Innovación en materiales aislantes sostenibles para construcción y rehabilitación: proyecto INNOCOND

AIDIMME continúa investigando y desarrollando en este proyecto, en estrecha cooperación con empresas y entidades valencianas, materiales innovadores renovables y reciclables, de alto aislamiento térmico, alta resistencia mecánica y baja densidad.

El proyecto INNOCOND (Investigación y desarrollo de soluciones innovadoras de reparación y refuerzo para estructuras de madera) está financiando por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) y está también cofinanciado por el Programa Operativo FEDER de la Comunidad Valenciana 2021-2027. El proyecto se alargará previsiblemente hasta septiembre de este año (inicialmente estaba previsto que terminase en junio). 

INNOCOND se dirige al sector de la construcción y rehabilitación, a empresas de 1ª y 2ª transformación de la madera, a estudios de arquitectura e ingeniería para construcción y estructuras y, por último, a empresas de software.

Objetivos generales y específicos del proyecto

El objetivo general del proyecto consiste en investigar y desarrollar materiales innovadores renovables y reciclables, de alto aislamiento térmico, alta resistencia mecánica y baja densidad, destinados a la rehabilitación y a la construcción (tanto tradicional como bioconstrucción, construcción pasiva y construcción bioclimática).

Ese objetivo responde a la necesidad de disponer de materiales aislantes de origen renovable, fácilmente reciclables y que tengan una resistencia mecánica alta para ser usados estructuralmente en construcción y rehabilitación. Existen materiales lignocelulósicos que tienen alto aislamiento térmico (tableros de corcho, p.ej.), pero cuya resistencia mecánica y su cohesión son muy bajas. Igualmente, existen materiales lignocelulósicos de resistencia mecánica media o alta en relación con su densidad (madera contralaminada, tableros de virutas orientadas u OSB, etc.), pero cuyo aislamiento térmico es bastante inferior al de la lana de roca o de vidrio. Se necesita, en consecuencia, desarrollar materiales para construcción/rehabilitación que satisfagan los siguientes requisitos: alta resistencia mecánica, alto aislamiento térmico, baja densidad, de origen sostenible y fácilmente reciclables.

En resumen, los materiales innovadores que se están desarrollando en el proyecto cumplirán los anteriores requisitos, y en ellos se usarán materiales lignocelulósicos procedentes de la Comunitat Valenciana. Se primará que los procesos de fabricación de estos materiales sean sencillos y no requieran maquinaría costosa ni grandes consumos energéticos, de manera que su fabricación esté al alcance de las PYMEs valencianas. Desde su concepción, los nuevos materiales serán de aplicación directa para conseguir edificios de consumo de energía casi nulo (nZEB).

materiales aislantes sostenibles para construcción
Aislamiento de una fachada mediante lana de roca. Este material no sostenible presenta grandes inconvenientes medioambientales y necesita mucha energía para su producción, aparte de que su reciclado es difícil. FUENTE: ULMA ARCHITECTURAL SOLUTIONS.
materiales aislantes sostenibles para construcción
Paneles aislantes de lana de escoria en un edificio. Este material no sostenible presenta grandes inconvenientes medioambientales y necesita mucha energía para su producción (tanto en consumo de carbón como en electricidad), aparte de que su reciclado es difícil y de que durante su producción se generan gases residuales perjudiciales para el ser humano (SO2 y NOx). FUENTE: PROJISO.

Para conseguir el anterior objetivo general, se proponen los siguientes objetivos específicos:

  • Analizar materiales de aislamiento avanzados, recientes o en proceso de desarrollo, y su posible uso en construcción y rehabilitación. El análisis tendrá en cuenta sus ventajas, desventajas y limitaciones.
  • Desarrollar nuevos materiales para construcción/rehabilitación que satisfagan los siguientes requisitos: alta resistencia mecánica, alto aislamiento térmico, baja densidad, de origen sostenible y fácilmente reciclables.
  • Proponer desde su concepción posibles aplicaciones directas de los materiales desarrollados para conseguir edificios de consumo de energía casi nulo (nZEB).
  • Describir el mercado objetivo de los nuevos materiales.
  • Caracterizar estructural y térmicamente los materiales desarrollados, según el CTE.
  • A partir de los resultados obtenidos en la caracterización, se mejorarán y optimizarán los materiales desarrollados.
  • Difundir de forma efectiva el proyecto y sus resultados.
  • Transferir y promover los resultados a empresas de la Comunitat Valenciana, escogiendo los canales más adecuados para que la transferencia tenga el mayor impacto posible.

La novedad de los objetivos del proyecto radica en varios aspectos:

  • El desarrollo innovador de materiales para construcción/rehabilitación que satisfagan los siguientes requisitos: alta resistencia mecánica, alto aislamiento térmico, baja densidad, de origen sostenible y fácilmente reciclables.
  • El enfoque basado en que, desde su concepción, los nuevos materiales sean de aplicación directa en edificios de consumo de energía casi nulo (nZEB).
  • El hecho de que los nuevos materiales tengan procesos de fabricación sencillos y no requieran maquinaría costosa ni grandes consumos energéticos, de manera que su fabricación esté al alcance de las PYMEs valencianas. 
  • La caracterización mecánica y térmica, según el CTE, de los nuevos materiales desarrollados. Dicha caracterización mecánica es también la base imprescindible que permitirá el posterior modelado matemático-computacional de las estructuras hechas con los nuevos materiales desarrollados, lo que resulta totalmente novedoso para el sector de la arquitectura y de la ingeniería.

Según destaca Miguel Ángel Abián, coordinador y director técnico del proyecto, responsable de Servicios Avanzados para Construcción y Rehabilitación y jefe del Departamento de Tecnología y Biotecnología de la Madera de AIDIMME, “los materiales que van a desarrollarse mejorarán la eficacia energética y la sostenibilidad de los edificios, y precisamente el uso de materiales renovables y reciclables en construcción y rehabilitación es el objetivo que busca promover la Unión Europea mediante normas y directivas”.

Principales resultados obtenidos hasta la fecha (1): Fichas técnicas resumen de materiales de aislamiento avanzados y recientes, de potencial uso en construcción

En las tarea 4.1 (Análisis de materiales de aislamiento avanzados y recientes) y  4.2 (Determinación de posibles usos en construcción para materiales de aislamiento avanzados y recientes) del proyecto se analizaron exhaustivamente materiales aislantes avanzados desarrollados recientemente, materiales aislantes ya conocidos en cuyos procesos de producción ha habido investigaciones o avances tecnológicos o medioambientales en los últimos años, materiales en desarrollo y proyectos de investigación relacionados con la innovación en materiales aislantes.

Además, se determinaron posibles usos en construcción/rehabilitación de aquellos materiales aislantes de mayor interés.

materiales aislantes sostenibles para construcción
Fotografías de materiales aislantes de distintos tipos: (a) fibra de madera, (b) celulosa, (c) lana, (d) cáñamo, (e) mezcla de cáñamo y cal;  (f) vidrio celular; (g) paja; (h) lana mineral de vidrio; (i) lana mineral de roca; (j) espuma H2 Lite; (k) espuma fenólica; (l) espuma de polisocianurato; (m) EPS;  (n) XPS; (o) aerogel. FUENTE: Study of natural insulation materials and compared it with no insulation building (Hasan et al., 2021).

Con el propósito de retardar la transferencia de calor en envolventes de edificios, se han producido y se siguen produciendo nuevos materiales de aislamiento para lograr la mayor resistencia térmica posible. Algunos de los más recientes son los paneles de aislamiento al vacío (Vacuum insulated panels o VIP en inglés), paneles rellenos de gas (Gas filled panels o GFP en inglés), aerogeles y materiales de cambio de fase (PCM). 

Entre ellos, los VIP tienen uno de los valores de conductividad térmica más bajos (inferior a 0,004 W/(m·K)) y tienen una elevada esperanza de vida (más de 50 años). Este material ultraaislante se crea dentro del panel, lo que disminuye el espesor de los materiales de aislamiento térmico, pero la conductividad térmica aumenta irreversiblemente con el tiempo debido a la difusión del vapor de agua y del aire a través de la envoltura.

materiales aislantes sostenibles para construcción
Paneles de aislamiento al vacío (VIP). FUENTE: Netzsch.
materiales aislantes sostenibles para construcción
Valores de conductividad térmica de un panel de aislamiento al vacío en el rango de temperaturas comprendidas entre -160°C y 60°C. FUENTE: Netzsch.
materiales aislantes sostenibles para construcción
Valores de resistencia térmica para un panel de aislamiento relleno de distintos gases (xenón, criptón, argón y aire) y con un espesor de 3,81 cm. El aislamiento máximo se consigue con xenón. FUENTE: Fi-Foil Company.

Un aerogel es un gel ligero (densidad alrededor de 3 kg/m3) y poroso, en el cual el componente líquido del gel se ha sustituido por un gas. Los aerogeles son aislantes térmicos de última generación, con valores de conductividad que rondan los 0,0016 W/(m·K) en el caso de los de sílice y sus densidad cuando se usan en edificios suele ser de 70 a 150 kg/m3.

Sin embargo, su uso comercial y su disponibilidad son muy limitados, debido a los elevados costes de producción y a la complejidad de ésta. Además, se desconocen los efectos tóxicos o cancerígenos de los aerogeles de sílice, que son los más usados, y producen irritación en los ojos, en la piel, en el aparato respiratorio y en el digestivo. Por ello, las personas que manipulan este material deben usar equipo de protección apropiados.

materiales aislantes sostenibles para construcción
Aerogel para aislamiento en edificios. FUENTE: Aspen Aerogels.
materiales aislantes sostenibles para construcción
Dos ejemplos de aislamiento mediante aerogel traslúcido como una solución de elevado aislamiento para luz diurna. FUENTE: Aerogel insulation for building applications: A state-of-the-art review (Baetens, Jelle y Gustavsen, 2011).

Los GFP (paneles rellenos de gas) y los PCM (materiales de cambio de fase) presentan bajos valores de conductividad térmica: 0,013 W/(m·K) y 0,004 W/(m·K), respectivamente. Mientras que los GFP están hechos de una estructura reflectante que contiene un gas aislado del ambiente exterior por una envoltura lo más impermeable posible, los PCM almacenan y liberan calor a medida que cambia la temperatura, pues pasan de estado sólido a líquido cuando se calientan y pasan a un estado sólido cuando la temperatura ambiente desciende.

materiales aislantes sostenibles para construcción
Material de cambio de fase (PCM). FUENTE: Phase Change Energy Solutions.

Los principales resultados de las tareas 4.1 y 4.2 del proyecto se recopilaron en unas fichas técnicas resumen de las propiedades y características de los materiales, en las que se incluyen sus potenciales usos en construcción y rehabilitación.  

 ficha técnica dedicada al cáñamo y a la mezcla de cáñamo con paja de trigo
Otra vista parcial de la ficha técnica dedicada al corcho proyectado.
 ficha técnica dedicada al cáñamo y a la mezcla de cáñamo con paja de trigo
Vista parcial de la ficha técnica dedicada al cáñamo y a la mezcla de cáñamo con paja de trigo.
 ficha técnica dedicada al cáñamo y a la mezcla de cáñamo con paja de trigo
Otra vista parcial de la ficha técnica dedicada al cáñamo y a la mezcla de cáñamo con paja de trigo.
 ficha técnica dedicada al cáñamo y a la mezcla de cáñamo con paja de trigo
Otra vista parcial de la ficha técnica dedicada al cáñamo y a la mezcla de cáñamo con paja de trigo, en la que se exponen sus principales propiedades y las ventajas de su uso como aislante.

Estas fichas se han utilizado y se utilizan como material técnico para la transferencia tecnológica del proyecto y la difusión de resultados.

Principales resultados obtenidos hasta la fecha (2): Prototipos de materiales innovadores sostenibles, aislantes y de uso estructural

Se están desarrollando prototipos de materiales innovadores sostenibles, aislantes y de uso estructural. En concreto, los prototipos desarrollados hasta ahora son tableros multicapa, contrachapados y contralaminados, que de forma novedosa combinan madera y corcho proyectado procedente de residuos de la producción de corcho para botellas (con lo que se consigue valorizar residuos), con una formulación definida por AIDIMME para que tenga la propiedades deseadas.

Para llegar a la formulación final se desarrollaron y probaron en pequeñas muestras numerosas formulaciones preliminares del corcho proyectado, buscando, entre otros, tres objetivos fundamentales: a) una buena adherencia del corcho con la madera; b) una buena compactación final del corcho seco, que permita su corte y aserrado sin deshacerse ni agrietarse; c) y un rápido secado del corcho, para que no transfiera demasiada humedad a la madera y puede pasarse rápidamente a la fabricación industrial de tableros multicapa. El corcho proyectado lleva su propia resina, en base acuosa, que no emite compuestos orgánicos volátiles (COVs).

materiales aislantes sostenibles para construcción
Prototipo preliminar de uno de los materiales innovadores desarrollados en INNOCOND (tablero contralaminado de 3 capas de madera y 2 de corcho proyectado especialmente desarrollado para el proyecto).

Estos nuevos materiales lignocelulósicos tienen un impacto ambiental extremadamente bajo en comparación con materiales aislantes como la lana de roca, la lana de vidrio o las espumas y plásticos petroquímicos. Además de las ventajas medioambientales, los resultados preliminares de conductividad térmica y de resistencia mecánica en muestras de reducido tamaño apuntan a que tienen también ventajas técnicas sobre los materiales aislantes usados habitualmente en construcción. Además, es previsible que reduzcan las vibraciones y las reverberaciones en las estructuras donde se usen.

Por ejemplo, en los ensayos de resistencia a cortante y de tracción perpendicular a las caras, realizados con muestras preliminares de pequeñas dimensiones, se han obtenido valores máximos altos (50 Newtons en el caso de la resistencia a cortante y 0,44 N/mm2 en el caso de la tracción perpendicular a las caras).

materiales aislantes sostenibles para construcción
Ensayo mecánico a cortante en un prototipo de los materiales innovadores desarrollados en INNOCOND.
materiales aislantes sostenibles para construcción
Ensayo mecánico de tracción perpendicular a las caras en un prototipo de los materiales innovadores desarrollados en INNOCOND.
materiales aislantes sostenibles para construcción
Ensayo mecánico de tracción perpendicular a las caras en otro prototipo de los materiales innovadores desarrollados en INNOCOND.

Los principales resultados de INNOCOND están disponibles, a medida que van obteniéndose, de forma abierta, pública y gratuita en la página electrónica de AIDIMME.


INNOCOND – DESARROLLO DE MATERIALES SOSTENIBLES INNOVADORES PARA MEJORAR EL AISLAMIENTO TÉRMICO EN CONSTRUCCIÓN

Número de proyecto: 22100059
Expediente: IMDEEA/2021/5
Duración: Del 01/09/2021 al 30/06/2022
Coordinado en AIDIMME por: ABIÁN PÉREZ,MIGUEL ANGEL
Línea de I+D: APLICACIÓNES AVANZADAS DE LOS MATERIALES


Para más información contacte con AIDIMME.

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Miguel Ángel Abián

Tecnología y Biotecnología de la Madera • Jefe Sección