Materiales de aislamiento programables

19.10.2020 - Alemania

Los innovadores materiales aislantes hechos de polímeros con memoria de forma son desarrollados y probados por los Institutos Fraunhofer de Investigación Aplicada de Polímeros IAP, de Tecnología Química ICT y de Física de la Construcción IBP dentro del Cluster Fraunhofer de Excelencia de Materiales Programables CPM. Las Espumas de alta tecnología se utilizarán como materiales funcionales, por ejemplo en el campo de la construcción.

La climatización de espacios cerrados de trabajo, recreo y vivienda es de gran importancia social en los países industrializados. En promedio, la gente pasa más del 80 por ciento de su tiempo en estas áreas. Si la habitación está mal aislada, puede llegar a ser muy cálida o muy fría, dependiendo de la estación o incluso durante el día.

Hoy en día, los materiales de aislamiento representan una importante solución tecnológica a este problema. Hacen que el aislamiento térmico sea eficiente y mantienen la carga de refrigeración o la necesidad de energía de calefacción y por lo tanto también los costos bajos. Dado que se emite menos dióxido de carbono que perjudica el clima, también protegen el medio ambiente. El aislamiento tiene tanto sentido ecológico como económico, porque los materiales aislantes ahorran significativamente más energía de la que se utiliza en su fabricación. Una mejora adicional del balance energético es posible mediante el uso de materias primas de origen biológico, pero también mediante materiales aislantes con perfiles de propiedades programables.

Los materiales programables reaccionan de forma autónoma

Los materiales programables son materiales dinámicos en cuanto a forma y función, compuestos de materiales o superficies cuya estructura interna es tal que las propiedades y el comportamiento de los materiales pueden cambiar de forma reversible siguiendo un programa. Esto se logra programando permanentemente la respuesta de un material a una señal como un cambio de temperatura en la estructura del material. El comportamiento de respuesta puede entonces ser disparado externamente de manera que los materiales programables se adapten automáticamente a las condiciones cambiantes de una manera predeterminada.

Las espumas hechas de polímero con memoria de forma, por ejemplo el poliéster uretano urea, también pueden exhibir esa funcionalidad de actuador. Las dimensiones de los canales de flujo adyacentes o dentro de las espumas pueden modificarse debido a la capacidad de conmutación. En consecuencia, el aire caliente o frío fluye a través de la espuma o de los canales de flujo de manera correspondiente, buena o mala. A qué temperatura y en qué dirección se produce el cambio de forma reversible puede determinarse de antemano mediante el diseño del sistema y un tratamiento termomecánico.

Las espumas hechas de polímero con memoria de forma cambian de forma dependiendo de la temperatura

Los investigadores de los tres Institutos Fraunhofer IAP, ICT e IBP están desarrollando materiales aislantes con un comportamiento material programable basado en tales espumas poliméricas con memoria de forma. "Estamos desarrollando sistemas de aislamiento autónomo con permeabilidad al aire conmutable. Dependiendo de la temperatura, el material aislante cambia de forma, por ejemplo, el diámetro de los canales de flujo y por lo tanto, también la transferencia de calor. A bajas temperaturas, por ejemplo, los canales de flujo se cierran y tienen un efecto aislante. Cuando se calientan, los canales se abren y el aire puede fluir mejor a través de ellos. Esto es particularmente interesante para aplicaciones en las que las temperaturas exteriores cambian significativamente. En nuestro proyecto, hemos desarrollado demostradores de elementos actuadores para la ventilación posterior de la fachada exterior de una casa unifamiliar. Se trata de una brecha térmicamente conmutable entre la capa exterior y la estructura de soporte del edificio", explica el Dr. Thorsten Pretsch, que dirige el grupo de trabajo sobre polímeros de memoria de forma en el IAP de Fraunhofer.

Materiales aislantes para aplicaciones industriales

En el IAP de Fraunhofer se sintetizan las espumas programables de alta tecnología y se desarrollan las tecnologías para programar los perfiles de propiedades. Las temperaturas a las que se producen los cambios de forma más tarde, ya están definidas en la síntesis. Para la formulación óptima de las espumas, por un lado se seleccionan los monómeros y se ajustan las condiciones de reacción, y por otro lado se añaden los aditivos o rellenos adecuados, por ejemplo para influir en la estructura de la espuma. También se considera el uso de materias primas de origen biológico.

A fin de poder producir grandes cantidades de material aislante para aplicaciones industriales, el Instituto Fraunhofer de Tecnología de la Información está desarrollando procesos para aumentar la escala de la síntesis de polímeros. Además, las muestras se someten a pruebas no destructivas mediante tomografía microcomputada.

En el Fraunhofer IBP la transferencia de calor se evalúa en pruebas orientadas a la aplicación. Se caracterizan las propiedades mecánicas y se realizan simulaciones para aplicaciones concretas. "Nuestras simulaciones de una fachada ventilada de un edificio de apartamentos en Madrid muestran que con los materiales aislantes intercambiables la temperatura operativa de la habitación podría reducirse en 2,5 °C en los meses de verano o podría ahorrarse hasta un 46 por ciento de la energía para la refrigeración", explica el Prof. Dr. Martin Krus del Fraunhofer IBP.

El proyecto de desarrollo de materiales aislantes programables se inició el 1 de enero de 2018, cuando nació el Cluster de Excelencia de Materiales Programables de Fraunhofer, y ha estado funcionando desde entonces. Los investigadores también están buscando nuevas aplicaciones para las funcionalidades únicas de las espumas de polímero con memoria de forma.

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