Matérias-primas utilizadas no fabrico de Painéis Sanduíche
Um painel sanduíche típico tem uma estrutura de três camadas. As superfícies rígidas, com um módulo de elasticidade relativamente elevado, são mantidas à distância por um núcleo leve, que tem rigidez de flexão suficiente para suportar a maior parte das tensões de corte. O núcleo também actua como uma camada de isolamento térmico altamente eficaz.
O crescimento da utilização de painéis compósitos deve-se principalmente à necessidade da indústria da construção de um painel leve que tenha também elevados valores de isolamento térmico e seja, ao mesmo tempo, fácil de instalar.
O primeiro requisito foi cumprido graças ao desenvolvimento técnico das espumas rígidas de poliuretano (PUR) e de poliisocianurato (PIR), capazes de oferecer elevadas propriedades de isolamento térmico, sobretudo quando comparadas com os materiais habitualmente utilizados na construção. A segunda caraterística, a simplicidade de montagem na estrutura de suporte, provou ser um dos principais factores de popularidade deste produto, uma vez que os tempos de construção foram significativamente reduzidos em comparação com os métodos tradicionais, com a consequente poupança nos custos de mão de obra. Nos últimos 5-10 anos, a linha de produtos expandiu-se com o desenvolvimento de painéis sanduíche de lã de rocha. Originalmente desenvolvidos e testados para utilização em aplicações à prova de fogo, estes painéis são agora mais frequentemente utilizados para cumprir requisitos de isolamento e absorção acústicos. Em suma, graças a um grande número de características favoráveis, os painéis sandwich são um elemento essencial nas aplicações de construção do futuro.
Superfícies metálicas
As folhas relativamente finas e de alta resistência são geralmente utilizadas para superfícies metálicas exteriores. Devem preencher os seguintes requisitos:
- Requisitos de produção relativos à perfilagem e à dobragem
- Requisitos funcionais de resistência ao vento
- Impermeabilidade à água e ao vapor
- Características de resistência estrutural e capacidade de suportar cargas locais
- Resistência adequada à corrosão e ao fogo.
Nem todos estes requisitos têm a mesma importância em todas as aplicações, mas é evidente que são economicamente satisfeitos com chapas metálicas, especialmente aço e alumínio.
Por conseguinte, os metais utilizados são:
- aço galvanizado, pintado ou nu
- alumínio, pintado ou nu
- aço inoxidável
- cobre.
As chapas metálicas são fornecidas pelo fornecedor em rolos (Fig. 2.1 e 2.2) e podem ser facilmente incorporadas num processo de produção contínuo, podendo ser facilmente moldadas para perfilagem.
Aço galvanizado
Os painéis sanduíche com superfícies de alumínio são por vezes utilizados em aplicações onde existem requisitos especiais de resistência à corrosão ou de higiene, por exemplo, na produção ou armazenamento de géneros alimentícios. O alumínio utilizado é uma liga de alumínio com o código 3003 – 3103. A espessura normalmente utilizada varia entre 0,7 e 1,2 mm. Uma espessura de 0,7 mm é frequentemente considerada como o valor mínimo para evitar danos locais relacionados com a deslocação e o pisoteio, mas por vezes também é utilizada uma espessura de 0,6 mm.
Outros materiais
O aço inoxidável é normalmente utilizado em aplicações caracterizadas por requisitos higiénicos importantes ou quando é necessária uma elevada resistência a um ambiente interior agressivo. Por esta razão, as superfícies de aço inoxidável permitem revestimentos de alta qualidade e de baixa manutenção. A resistência à corrosão do aço inoxidável deve-se principalmente ao seu teor de crómio, que impede a oxidação do ferro.
O cobre é também um material alternativo utilizado para reduzir a necessidade de manutenção no revestimento de edifícios. A resistência à corrosão oferecida pelo cobre deve-se a uma fina camada de óxido que se forma gradualmente na superfície, tornando o painel compósito adequado para ambientes rurais, urbanos e também marinhos. A cor original escurece devido à oxidação. A oxidação completa é obtida em 4÷6 anos em ambientes marinhos, 8÷15 anos em ambientes urbanos e pode requerer 20-50 anos em ambientes rurais.
Do ponto de vista da produção, a aderência entre as superfícies de aço inoxidável e de cobre e o núcleo é semelhante à obtida com o aço galvanizado e o alumínio. Para garantir uma aderência satisfatória ao núcleo, os lados das superfícies metálicas que entram em contacto com a espuma são revestidos com um primário adequado. Por este motivo, as bobinas metálicas são fornecidas pelo fabricante com o lado interior revestido com uma camada de 5 mícrones de espessura de uma tinta especial chamada backcoat.
Espumas rígidas
As espumas rígidas mais frequentemente utilizadas na produção de painéis compósitos são:
- poliuretano / poliisocianurato (PUR/PIR)
- resina fenólica (PF).
Estes dois materiais têm uma estrutura de células fechadas, com cerca de 90% do material a ser de células fechadas, e uma baixa inércia térmica. Além disso, são chamados termoendurecíveis, o que significa que, uma vez moldados, não podem mudar a sua forma devido à formação extensiva de ligações entre as moléculas.
Poliuretano / Poliisocianurato (PUR/PIR)
Os principais componentes das espumas de poliuretano e de poliisocianurato são:
- poliol
- isocianato
- um agente de expansão
- um ativador para controlar a reação
Até há pouco tempo, os agentes de expansão eram quase invariavelmente clorofluorocarbonetos, cuja utilização foi proibida pelo Protocolo de Montreal, por se saber que são uma das causas da destruição da camada de ozono. Atualmente, os agentes de expansão mais utilizados na produção de painéis compósitos são várias formas de pentano e água, que libertam dióxido de carbono CO2 quando reagem com o isocianato.
Em alguns casos, pode ser injetado um agente retardador de chama na mistura para aumentar a resistência ao fogo do painel. O principal inconveniente da utilização de retardadores de chama está relacionado com o aumento do fumo negro produzido em caso de incêndio.
Quando os componentes químicos são misturados (Fig. 2.3), o líquido começa a espumar e a expandir-se rapidamente (Fig. 2.4). O tempo decorrido entre a primeira mistura dos componentes e o endurecimento da espuma é de 3 a 6 minutos, dependendo da espessura desejada da camada de espuma. Uma vez que a reação química é exotérmica, podem ser atingidas temperaturas superiores a 150 °C no núcleo de painéis com uma espessura superior a 100 mm. Por conseguinte, é necessário armazenar os painéis mais espessos durante, pelo menos, 24 horas, para que a fase de endurecimento e arrefecimento possa ser concluída e os painéis possam ser expedidos.
As espumas de poliisocianurato (PIR) diferem das espumas de poliuretano puro (PUR) apenas na proporção de mistura dos componentes, ou seja, poliol e isocianato. Esta relação é de aproximadamente 100:150 em comparação com 100:100 para o PUR. Por conseguinte, existe mais isocianato no PIR do que no PUR. Esta diferença de composição confere ao material final propriedades diferentes devido à diferente estrutura química, mesmo que o processo de formação de espuma e as propriedades mecânicas e físicas sejam normalmente semelhantes.
As espumas PIR são utilizadas apenas pelas suas características superiores de estabilidade térmica e de resistência ao fogo. Enquanto uma espuma de poliuretano puro se decompõe gradualmente se for exposta a temperaturas superiores a 250 °C, uma espuma de PIR suporta geralmente temperaturas superiores a 350 °C antes de começar a decompor-se. Além disso, forma-se uma camada carbonizada estável nesta camada, o que melhora significativamente o desempenho do fogo. Esta melhoria no desempenho ao fogo é obtida à custa de um processo de fabrico mais caro, uma vez que a reação química requer (para ter lugar) uma temperatura igual a aproximadamente 40÷45 °C, ou seja, igual ao dobro da necessária para uma reação de espuma de poliuretano.
A estrutura da espuma endurecida consiste principalmente em células fechadas, separadas umas das outras por membranas finas (Fig. 2.5), em contraste com a estrutura de células abertas que caracteriza as espumas flexíveis (Fig. 2.6). As células contêm um agente de expansão e, normalmente, também alguns vestígios de dióxido de carbono, CO2.
O CO2 sai muito rapidamente através das membranas e, ao fim de algum tempo, o resultado é que as células fechadas contêm maioritariamente agente de expansão, que tem excelentes propriedades isolantes. O ar pode então difundir-se para fora da espuma, mas isso tem pouca influência nas propriedades de isolamento.
Classificação das espumas de poliuretano (PUR)
As espumas de poliuretano são normalmente classificadas quanto à sua reação ao fogo, de acordo com o método de ensaio alemão definido pela norma DIN 4102-1. De acordo com esta norma, uma espuma de poliuretano, carregada com agentes retardadores de chama, apresenta melhores características de reação ao fogo e pode ser classificada como B2, enquanto todas as outras pertencem à classe B3.
A necessidade de tal classificação decorre do facto de, para obter a classificação alemã Zulassung, a espuma de poliuretano ter de ser classificada como B2. Por este motivo, esta convenção é hoje amplamente aceite pelos fabricantes de espumas de poliuretano (entre os quais a Metecno), que identificam o material com as melhores características de reação ao fogo como PUR B2, e uma espuma de poliuretano com propriedades “standard” como PUR B3.
A mesma regra também se aplica em França, onde, para obter a classificação francesa Avis Techniques, a espuma de poliuretano com o melhor desempenho ao fogo é classificada como M2, embora seja exatamente o mesmo material utilizado para obter a Zulassung. É claro que, para obter essa certificação, a espuma terá de ser testada de acordo com a legislação francesa sobre esta matéria, que pode diferir da legislação alemã.
Em conclusão, B2 e B3 identificam um tipo de espuma de poliuretano com características especiais de resistência ao fogo.
Espuma de resina fenólica (PF)
A procura de uma maior segurança contra incêndios em edifícios com painéis compostos levou a que se considerasse a espuma rígida fenólica, também feita de material termoendurecível, como núcleo de painéis em sanduíche. Em comparação com outras espumas rígidas, tem uma condutividade térmica muito baixa e um excelente desempenho ao fogo, incluindo:
- elevada resistência à ignição
- tempos de combustão lentos
- taxas de emissão de fumos muito baixas
- emissão de fumos invisíveis.
A espuma fenólica é produzida a partir de resina líquida de formaldeído, que é misturada com um solvente altamente volátil como agente de expansão e um agente indutível. Com a aplicação de um campo de temperatura, a mistura começa a espumar e depois a endurecer.
A espuma fenólica é preferencialmente produzida em placas, que são depois cortadas em folhas e montadas com as superfícies metálicas com substâncias adesivas. De facto, a produção de espuma fenólica é acompanhada por uma quantidade considerável de água ácida remanescente, o que impede um processo de laminação contínua fácil com as superfícies metálicas.
Além disso, a espuma fenólica é um material bastante friável, o que requer algum cuidado para aplicações em tectos ou intradorsos, que podem estar sujeitos a tráfego pedonal; nestes casos, pode ocorrer uma delaminação precoce devido à pressão repetida aplicada.
Propriedades características das espumas rígidas
Densidade
A densidade da espuma é de grande importância porque o custo do material afecta mais o custo final do produto acabado do que o custo de produção, pelo que o objetivo é obter as mesmas propriedades físicas com a menor densidade possível.
A maioria das propriedades mecânicas da espuma está relacionada com a sua densidade. A densidade das espumas rígidas utilizadas pela Metecno para a produção de painéis sanduíche pode variar dentro das seguintes faixas:
- Poliuretano (PUR) B2: 40 ± 4 Kg/m3
- Poliuretano (PUR) B3: 38 ± 4 Kg/m3
- Poliisocianurato (PIR): 45 ± 5 Kg/m3
Isolamento térmico
O fluxo de calor através das espumas rígidas deve-se principalmente à condução de calor através dos gases contidos na sua estrutura celular. A condutividade térmica é significativamente influenciada pelo tipo de gás aprisionado nas células de espuma, e a maioria dos agentes de expansão são eficientes neste aspeto.
No PUR, o valor da condutividade térmica é de aproximadamente 0,020÷0,024 W/m°C imediatamente após a produção. Devido ao efeito de estanquidade ao gás proporcionado pelas superfícies metálicas, outras variações na composição dos gases retidos na estrutura celular da espuma são limitadas, embora o valor a longo prazo possa aumentar para 0,024÷0,030 W/m°C.
As placas de lã de vidro podem ser produzidas da mesma forma, mas a partir de uma fusão de areia de quartzo, carbonato de sódio e cal, ou vidro reciclado. Num outro método de produção (o chamado método TEL), ilustrado na Fig. 2.9, a massa fundida é pressionada ou aspirada através de pequenos bicos com ar comprimido. As propriedades da lã de vidro são semelhantes às da lã de rocha, exceto no que diz respeito a um ponto de fusão mais baixo e a uma maior quantidade de aglutinante, normalmente entre 4 e 15%.
Ao regular a velocidade da correia e outros parâmetros do processo, a densidade e a espessura da placa podem variar rapidamente.
Devido ao processo de produção, todas as placas de lã mineral são altamente ortotrópicas. De facto, as fibras mais longas estão alinhadas ao longo da correia transportadora e mantêm a mesma orientação na placa acabada (Fig. 2.10). As fibras mais curtas têm uma orientação mais casual, e é por isso que as placas de lã mineral são mais rígidas no seu plano. De qualquer modo, a rigidez e a resistência destas placas devem-se, em grande parte, aos ligantes utilizados.
Dos tipos acima mencionados, a lã mineral, com rocha natural como material de partida, tem a melhor resistência a temperaturas elevadas e a melhor resistência à humidade. Além disso, a estrutura fibrosa não tem poros fechados, o que torna as placas muito mais susceptíveis à absorção de água e à difusão de vapor. Com a adição de aditivos adequados, a absorção de água da lã de rocha pode ser reduzida para valores inferiores aos do poliestireno.
Propriedades características da lã mineral
Densidade
A densidade da lã mineral utilizada nos painéis em sanduíche pode ser considerada como variando no intervalo 90÷145 kg/m3.
Propriedades mecânicas
A lã mineral deixa de se comportar de forma elástica quando as fibras e a aderência entre as fibras se perdem. A resistência aumenta com a densidade, mas depende mais da estrutura interna da lã do que apenas da densidade.
A resistência à compressão na direção normal à orientação das fibras varia tipicamente no intervalo de 0,005÷0,08 N/mm2. A resistência à tração correspondente é inferior e situa-se no intervalo 0,001÷0,01 N/mm2.
As propriedades correspondentes na direção paralela à da fibra são muito mais elevadas.
A resistência ao cisalhamento varia de 0,03 a 0,20 N/mm2, e o módulo de cisalhamento correspondente varia de 2 a 20 N/mm2.
A resistência à tração situa-se entre 0,03 e 1,0 N/mm2 e o módulo de elasticidade correspondente entre 5 e 40 N/mm2.
A resistência à compressão varia no intervalo 0,10÷0,15 N/mm2, e o módulo de elasticidade correspondente no intervalo 6÷20 N/mm2.
Absorção de água
Em condições normais de utilização, a absorção de água pela lã mineral é baixa e, nos painéis compostos, devido à proteção oferecida pelas superfícies exteriores, é normalmente reduzida para 0,2 ÷ 0,5 %. A absorção de água da lã mineral pode ser ainda mais reduzida através da utilização de silicone, óleo mineral ou outros aditivos. A absorção de água da lã de rocha é inferior à da lã de vidro, mesmo quando o teor de aglutinante é inferior. Isto deve-se a uma diferença na estrutura interna do material.
Isolamento térmico
Em comparação com as espumas rígidas com uma estrutura celular fechada, a condução térmica do ar na lã tem uma grande influência no fluxo de calor. De facto, cerca de 75% do fluxo de calor é devido a fenómenos convectivos e condutores relacionados com a presença de ar. A condutividade térmica medida nas placas de lã mineral é praticamente constante no intervalo de densidade de 60÷150 Kg/m3, e é igual a 0,033÷0,034 W/m°C.
Combustibilidade e outras propriedades relacionadas com a presença de potenciais incêndios
As lãs minerais com um baixo teor de aglutinante orgânico são praticamente incombustíveis. Uma vez que o teor de aglutinante na lã de vidro é geralmente superior a 5%, a lã de vidro não é geralmente classificada como incombustível. As fibras em si não ardem, mas derretem; as fibras de vidro derretem a 650 °C, enquanto as fibras de rocha derretem apenas a 1000 °C.
