Chiara Rubino

1 Departamentul de Inginerie Civilă și Arhitectură, Politecnico di Bari, via Orabona 4, I-70125 Bari, Italia; [email protected] (C.R.); [email protected] (S.L.); [email protected] (P.S.)

ecologice

Marilés Bonet Aracil

2 Grup de investiții în industria textilă (GIITEX), Departamentul de inginerie textilă și hârtie, Universitat Politècnica de Valencia, 46022 Alcoy, Alicante, Spania; se.vpu.pxt@raobam (M.B.A.); se.vpu.pxt@apsigiaj (J.G.-P.); se.vpu.tenvpu@naromazm (M.Z.C.)

Jaime Gisbert-Payá

2 Grup de investiții în industria textilă (GIITEX), Departamentul de inginerie textilă și hârtie, Universitat Politècnica de Valencia, 46022 Alcoy, Alicante, Spania; se.vpu.pxt@raobam (M.B.A.); se.vpu.pxt@apsigiaj (J.G.-P.); se.vpu.tenvpu@naromazm (M.Z.C.)

Stefania Liuzzi

1 Departamentul de Inginerie Civilă și Arhitectură, Politecnico di Bari, via Orabona 4, I-70125 Bari, Italia; [email protected] (C.R.); [email protected] (S.L.); [email protected] (P.S.)

Pietro Stefanizzi

1 Departamentul de Inginerie Civilă și Arhitectură, Politehnica din Bari, via Orabona 4, I-70125 Bari, Italia; [email protected] (C.R.); [email protected] (S.L.); [email protected] (P.S.)

Manuel Zamorano Cantó

2 Grup de investiții în industria textilă (GIITEX), Departamentul de inginerie textilă și hârtie, Universitat Politècnica de Valencia, 46022 Alcoy, Alicante, Spania; se.vpu.pxt@raobam (M.B.A.); se.vpu.pxt@apsigiaj (J.G.-P.); se.vpu.tenvpu@naromazm (M.Z.C.)

Francesco Martellotta

1 Departamentul de Inginerie Civilă și Arhitectură, Politehnica din Bari, via Orabona 4, I-70125 Bari, Italia; [email protected] (C.R.); [email protected] (S.L.); [email protected] (P.S.)

Abstract

În ultimii ani, interesul pentru reutilizarea fibrelor reciclate ca materiale de construcție a crescut ca o consecință a capacității lor de a reduce producția de deșeuri și utilizarea resurselor virgine, profitând de potențialul pe care materialele fibroase îl pot oferi pentru a îmbunătăți termic și acustic confort. Panourile compozite, realizate din fibre reziduale de lână 100% și legate fie prin intermediul unei soluții de chitosan, cât și a unei soluții de gumă arabă, au fost testate și caracterizate în termeni de proprietăți acustice și non-acustice. Probele cu o grosime de 5 cm și valori diferite ale densității au fost făcute pentru a investiga influența rezistenței la curgere asupra performanței finale. Rezultatele experimentale au demonstrat că probele au o conductivitate termică cuprinsă între 0,049 și 0,060 W/(m K), comparabilă cu materialele de construcție convenționale. În mod similar, rezultatele acustice au fost foarte promițătoare, arătând coeficienți de absorbție care, pentru grosimea dată, au fost în general mai mari de 0,5 de la 500 Hz și mai mari de 0,9 de la 1 kHz. În cele din urmă, au fost analizate și efectele proprietăților non-acustice și ale decalajului de aer din spatele probelor asupra comportamentului acustic, demonstrând că acordul cu valorile de absorbție prezise de modelele empirice a fost, de asemenea, foarte bun.

1. Introducere

Materialele utilizate în industria construcțiilor pentru izolarea termică și controlul zgomotului sunt în principal compozite anorganice și sintetice, adică vată de sticlă, vată de piatră și polistiren. Aceste materiale, deși au valori scăzute ale conductivității termice și coeficienți ridicați de absorbție a sunetului, cauzează impacturi semnificative asupra mediului în timpul proceselor lor de producție [1] și pot afecta sănătatea umană în funcție de doza, dimensiunea și durabilitatea fibrelor [2]. Dimpotrivă, una dintre cele mai mari provocări pentru clădirile viitoare este de a garanta consumul scăzut de energie, păstrând confortul termic și acustic interior, prin utilizarea componentelor pe bază de bio capabile să asigure un mediu sănătos și durabil. Alegerea compozitelor de construcții netoxice, ecologice și reciclabile implică o atenție crescândă în testarea fibrelor naturale (vegetale/animale) sau deșeuri ca alternativă la cele minerale și sintetice [1].

Mulți cercetători au efectuat studii despre materiale inovatoare de construcție „verzi”. Eliminarea dificilă a agro-reziduurilor a stimulat interesul comunității de cercetare pentru posibila utilizare a deșeurilor agricole ca matrice fibroasă de compozite bio-bazate [3]. Mai mult, disponibilitatea largă a multor materiale naturale „locale” i-a încurajat pe mai mulți cercetători să-și studieze absorbția fonică și proprietățile de izolare termică. Astfel, frunze de măslin [4], in, cânepă [5], tulpină de bumbac [6], baloturi de paie [7], fibre kenaf [8], fibre de coc [9], paie de orez [10] și altele [11] ] au fost luate în considerare.

Problema eliminării se referă la subprodusele agricole, precum și industria confecțiilor, care este responsabilă pentru un volum enorm de deșeuri rezultate dintr-o cultură a modei care se schimbă rapid, bazată pe proiectarea articolelor de îmbrăcăminte caracterizate printr-o perimare intrinsecă. O țesătură textilă poate provoca poluare de la cel mai timpuriu proces de fabricație (deșeuri pre-consum) până la sfârșitul vieții sale utile (deșeuri post-consum) [12]. Astfel, căutarea unui mod adecvat de reutilizare a fibrelor textile stimulează mai multe încercări de a le utiliza în industria construcțiilor, în special sub formă de panouri durabile [13,14] sau covorase [15]. Reutilizarea deșeurilor sau a produselor secundare ca materii prime noi pentru componente inovatoare și durabile pentru construcții are avantajul important al creării unui sistem de „economie circulară” care transformă fibrele aruncate în bunuri utile cu valoare adăugată. În plus, se obțin beneficii ecologice legate de o utilizare mai redusă a resurselor virgine și de nevoia limitată de depozitare a deșeurilor [16].

Fabricarea unui material de construcție durabil înseamnă controlul tipului și cantității de energie utilizată pentru producția sa, precum și verificarea cerințelor specifice privind posibilitatea de a recicla sau reutiliza materialul la sfârșitul duratei sale de viață utilă și asupra toxicității tuturor componentelor sale, inclusiv liantul împreună cu materiile prime [1,2].

În ceea ce privește impactul asupra mediului al reciclării lânii, orice evaluare cantitativă este foarte dificilă și afectată de o incertitudine ridicată, mai ales pentru că lâna ca material virgin este un coprodus cu carne. Astfel, în funcție de ceea ce presupunem că este principalul produs, impactul climatic (estimat de potențialul de încălzire globală (GWP)) al fibrelor de lână poate varia de la 36,2 kg CO2 echivalent per kg fibre, la 26 kg CO2 echivalent per kg fibre [ 17]. Factorii geografici pot afecta, de asemenea, în mod semnificativ rezultatele de mai sus. Prin asumarea procesului de desfacere mecanică a lânii la firele de lână de calitate inferioară pentru a fi utilizate ca înlocuitor al fibrelor de poliester în pături, s-a calculat că se poate obține un efect semnificativ pozitiv [18], comparativ cu incinerarea sau trimiterea la depozit a lânii deşeuri. În special, în studiul menționat, procesul de reciclare presupune că lâna poate fi cardată și filată în fire noi pentru a înlocui alte fibre și, în consecință, evitând cel mai mare impact datorită faptului că creșterea oilor singură reprezintă mai mult de 50% din climă schimbă impactul ciclului de viață al lânii și aproximativ o treime din consumul de energie.

Referitor la lianți, în ciuda popularității crescânde a chitosanului în literatură, o singură referință [19] a putut fi găsită discutând evaluarea ciclului său de viață (leagăn până la poartă). Rezultatele au arătat diferențe impresionante în funcție de lanțul de aprovizionare, cu un impact asupra schimbărilor climatice de 77 kg echivalent CO2 pe kg de chitosan pentru piața europeană și 12,2 kg echivalent CO2 pe kg de chitosan pentru lanțul de aprovizionare indian.

Guma arabă, în ciuda istoriei sale mult mai vechi și a utilizării pe scară largă în industria alimentară și a medicamentelor, după cunoștințele autorilor, nu a fost niciodată investigată în ceea ce privește impactul asupra mediului și evaluarea ciclului de viață. Cu toate acestea, guma arabă este derivată din plantele de salcâm care cresc într-un climat destul de uscat (Africa subsahariană și Asia de Vest) și, de asemenea, contribuie la fertilizarea solului prin fixarea azotului, contrastând deșertificarea. Niciunul dintre procesele de fabricație nu necesită de obicei energie termică, transportul și ruperea mecanică având probabil cea mai mare parte din impactul asupra mediului.

Scopul cercetării este de a caracteriza comportamentul de absorbție a sunetului (și alte proprietăți conexe, cum ar fi izolarea termică) a materialelor testate inovatoare, ținând seama, în special, de efectul jucat de variația densității și porozității. Lucrarea se concentrează, de asemenea, pe studiul plasării adecvate a materialelor propuse prin analiza variației coeficienților de absorbție a sunetului în funcție de distanța de la peretele de fundal. În cele din urmă, pentru a obține elemente suplimentare care contribuie la optimizarea materialului, toate rezultatele acustice experimentale au fost comparate cu rezultatele teoretice bazate pe modelul de predicție empirică propus de Delany și Bazley (D&B) [26] și pe modelul fenomenologic sugerat de Johnson, Champoux și Allard (JCA) [27.28].

2. Materiale

2.1. Componente de bază

Au fost utilizați doi lianți diferiți, unul din resurse vegetale (gumă arabă) și celălalt din animale (chitosan). Guma arabă este o seva întărită din arborele de salcâm și este frecvent utilizată ca gumă naturală. Compoziția sa chimică este o polizaharidă complexă cu greutate moleculară ridicată, solubilă în apă, iar soluția sa conferă o ușoară culoare galbenă până la roșiatică. Guma arabă este considerată un biopolimer. A fost cumpărat de la Lana y Telar din Spania.

Pe de altă parte, chitosanul este, de asemenea, o polizaharidă din subprodusele crustaceelor. Este considerat un biopolimer și este alcătuit din unități parțial deacetilate de 1-4, D-glucozamină. A fost achiziționat din chitosan cu greutate moleculară medie de la Sigma-Aldrich. Chitosanul este capabil să se reticuleze singur sau prin intermediul unui agent de reticulare. În această ocazie nu a fost inclus niciun agent de reticulare. Acidul acetic pentru solubilizarea chitosanului a fost furnizat de Panreac.

Lana este o fibră naturală obținută de la animale și se caracterizează în principal prin structura sa chimică proteică și izolația termică. Este fibra naturală cu cel mai mare indice de oxigen (LOI) care conferă rezistență la aprinderea focului. Fibrele de lână Merino utilizate în acest studiu au fost derivate din bucăți aruncate rezultate din procesul de fabricație al unei companii de îmbrăcăminte italiene (Gordon Confezioni, Bari, Italia).

2.2. Pregătirea unei mostre

Materialele experimentate au fost preparate folosind fibre de lână Merino 100% disponibile inițial sub formă de țesături tăiate (Figura 1 a); apoi, s-a obținut o bătătură moale din lână (Figura 1 b) prin cardare și prin curățarea fibrelor.