PCM. Materiales diseñados para el ahorro energético

Adolfo Benedito. Investigador AIMPLAS  

Crisis energéticas, subidas incontroladas en los precios del petróleo, energías limpias, energías contaminantes, nuclear, eólica,.. estamos inmersos en un intenso debate sobre la energía y su aprovechamiento. No nos llevemos a engaño, históricamente siempre ha sido un tema recurrente, pero cada vez se renueva con mayor insistencia y virulencia. Los desarrollos sociales e industriales exigen ingentes cantidades de energía. Optimizar los recursos y los gastos energéticos es uno de los objetivos primordiales en esta escalada sin fin. Y ahí tiene mucho que decir los llamados materiales de cambio de fase (PCM).

Los materiales de cambio de fase básicamente actúan frente a los cambios bruscos de temperaturas, minimizando sus efectos y manteniendo un ambiente mucho más controlado y confortable. ¿Cómo actúan? Como su propio nombre indica, son materiales que cambian de estado sólido a líquido y, al contrario, de líquido a sólido en un rango de temperaturas adecuado. Los PCMs son materiales seleccionados por su elevado calor de fusión, lo que implica que cuando funden absorben mucho calor y cuando solidifican lo desprenden. Esto supone que cuando en un ambiente hay cambios de temperatura que coinciden con el rango del cambio de fase de estos materiales, “inteligentemente”, absorben calor o lo desprenden, manteniendo la temperatura del entorno de una manera más constante y eficiente. Son, sin duda, “acumuladores de calor”. No es algo nuevo, sino tan antiguo como mucha de nuestra cultura. Estamos hablando del tradicional botijo, o de las láminas de agua y fuentes en los antiguos patios andaluces.

La pregunta que surge a continuación es: ¿de qué tipo de materiales estamos hablando? Como ya se ha comentado, se trata de materiales con elevado calor de fusión (calor absorbido o desprendido cuando un material cambia de fase). El primero, históricamente, fue el agua. Actualmente se usan diversas opciones, dependiendo de la temperatura de cambio de fase que interese (desde 0 hasta 100ºC), tales como sales inorgánicas hidratadas, parafinas de bajo peso molecular, polietilen-glicol, etc. Evidentemente, estos materiales que pasan de estado sólido a líquido y viceversa, necesitan un “contenedor” que evite la fuga y el derrame de los mismos. Es un requisito fundamental para la funcionalidad de los PCMs, pues permite la reversibilidad del sistema.

En aplicaciones a pequeña escala, una tecnología contenedora muy asociada a los PCMs es la microencapsulación. Se trata del “atrapamiento” de un líquido o un sólido –contenido- en pequeñas microcápsulas de menos de 2 micras de espesor y diámetros de 20-40 micras –continente-. La manera más sencilla de generar dichas estructuras es mediante la deposición de finas capas de polímero alrededor del material formando la “cápsula” correspondiente. La composición de dicho recubrimiento será el responsable de la durabilidad del sistema PCM. En este caso, el sistema debe de ser resistente tanto a esfuerzos mecánicos como a altas temperaturas, puesto que si se combinan con materiales plásticos, las microcápsulas deben soportar las elevadas condiciones de procesado de estos materiales sin sufrir roturas y, evidentemente pérdida del PCM que contiene.

Los campos de aplicación más interesantes para este tipo de materiales son, sin duda, los sectores construcción y textil. Sin olvidar, por supuesto, envase o el sector electrónico. En estas aplicaciones, los PCMs deben de cumplir otra serie de exigencias, como son la de tener una fusión entre 15ºC y 35ºC (temperatura de confort), pequeñas diferencias de temperatura entre la fusión y la solidificación, baja toxicidad, no inflamable, número de ciclos de cambio de fase elevado (estabilidad), alta conductividad térmica para una transferencia de calor efectiva, y, por supuesto, bajo precio.

La combinación de PCMs con los materiales plásticos habituales en este tipo de aplicaciones, sin duda, tecnológicamente confiere un valor añadido. Láminas y paneles aislantes, espumas de nueva generación, pueden proporcionar un inestimable ahorro energético en la climatización de un espacio. Asimismo, fibras textiles innovadoras basadas en PCMs se están desarrollando para ropas en ambientes extremos como aplicaciones aeroespaciales, calzado, ropa deportiva, e incluso aplicaciones médicas.

Aunque los PCMs se conocen desde hace ya tiempo, como ya se ha comentado, es ahora cuando se están aprovechando sus cualidades en aplicaciones conjuntas con los materiales plásticos. Limitaciones como la relativa “fragilidad” de las microcápsulas, o baja conductividad térmica de los sistemas basados en PCMs son todavía barreras a superar. Se está trabajando, por ejemplo, en combinaciones sinérgicas con nanotubos de carbono o grafenos para la mejora de la transferencia de calor, en la búsqueda de nuevos materiales con mayor entalpía de fusión (actualmente entre 250-300 J/g) a costes razonables. Queda bastante camino por recorrer y muchas posibilidades a desarrollar, pero sin duda, los PCMs forman parte de una nueva serie de materiales inteligentes con un enorme potencial futuro.

Más información: abenedito@aimplas.es