Композитні екологічно чисті звукопоглинаючі матеріали, виготовлені з перероблених текстильних відходів та біополімерів †

К'яра Рубіно

1 Dipartimento di Scienze dell’Ingegneria Civile e dell’Architettura, Politecnico di Bari, via Orabona 4, I-70125 Bari, Італія; [email protected] (C.R.); [email protected] (S.L.); [email protected] (P.S.)

Марілес Бонет Арацил

2 Grupo de Investigación en la Industria Textil (GIITEX), Departamento de Ingeniería Textil y Papelera, Universitat Politècnica de València, 46022 Alcoy, Аліканте, Іспанія; se.vpu.pxt@raobam (M.B.A.); se.vpu.pxt@apsigiaj (J.G.-P.); se.vpu.tenvpu@naromazm (M.Z.C.)

Хайме Гісберт-Пая

Стефанія Люцці

П’єтро Стефаніцці

Мануель Заморано Канто

Франческо Мартеллотта

Анотація

Останніми роками зростає інтерес до повторного використання перероблених волокон як будівельних матеріалів, що є наслідком їхньої здатності зменшувати виробництво відходів та використання незайманих ресурсів, використовуючи потенціал, який волокнисті матеріали можуть запропонувати для поліпшення теплових та акустичних характеристик комфорт. Композитні панелі, виготовлені із 100% вовняних волокон і пов'язані за допомогою розчину хітозану та розчину гуміарабіку, були випробувані та охарактеризовані з точки зору акустичних та неакустичних властивостей. Для дослідження впливу опору потоку на кінцеві показники були зроблені зразки з товщиною 5 см та різними значеннями щільності. Експериментальні результати показали, що зразки мали теплопровідність в діапазоні від 0,049 до 0,060 Вт/(м К), добре порівнянну із звичайними будівельними матеріалами. Подібним чином, акустичні результати були дуже перспективними, показуючи коефіцієнти поглинання, які для даної товщини, як правило, перевищували 0,5 від 500 Гц і більше 0,9 від 1 кГц далі. Нарешті, також були проаналізовані впливи неакустичних властивостей та повітряного зазору за зразками на акустичну поведінку, що доводить, що збіг зі значеннями поглинання, передбачений емпіричними моделями, також був дуже хорошим.

1. Вступ

Матеріали, що використовуються в будівельній галузі для теплоізоляції та контролю шуму, в основному є неорганічними та синтетичними композитами, тобто скловата, кам'яна вата та полістирол. Ці матеріали, незважаючи на низькі значення теплопровідності та високі коефіцієнти звукопоглинання, спричиняють значний вплив на навколишнє середовище під час виробничих процесів [1] і можуть впливати на здоров’я людини залежно від дози волокна, розмірів та довговічності [2]. І навпаки, однією з найбільших проблем для майбутніх будівель є гарантування низького споживання енергії, збереження теплового та акустичного комфорту в приміщенні за допомогою компонентів на основі біологічної основи, здатних забезпечити здорове та стійке довкілля. Вибір нетоксичних, екологічно чистих та переробних будівельних композитів передбачає зростаючу увагу при випробуванні природних (рослинних/тваринних) або відходів волокон як альтернативи мінеральним та синтетичним [1].

Багато дослідників проводили дослідження щодо інноваційних «зелених» будівельних матеріалів. Важка утилізація агро залишків стимулювала інтерес дослідницького співтовариства до можливого використання сільськогосподарських відходів як волокнистої матриці композитів на біологічній основі [3]. Крім того, широка доступність багатьох «місцевих» природних матеріалів спонукала кількох дослідників вивчити їх звукопоглинаючі та теплоізоляційні властивості. Так, листя оливкових дерев [4], льон, коноплі [5], стебло бавовни [6], тюки соломи [7], волокна кенафу [8], волокна койри [9], рисова солома [10] та інші [11] ] були розглянуті.

Проблема утилізації стосується сільськогосподарських побічних продуктів, а також швейної промисловості, яка відповідає за величезний обсяг відходів, спричинених швидко мінливою модною культурою, заснованою на розробці одягу, що характеризується внутрішньою застарілістю. Текстильна тканина може спровокувати забруднення від самого раннього виробничого процесу (відходи до споживання) до кінця свого терміну корисного використання (відходи після споживання) [12]. Таким чином, пошук належного способу повторного використання текстильних волокон стимулює кілька спроб використовувати їх у будівельній галузі, особливо у вигляді стійких панелей [13,14] або матів [15]. Повторне використання відходів або побічних продуктів як нової сировини для інноваційних та стійких будівельних компонентів має важливу перевагу у створенні системи „кругової економіки”, яка перетворює викинуте волокно на корисні товари з доданою вартістю. Крім того, досягаються екологічні переваги, пов’язані з меншим використанням незайманих ресурсів та обмеженою потребою у звалищах [16].

Виробництво стійкого будівельного матеріалу означає контроль за типом та кількістю енергії, що використовується для його виробництва, а також перевірку конкретних вимог щодо можливості переробки або повторного використання матеріалу в кінці терміну його служби та токсичності всіх його компонентів, включаючи сполучна разом із сировиною [1,2].

З точки зору впливу переробки вовни на навколишнє середовище, будь-яка кількісна оцінка є дуже складною, і на неї впливає висока невизначеність, здебільшого тому, що шерсть як цілісний матеріал є побічним продуктом з м'ясом. Таким чином, залежно від того, що ми вважаємо основним продуктом, вплив клімату (оцінений потенціалом глобального потепління (GWP)) вовняних волокон може коливатися від 36,2 кг еквівалентів CO2 на кг волокон до 26 кг еквівалентів CO2 на кг волокон [ 17]. Географічні фактори також можуть суттєво вплинути на вищезазначені результати. Припускаючи процес механічного розплутування вовни до вовни ниток низького класу для використання як замінник поліефірних волокон у ковдрах, було підраховано, що можна отримати суттєво позитивний ефект [18] порівняно із спалюванням або відправленням на смітник вовни відходи. Зокрема, у згаданому дослідженні процес переробки передбачає, що шерсть може бути кардирована та прядена в нову пряжу для заміщення інших волокон, і, отже, уникнення найбільшого впливу через те, що на вирощування овець лише більше 50% зміна клімату впливає на життєвий цикл вовни та близько третини споживання енергії.

Що стосується в'яжучих речовин, незважаючи на зростаючу популярність хітозану в літературі, можна знайти лише одне посилання [19], що обговорювало оцінку його життєвого циклу (від колиски до воріт). Результати показали вражаючі відмінності в залежності від ланцюга поставок, із впливом зміни клімату на європейський ринок 77 кг еквіваленту CO2 на кг хітозану та 12,2 кг еквівалента CO2 на кг хітозану для індійського ланцюга поставок.

Арабська гумка, незважаючи на її набагато давнішу історію та широке використання у харчовій та фармацевтичній промисловості, наскільки відомо авторам, ніколи не досліджувалась з точки зору впливу на навколишнє середовище та оцінки життєвого циклу. Однак гуміарабік походить від рослин акації, які ростуть у досить сухому кліматі (Африка на південь від Сахари та Західної Азії), а також сприяє удобренню ґрунту, фіксуючи азот, контрастуючи з опустелюванням. Жоден з виробничих процесів, як правило, не вимагає теплової енергії, причому транспортування та механічне руйнування мають найбільшу частку впливу на навколишнє середовище.

Метою дослідження є характеристика звукопоглинальної поведінки (та інших супутніх властивостей, таких як теплоізоляція) інноваційних випробуваних матеріалів, беручи до уваги, зокрема, вплив, який відіграють зміни щільності та пористості. Стаття також зосереджена на дослідженні відповідного розміщення пропонованих матеріалів шляхом аналізу змін коефіцієнтів звукопоглинання як функції відстані від опорної стінки. Нарешті, для отримання подальших елементів, що сприяють оптимізації матеріалу, всі експериментальні акустичні результати порівнювались з теоретичними результатами на основі емпіричної моделі прогнозування, запропонованої Делані та Базлі (D&B) [26], та феноменологічної моделі, запропонованої Джонсоном, Шампу, і Аллард (JCA) [27,28].

2. Матеріали

2.1. Основні компоненти

Було використано два різних сполучних речовини, одне з рослинних ресурсів (гуміарабік), а інше - з тваринних (хітозан). Аравійська гумка - це затверділий сік дерева акації, який зазвичай використовується як натуральна камедь. Його хімічний склад - це складний полісахарид з високою молекулярною масою, розчинний у воді, і його розчин дає легкий жовтий до червонуватий колір. Арабська гумка вважається біополімером. Його придбали у Lana y Telar з Іспанії.

З іншого боку, хітозан - це також полісахарид із побічних продуктів ракоподібних. Він вважається біополімером і складається з частково деацетильованих одиниць 1–4, D-глюкозаміну. Його придбали з хітозану середньої молекулярної маси фірми Sigma-Aldrich. Хитозан здатний зшивати сам або за допомогою зшиваючого агента. У цьому випадку жоден зшиваючий агент не був включений. Оцтова кислота для солюбілізації хітозану постачалася Panreac.

Шерсть - це натуральне волокно, отримане від тварин, і воно в основному характеризується своєю білково-хімічною структурою та теплоізоляцією. Це натуральне волокно з найвищим граничним індексом кисню (LOI), яке забезпечує стійкість проти займання. Волокна мериносової вовни, використані в цьому дослідженні, були отримані з відкинутих клаптиків, отриманих в процесі виробництва італійської компанії з виробництва одягу (Гордон Конфеціоні, Барі, Італія).

2.2. Підготовка зразка

Експериментовані матеріали були підготовлені з використанням 100% волокон мериносової вовни, спочатку доступних у формі порізаних тканин (рис. 1а); потім отримали м’яку ватяну ватину (малюнок 1 b) шляхом кардування та обмивання волокон.