PROCEEDINGS of the 22 nd International Congress on Acoustics Architectural Acoustics Room and Building Acoustics: Paper FIA2016-45 Study of sound absorption of wools composed by PET waste products Sérgio Klippel Filho (a), Josiane Reschke Pires (b), Henrique Souza Labres (c), Maria Fernanda de Oliveira Nunes (d) (a) itt Performance/Unisinos, Brasil, sergioklip@unisinos.br (b) itt Performance/Unisinos, Brasil, josianerp@unisinos.br (c) itt Performance/Unisinos, Brasil, hslabres@gmail.com (d) itt Performance/Unisinos, Brasil, mariaon@unisinos.br Abstract The pursuit for recycled materials is in consistent extension, since the environmental damage caused by not biodegradable materials need extremely concern when discarded in an incorrect way. The high period needed those materials to degrade in a spontaneous way or the outgassing descendant of the burn process when they are incinerate. Among the diversity of waste materials, we meet the PET (Polyethylene terephthalate) waste, used in large scale in the worldwide. The reuse of those materials are of extreme significance for the circularity of their proposes. Since this, a wool for use in sound absorption proposes in room acoustics was developed using PET waste. The purpose of this article is to investigate the use of these PET wools in different thickness and densities, analyzing their sound absorption capacity and comparing the different compositions of wools in a manner to determine the highest sound absorption composition. For this, the test method used was described by ISO 354:2003, that determine the mounting types for this type of material as well as the sound absorption test procedure, as well as ISO 11654:1997 to calculate the weighted sound absorption coefficient. For the tests, the wools were placed directly to the floor of the reverberant room as well as placed with an air coating of 5 cm underneath them. The results had shown that the wools with more thickness and density had a better sound absorption coefficient compared to the others, so as the mounting type has significant gains and losses to the sound absorption capability of every PET wool tested. Keywords: PET; acoustic absorption, reverberation room, waste materials.
Study of sound absorption of wools composed by PET waste products 1 Introdução A nível mundial, ruídos indesejados e, por vezes, potencialmente perigosos estão se tornando cada vez mais comuns e complexos. Assim, a demanda por produtos que melhorem a situação ambiental aumenta - área na qual produtos leves e com grande faixa de absorção sonora são fortemente requisitados [1]. Materiais porosos, com sua estrutura ramificada, aumentam a resistência a vibração do ar, bem como aumento da fricção entre as moléculas de ar e as passagens internas do material [2]. Desta forma, a absorção sonora é obtida através da transformação da energia sonora em dissipação do calor [3]. A absorção sonora em ambientes internos é comumente tratada a partir da instalação de determinados elementos e/ou materiais em suas superfícies. Os materiais porosos e/ou fibrosos possuem elevada capacidade de absorção nas altas frequências e seu comportamento pode ser alterado com diferentes tipos de instalação, como os que considerem a inserção de câmaras de ar no elemento proposto. Sendo um dos principais polímeros produzidos no Brasil, a quantidade de produtos fabricados a partir de resíduos de politereftalato de etileno (PET) aumentou expressivamente nos últimos anos, devido à relação entre as propriedades mecânicas, térmicas e baixo custo de produção deste material [4 e 5]. Apesar do aumento expressivo da reciclagem de matéria PET no país, quase metade do resíduo de PET não é reciclado [6], sendo depositado de forma imprópria, causando transtornos e doenças para a população, bem como afetando a natureza. No Brasil, este resíduo é aplicado principalmente na forma de fibras têxteis. Contudo, poucos estudos são realizados para desenvolver uma aplicação que melhor explore suas propriedades térmicas e mecânicas [4]. O uso de mantas de lã de PET como absorvedores acústicos tem recebido recente interesse, tanto do mercado quanto de pesquisas científicas [7]. Dentro deste cenário, o resíduo de PET pode ser utilizado como matéria prima para condicionar tempos de reverberação de ambientes. Estas mantas fabricadas de PET funcionam como eficientes absorvedores sonoros, além de possuir um atrativo sustentável [8]. Estas podem assumir um papel fundamental como revestimento de superfícies de salas com necessidade de aprimoramento de sua qualidade acústica [9]. O objetivo deste trabalho é avaliar a capacidade de absorção sonora de mantas produzidas a partir do resíduo de PET, em diversas espessuras e densidades, e realizar um estudo comparativo a fim de verificar as características de absorção dos produtos. 2
2 Método Os ensaios foram efetuados de acordo com as requisições da ISO 354:2003 [10], sendo adotado o tipo de montagem A e E-50 da amostra dentro da câmara reverberante. As amostras foram posicionadas diretamente sobre o chão da câmara para o Tipo A, e para o Tipo E-50 foi adotada uma estrutura em madeira, com as laterais da estrutura fechadas, criando um espaço enclausurado de 0,05 m entre as amostras e o piso da câmara. Cada corpo de prova possuía as dimensões de 1,0 x 1,0 m e as amostras foram ensaiadas com uma área de 10 m², dispostas em uma razão de 2:5 (Figura 1). (a) (b) Figura 1: Amostra montada (a) diretamente sobre o piso da câmara (montagem Tipo A) e (b) a 5 cm do piso da câmara (montagem Tipo E-50) Nos casos em que ocorreram frestas nas juntas entre seções das mantas, dispostas lado a lado, foi utilizada fita adesiva para sela-las, impossibilitando, desta forma, a descontinuidade entre as placas. Estão descritas na Tabela 1 as densidades superficiais e espessuras das amostras analisadas. Tabela 1: Amostras de mantas ensaiadas Espessura (mm) 50 75 100 Densidade (kg/m²) 1,0 1,5 2,0 1,15 1,5 2,5 3,0 3,5 Os ensaios foram efetuados em câmara reverberante, construída conforme as requisições normativas da ISO 354:2003 [10]. Os equipamentos utilizados para estas medições foram analisador sonoro Type 2270, fonte sonora Omnipower Type 4292-L, calibrador sonoro Type 4231 e amplificador de potência Type 2734, todos de fabricação da Bruel & Kjaer. Utilizou-se o 3
ruído Rosa para estimular o campo sonoro da câmara, efetuando três decaimentos por posição de microfone para medição do tempo de reverberação. Realizou-se três posições de fonte sonora emissora e doze posições de microfone, sendo todos decaimentos medidos em bandas de 1/3 de oitava de 100 a 5000 Hz. A partir dos tempos de reverberação obtidos, juntamente com o volume total da câmara reverberante e a área superficial exposta da amostra, utilizou-se a fórmula de Sabine (Equação 1), obtendo-se então os coeficientes de absorção sonora para cada banda de frequência medida. (1) Onde: αs coeficiente de absorção sonora; V volume da câmara reverberante (m³); S área superficial da amostra (m²); c1 velocidade de propagação do som da câmara vazia (m/s); c2 velocidade de propagação do som da câmara com a amostra (m/s); T1 tempo de reverberação da câmara vazia (s); T2 tempo de reverberação da câmara com a amostra (s); m1 coeficiente de atenuação de potência da câmara vazia; e m2 coeficiente de atenuação de potência da câmara com a amostra. Com os coeficientes de absorção sonora determinados, foram efetuados cálculos de acordo com a ISO 11654:1997 [11], para obter os coeficientes de absorção sonora ponderados (αw) de cada amostra, que possibilitam uma classificação imediata da capacidade de absorção do material e a caracterização de sua eficiência para as baixas, médias e altas frequências. 3 Apresentação e discussão dos resultados Os coeficientes de absorção sonora calculados (Figura 2) para as amostras na espessura de 50 mm no tipo de montagem A mostram que as amostras apresentaram comportamentos similares. A amostra de 1,0 kg/m² apresentou os menores coeficientes de absorção sonora quando comparada às demais testadas, tendo apenas na banda de 100 Hz, uma absorção maior que a amostra de densidade 1,5 kg/m². A amostra de densidade 2,0 kg/m² apresentou-se mais absorvente na maioria das bandas de frequência, exceto nas bandas de baixas frequências 125 e 160 Hz e em 1250 Hz nas altas frequências, para a qual teve absorção igual à de densidade 1,5 kg/m². Quando analisadas no tipo de montagem E-50 (Figura 2), foi observado um comportamento similar dos coeficientes de absorção quando comparados ao tipo de montagem A. A amostra de densidade 1,0 kg/m² teve uma capacidade absorvente inferior às outras duas ensaiadas na maioria das bandas de frequência, salvo nas bandas de 100 e 5000 Hz, onde teve os mesmos coeficientes das demais. Ainda, assim como no tipo de montagem A, a amostra de densidade 2,0 kg/m² teve os maiores coeficientes de absorção sonora na maioria das bandas de 4
frequências, apresentando, somente, nas bandas de frequências de 100, 4000 e 5000 Hz um coeficiente de absorção sonora igual ao da amostra de densidade 1,5 kg/m². Conforme a Figura 2, comparando os ensaios dos dois tipos de montagem, evidenciou-se que para as bandas de 125 a 1000 Hz houve um ganho de absorção quando a amostra foi montada sobre a estrutura de madeira com 5cm de camada de ar entre a amostra e o chão da câmara, tendo uma perda de desempenho nas demais bandas. Coeficientes de Absorção Sonora (αs) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Frequência (Hz) 1,0 kg/m² - T. A 1,5 kg/m² - T. A 2,0 kg/m² - T. A 1,0 kg/m² - T. E-50 1,5 kg/m² - T. E-50 2,0 kg/m² - T. E-50 Figura 2: Coeficientes de absorção sonora espessura 50 mm Nas mantas com espessura de 75mm, nos ensaios com montagem do tipo A, apresentados na Figura 3, a amostra de densidade 1,15 kg/m² teve um comportamento semelhante às demais testadas. Contudo, esta amostra obteve coeficientes de absorção sonora menores na maioria das bandas de frequência, tendo maior absorção sonora que a amostra de densidade 1,5 kg/m² nas bandas de 125 e 160 Hz. 5
Nesta espessura, a manta de densidade 2,5 kg/m² apresentou, na maioria das bandas de frequência, maiores coeficientes de absorção sonora quando comparada as outras densidades ensaiadas. A capacidade de absorção da amostra de densidade 2,5 kg/m² evidencia-se com uma diferença visível somente na faixa das médias frequências (250 a 1000 Hz) quando comparada à amostra de densidade 1,5 kg/m², pois nas outras bandas de frequência esta apresentou um comportamento muito semelhante (Figura 3). Nos ensaios com o tipo de montagem E-50 para as amostras de 75mm (Figura 3), os coeficientes de absorção sonora das três amostras foram bastante similares nas bandas de 100 a 160 Hz, se diferenciando nas demais frequências, onde a amostra de densidade 2,5 kg/m² obteve os maiores coeficientes de absorção, e a amostra de densidade 1,15 kg/m² os menores coeficientes. Ao comparar-se os resultados dos tipos de montagem analisados, no tipo de montagem A obteve-se um ganho de absorção nas bandas de frequências de 125 a 630 Hz, reduzindo a absorção nas demais bandas de frequência (Figura 3). Coeficientes de Absorção Sonora (αs) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Frequência (Hz) 1,15 kg/m² - T. A 1,5 kg/m² - T. A 2,5 kg/m² - T. A 1,15 kg/m² - T. E-50 1,5 kg/m² - T. E-50 2,5 kg/m² - T. E-50 Figura 3: Coeficientes de absorção sonora - espessura 75 mm 6
Nas amostras de espessura 100 mm, nos ensaios no tipo de montagem A, os coeficientes de absorção sonora calculados com os valores medidos (Figura 4), tiveram capacidade de absorção sonora bastante semelhante. A amostra de densidade 3,0 kg/m² obteve coeficientes de absorção sonora maiores na maioria das bandas de frequência, sendo esta diferença evidenciada nas bandas de frequências de 100 a 200 Hz, e em algumas bandas das médias e altas frequências. Com estas amostras ensaiadas no tipo de montagem E-50 (Figura 4), a amostra de densidade 3,0 kg/m² obteve os maiores coeficientes de absorção sonora nas bandas de frequência de 100 a 315 Hz, apontando um menor desempenho nas demais bandas para a amostra de densidade de 3,5 kg/m². Quando os dois tipos de montagem são comparados, verificou-se um ganho de absorção sonora nas bandas de 100 a 1600 Hz, e nas demais bandas nas quais houve diminuição da absorção, esta diferença não maior que 0,1 em nenhuma das bandas de frequências analisadas. 1,0 Coeficientes de Absorção Sonora (αs) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Frequência (Hz) 3,0 kg/m² - T. A 3,5 kg/m² - T. A 3,0 kg/m² - T. E-50 3,5 kg/m² - T. E-50 Figura 4: Coeficientes de absorção sonora - espessura 100 mm 7
Na Figura 5 apresenta-se os coeficientes de absorção sonora ponderado (α w ) das amostras. Segundo a Figura 2, os coeficientes de absorção sonora ponderado (α w ) das amostras com espessura de 50 mm com densidades 1,5 e 2,0 kg/m² foram de 0,7, e o menor foi da amostra de densidade 1,0 kg/m², de 0,6, em ambos os tipos de montagem (T.A e T.E-50). Já as amostras de densidade 1,5 e 2,5 kg/m² com espessura de 75 mm apresentaram coeficientes de absorção sonora ponderado (α w ) de 0,8. Neste caso, a amostra de espessura 75 mm e densidade 1,15 kg/m² teve uma redução de absorção sonora, para absorção sonora ponderado de 0,7 (Figura 5). Pode-se observar que os coeficientes de absorção sonora ponderados das amostras de espessura de 100 mm foram de 0,8 em ambos os tipos de montagem, exceto para a amostra de densidade 3,5 kg/m² com tipo de montagem E-50, que apresentou um coeficiente de absorção sonora ponderado de 0,7. Evidencia-se que há uma redução de 0,1 no coeficiente de absorção sonora ponderado nas amostras de 75 mm e 100 mm quando as amostras foram posicionadas na estrutura em madeira, com as laterais da estrutura fechadas e câmara de ar de 0,50 m. O mesmo não ocorre nas amostras de 50 mm que mantiveram o mesmo α w em ambos tipos de montagem. 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 1,0 kg/m² 1,5 kg/m² 2,0 kg/m² 1,15 kg/m² 1,5 kg/m² 2,5 kg/m² 3,0 kg/m² 3,5 kg/m² 1,0 kg/m² 1,5 kg/m² 2,0 kg/m² 1,15 kg/m² 1,5 kg/m² 2,5 kg/m² 3,0 kg/m² 3,5 kg/m² 50mm - T.A 75mm - T.A 100mm - T.A Figura 5: Coeficientes de absorção sonora ponderado (α w ) 50mm - T. E-50 75mm - T. E-50 100mm - T. E-50 8
4 Conclusão O estudo permitiu avaliar a eficiência na absorção sonora, a partir da utilização de mantas com espessuras e densidades diversas. As amostras quando submetidas a ensaios no tipo de montagem E-50 apresentaram redução no coeficiente de absorção nas bandas de alta frequência quando comparadas ao tipo de montagem A. Essa diferença foi mais evidente nas bandas de frequências a partir de 1600 Hz nas amostras com espessuras de 500 e 75 mm. Os resultados obtidos com a variação das densidades foram consideráveis nas amostras de 50 mm e 75 mm, sendo obtidos coeficientes de absorção sonoras superiores em grande parte das bandas de frequência para as amostras mais densas. Porém, com o aumento da espessura para 100 mm as semelhanças entre as densidades avaliadas foram mais evidentes. Referências [1] HONG, Z.; BO, L.; GUANGSU, H.; JIA, H. A novel composite sound absorber with recycled rubber particles. In: Journal of Sound and Vibration 304, p. 400-406, 2007 [2] HUANG, C.H.; LIN, J.H.; LOU,C.W.; TSAI, Y.T. The Efficacy of Coconut Fibers on the Sound- Absorbing and Thermal-Insulating Nonwoven Composite Board. In: Fiber and Polymers, Vol.14, No.8, p. 1378-1385, 2013. [3] LOU, C.W.; CHEN, P.; LIN, J. H. Manufacturing Process and Property Analysis. In: Advanced Materials Research, Vol. 55-57, p. 393-396, 2008. [4] PACHECO, E. B.; HEMAIS, C. A. Mercado para Produtos Reciclados à Base de PET/HDPE/Ionômero. Em: Polímeros: Ciência e Tecnologia, Vol. 9, p.59-64,1999. [5] MACDONALD, W. A. New Advances in Poly(ethylene terephthalate) Polymerization and Degradation. Polym. Int., Vol. 51, p.923-930, 2002. [6] ABIPET (Associação brasileira da indústria do pet). Nono CENSO da reciclagem de PET. Brasil, 2012. [7] DEL REY, R.; ALBA, J.; RAMIS, J.; SANCHIS, V.J. Nuevos materiales absorbentes acústicos obtenidos a partir de restos de botellas de plástico. Materiales de Construcción, Vol. 61, 304, p. 547-558. [8] SIMÕES, M. F.; OLIVEIRA, B. D.; BECKER, R. R.. Isolamento e condicionamento acústico do Auditório Araujo Vianna em Porto Alegre, RS. In: ENCONTRO SOBRAC, XXV, p. 336-343,2014. [9] PATRÍCIO, J.; PATRAQUIM, R. J. Painéis acústicos de design inovador. In: Anais ACUSTICA 2008, V Congresso Ibérico de Acústica, 2008, Coimbra. [10] International Organization For Standardization ISO 354: Acoustics Measurement of sound absorption in a reverberation room, 2003. [11] International Organization For Standardization ISO 11654: Acoustics Sound absorbers for use in buildings Rating of sound absorption, 1997. 9