron de la tabla 2 de la norma IRAM 11601(2002). En el invierno, para un flujo de calor horizontal, corresponde un Rsinterior= 0,13 m2K/W y un Rsexterior= 0,04 m2ºK/W. Los detalles constructivos del perfil calculado ya fueron observados anteriormente (Figura 5). La Norma establece que obtenido el K de la perfilería de aberturas y seleccionando un vidrio a utilizar; se deberá realizar un K ponderado, considerando en un m2 el porcentaje correspondiente a los diferentes materiales y su incidencia en un K total.

23,00

23,50

24,00

24,50

25,00

25,50

26,00

26,50

27,00

27,50

28,00

0 10 20 30 40 50 60

Tem

per

atur

a (°

C)

Tiempo (Seg)

01.195

Tabla 5: Datos considerados en el cálculo.

Se calcularon las 4 situaciones del perfil, ya que corresponden a diferentes ángulos y espesores, derivados del diseño de doble contacto o el uso de bordes para escurrimiento de agua. Sin embargo, dieron el mismo valor de K de perfil. En tabla 6 se muestra el resultado del K del perfil de material reciclado.

Tabla 6: Cálculo de la Transmitancia térmica.

La norma utilizada como guía para el cálculo según la Cámara del Vidrio Plano (IRAM, 2010) contiene valores ya determinados de diferentes tipos de vidrio, correspondiendo a un vidrio simple de 6 mm K= 5.8 W/mºK y a un doble vidrio hermético (DVH) 6-12-6 K=2.8 W/mºK. Aquí la transmitancia térmica de los vidrios tiene una importante disminución del valor absoluto con el DVH 6-12-6, el más básico, respecto del vidrio simple. Si bien esto impacta en la consiguiente reducción del K total, se decidió comparar ambos vidrios por considerarse el costo elevado de estos para un componente de vivienda popular.

01.196

Según el cálculo de superficies para determinar el K total de la ventana, el 44% corresponde al perfil y el 66% restante al vidrio, en este caso los dos tipos comparados se ven en la siguiente tabla.

K Perfil de material reciclado Vidrio Simple DVH 6-12-6

44% 3.13 3.13 66% 5.80 2.80

K Total 5.20 3.22

Tabla 7: Resumen de los resultados del cálculo.

Los valores obtenidos son aceptables dado que alcanza un 3,2 m2K/W con DVH, y un valor mejor sin él en comparación con otras carpinterías sin ruptor de puente térmico. Para utilizar DVH el perfil debería medir 57 mm de espesor. Se calculó con el mismo procedimiento observado en Tablas 5 y 6 y el valor de K no se modificó. De este modo con un DVH sencillo, se cumpliría la norma en el rango K5 < 4,00 m2K/W por lo tanto una recomendación de mejoramiento del perfil en base a los cálculos sería modificar la matriz para lograr el espesor necesario para albergar un DVH. 3.3.1 Comparación de resultados con madera y aluminio.

Tabla 8: Transmitancia térmica de ventanas con perfilería de aluminio (IRAM, 2010).

Comparativamente el componente fabricado con el nuevo material, presenta mejor comportamiento que las ventanas de perfiles de aluminio, tanto con vidrio simple, como con DVH (ver tabla 8). Si a esta buena performance se le adiciona la calidad ambiental que significa el material reciclado respecto del costo energético ambiental que presenta en su huella ecológica el aluminio, este perfil es realmente competitivo. La conductividad térmica de las maderas con transmisión de calor perpendicular a la fibra, como generalmente sería en el caso de perfileria para ventanas, se encuentra entre 0.15 y 0.21 wm/ºK (D’Adamo et al., 2018) dependiendo de la densidad de las mismas. De esta forma el nuevo material es similar y superior en algunos casos. Podemos concluir que el perfil propuesto es altamente competitivo con ambos materiales comúnmente utilizados en el mercado nacional. CONCLUSIONES . Se puede concluir que el valor obtenido de CT a través del método de la aguja se encuentra dentro de los valores esperables para este tipos de polímero, él mismo define un valor de 0.15W/m°K que es óptimo y representativo de las conductividades térmicas de los materiales de base que se utilizaron para su elaboración, ya que los mismo abarcan un rango de valor esperable que van desde los 0.12 W/m°K a los 0.50 W/m°K. Este método se adapta muy bien para mediciones en este tipo de materiales heterogéneos. . La variabilidad de la densidad del material desarrollado, podría tener su correlato en la conductividad térmica estudiada, por lo que seria aconsejable ampliar este estudio.

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. La transmitancia térmica del componente obtenida fue de K = 5.20 W/mºk y K = 3.22 W/mºk con la utilización de vidrio simple o DVH 6-12-6 respectivamente, verificando en categoría K4. . Comparativamente esto demuestra la mejor performance del componente respecto a los perfiles de aluminio, sin ruptor de puente térmico y levemente superior a la de la mayoría de las maderas. . La incorporación de DVH a la perfilería, implicaría un ensanche en el espacio para alojamiento del vidrio que deberá considerarse en futuros estudios. . Se estima que este material, que ha demostrado tener ventajas desde el punto de vista térmico, se podría usar en perfiles con diseño más complejo, para ser aplicados en aberturas de mejores prestaciones para el confort térmico y acústico. Lo cual será objeto de próximas investigaciones. REFERENCIAS ASTM (2000). Norma ASTM D 5334-00, Standard Test Method for Determination of Thermal

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Recycled Pet. Journal of Applied Polymer Science 120(1):50 - 55. ABSTRACT: In the field of new materials there are studies on the technology for plastics recycling and their application according to variable problems and requirements. A composite material based on recycled polyethylene terephthalate (PET) and polyethylene (PE) has been studied for the production of profiles for windows. The material is completely formulated by plastics debris and has suitable mechanical and physical properties. In the present research, progress was made in the study of its thermal behavior. By means of the test according to ASTM D5334, the thermal conductivity of the material was obtained and then the thermal transmittance of a prototype was calculated based on the IRAM 11507-4 standard. The results show that the conductivity of the material, are expected for this type of compounds, being similar to those of traditional soft woods used for windows. The determination of thermal transmittance performed shows that it verifies the norm in category K5. Keywords: composite materials, recycled plastic, thermal conditioning, windows.

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