Processos avançats per al desenvolupament de materials amb PCM incorporats

Dins del projecte PCMat, s'han desenvolupat noves tecnologies per a la fabricació de materials avançats, s'han validat aplicacions i, sobretot, s'han obert nous mercats per a aquests materials en els quals s'han dipositat unes grans expectatives.

Els Materials de Canvi de Fase (PCM) són materials amb una alta calor latent que, a la temperatura de canvi de fase (sòlid—líquid), són capaços d'emmagatzemar o alliberar grans quantitats d'energia (fins a 100 vegades més que si empra la calor sensible). L'interès d'aquest tipus de materials radica que, durant el canvi de fase, la temperatura es manté constant mentre que el material va absorbint o alliberant energia. La temperatura de canvi de fase és característica de cada PCM. Es tracta de materials intel·ligents (smart materials) i passius, els quals actuen de manera reversible sobre la base de la condicions tèrmiques de l'entorn. En general són materials de baix cost.

Aquest tipus de materials presenten unes elevades densitats d'energia acumulable en comparació dels materials que emmagatzemen energia en forma de calor sensible (per augment de temperatura del material). Els avantatges principals que ofereix el magatzematge de calor mitjançant calor latent enfront del que empra la calor sensible són:

• La densitat de magatzematge de calor és molt superior (per exemple l'aigua líquida: Calor específica: 4,186 kJ/kg°C i la calor latent de fusió sòlid-líquid: 334,24 kJ/kg), sent en molts casos superior en un factor 100. Per tant la densitat de calor emmagatzemada és molt superior, equivalent a la calor que emmagatzema l'aigua en passar de 0 a 80 °C.
• En ser el volum ocupat menor es tindrà una menor pèrdua de calor, tant per conducció com per convecció, obtenint-se així major eficiència.
• La calor alliberada/emmagatzemada es realitzarà a una temperatura constant.

Aquest emmagatzematge d'energia tèrmica pot ser per si solament una fi per a l'ús dels PCM, i poder disposar de l'energia acumulada en moments en què aquesta energia no estigui disponible. Una altra de les funcionalitats derivades d'aquest emmagatzematge és el control de temperatura o inèrcia tèrmica que pot exercir, mantenint una temperatura constant en un període de temps determinat i fins i tot el poder evitar sobrecalentamientos o becs de temperatura. És per això que encara que els PCM en els últims anys han estat principalment investigats en el camp d'emmagatzematge d'energies tèrmiques (TES, Thermal Energy Storage) per afavorir l'estalvi d'energia primària, en els últims anys les aplicacions dels PCM s'estan considerant en altres diversos camps. Entre ells en aquelles aplicacions en les quals es requereix una major eficiència tèrmica o on un sobrecalentamiento, la fatiga tèrmica o la falta de control de la temperatura poden ser determinants (components electrònics, radars, antenes de microones, comunicacions, dispositius de ràdio freqüència, motlles…).

Tipologia

Els PCM es poden agrupar en dues grans famílies: materials orgànics i inorgànics. Dins dels orgànics es troben les parafines i els àcids grassos, i els inorgànics són les sals hidratades i hidròxids. A més s'han desenvolupat barreges eutécticas, combinant dues o més components orgànics, inorgànics o tots dos, obtenint-se així temperatures de fusió variables depenent de la concentració de cada component de la barreja.

Taula 1. Avantatges i desavantatges dels diferents PCM.

En aplicacions de baixa temperatura (per sota de 100 °C), els PCM més usuals són els orgànics. Una dels desavantatges que aquests presenten són les seves baixes conductivitats tèrmiques. No obstant això, per superar aquest problema existeixen mètodes amb els quals s'aconsegueix millors valors de la conductivitat tèrmica. Els diferents mètodes emprats són:

• Farcits metàl·lics: encenalls d'alumini, matriu metàl·lica, tubs fins.
• Matrius de base carboni (el PCM s'insereix en el seu interior). Ocupació de fibres de carboni.
• Microencapsulado del PCM. Augment de l'àrea de transferència tèrmica.

Encapsulat

Per a l'ocupació dels materials amb canvi de fase en aplicacions, és necessari encapsular el PCM amb la finalitat d'evitar pèrdues quan el material canviï d'estat (fase líquida). Existeixen principalment dues possibilitats: macroencapsulado i microencapsulado.

Per al cas macroencapsulado, s'han desenvolupat diferents formes, geometries i tipus de materials, depenent de l'aplicació. Els materials emprats generalment són plàstics, i en particular, resina de polièster i polietilè d'alta densitat (HDPE) o polipropilè (PP), encara que existeixen alguns casos en què s'han emprat contenidors metàl·lics.

D'altra banda, els PCM s'han microencapsulado, facilitant la seva incorporació en diferents matrius com una càrrega/additiu.

Aplicacions

Les potencials aplicacions dels PCM es poden dividir en la seva majoria: magatzematge de calor, aïllament tèrmic i intercaras conductores tèrmiques (TIM). En els dos primers casos es basen en la calor latent. No obstant això, en el tercer únicament tenen en compte el canvi de fase sòlid-líquid.

A continuació, s'enumeren algunes aplicacions on han estat utilitzats els PCM:

• Magatzematge tèrmic d'energia solar.
• Magatzematge passiu en edificis, per obtenir temperatures de confort constants.
• Per a refredament (banc de gel).
• Obtenció d'aigua calenta sanitària (ACS).
• Manteniment de temperatures constants en habitacions amb ordinadors i dispositius elèctrics.
• Protecció tèrmica d'aliments durant el transport.
• Protecció tèrmica de productes agrícoles (vi, llet o verdures).
• Protecció tèrmica de dispositius electrònics, inserint el material en el sistema.
• Aplicacions mèdiques: protecció tèrmica per al transport de sang, manteniment de la temperatura de la taula d'operacions, teràpies de freda-calor.
• Refrigerant de màquines.
• Obtenció de confort tèrmic en vehicles.
• Amortiment dels becs de temperatures exotèrmics en reaccions químiques.
• Plantes d'energia solar.
• Sistemes aeroespacials.

Procediment experimental

La Fundació Privada Ascamm ha avaluat el potencial ús del material desenvolupat en el projecte PCMat en l'aplicació de motlles d'injecció de plàstic. Per a això s'ha dissenyat i construït un motlle de proves de dues cavitats amb postissos intercanviables. En la Figura 1 es mostren imatges preses durant el procés de construcció del motlle i dels postissos fabricats amb escumes metàl·liques i PCM.

El motlle s'ha sensorizado amb 4 termoparells, 2 termoparells en les cavitats que durant la injecció estan en contacte directe amb el plàstic (costat d'expulsió) i 2 termoparells addicionals en contacte amb els postissos. En la Figura 2 es mostra un esquema del motlle amb la distribució dels 4 termoparells.

Les proves d'injecció en el motlle es van realitzar en una màquina Engel I-motion 200/55 Elèctrica amb una força de tancament de 550 KN (Figura 4).

Les proves es van realitzar amb un postís que contenia escuma d'acer i com PCM la parafina RT-50. En la segona cavitat es va disposar un postís massís que s'utilitzo de referència. Les proves d'injecció es van realitzar amb els següents paràmetres:

• Material: Polipropilè
• Temperatura massa: 240/220/210/200
• Injecció: Velocitat: 15 cm³/s
• Pmáx: 500 bar
• Commutació: Carrera: 4 cm³ (280 bar)
• Post-Pressió: 100 bar / 7 s
• Dosatge: Càrrega: 12 + 1,47 cm³
• Velocitat: 0,262 m/s
• Contrapresión: 40 bar
• Coixí: 1,8 cm³
• Temps injecció: 0,67 s
• Temps de càrrega: 2,24 s
• Temps Post-Pressió: 7 s
• Temps refredament: 6 s
• Temps cicle: 19,24 s
• Temperatura de l'aigua de refrigeració: 45 °C

Principals resultats dels experiments

Durant l'assaig, es va registrar la lectura de temperatura dels 4 termoparells al llarg dels diferents cicles d'injecció realitzats. En la Figura 4 es mostra la temperatura de les diferents zones del motlle, en un moment en el qual la màquina va estar operant en manera automàtica, sense parades.

S'observen els següents aspectes:

1. La temperatura de la cavitat on es troba el postís amb PCM és uns 3 o 4 °C superior a la de referència.

2. L'increment de temperatura entre màxim i mínim de cicle es redueix en la cavitat que hi ha PCM (de 7 a 6 °C).

3. La temperatura darrere del postís on hi ha PCM és aproximadament 1 °C inferior a la temperatura del postís de referència.

4. L'oscil·lació de la temperatura en el postís de referència és molt més acusada que en el postís on hi ha PCM.

També es van realitzar parades en la manera productiva estàndard, tal com es mostra en la Figura 5, per veure la resposta de tots dos sistemes, amb i sense PCM. S'observa que la temperatura cau de forma molt més ràpida en el postís que no té PCM que en el qual ho té. D'altra banda no s'observa diferència apreciable en els termoparells situats en el costat d'expulsió i, que amb el motlle obert, queden a l'aire.

Conclusions i possibles aplicacions

Les principals conclusions que es poden extreure dels assajos realitzats són:

• El PCM redueix de forma molt important tant la temperatura mitjana com l'oscil·lació de la mateixa obtinguda en la part posterior del postís d'injecció.
• El PCM suavitza la caiguda de temperatura del motlle en cas de parades perllongades del cicle.

A partir dels resultats obtinguts Ascamm considera que els PCM poden resultar interessants per l'atemperación de motlles d'injecció de plàstic en alguns casos concrets:

• Injecció de plàstics d'elevada temperatura de transformació que siguin sensibles a la temperatura del motlle.
• Processos semicontinuos, on el temps de cicle no és constant, com pot ser en el cas de peces amb inserits metàl·lics.

El treball presentat s'ha realitzat en el marc del projecte PCMat, cofinançat pel Ministeri de Ciència i Innovació (PID-600200-2009-22).