materiały dźwiękochłonne uzyskane w wyniku recyklingu wyrobów

materiały dźwiękochłonne uzyskane w wyniku recyklingu wyrobów

Materiały i technologie
dr inż. Jan
Sikora,
dr inż. Jadwiga
Turkiewicz
MATERIAŁY DŹWIĘKOCHŁONNE
UZYSKANE W WYNIKU RECYKLINGU
WYROBÓW GUMOWYCH
Sound absorbing materials used recycled rubber AbstraKt S.??
W rozwiązaniach materiałowo-konstrukcyjnych
zabezpieczeń wibroakustycznych ograniczających
hałas przemysłowy, komunikacyjny i komunalny
można z powodzeniem stosować materiały
dźwiękochłonne w postaci granulatów, uzyskane
w wyniku recyklingu odpadów i zużytych wyrobów
gumowych. Nowe badania dowodzą, że szczególnie
przydatne mogą być materiały pozyskiwane
z recyklingu zużytych taśm przenośnikowych, opon
samochodowych oraz odpadów produkcyjnych
zawierających przekładki bawełniane.
W projektowaniu i doborze przegród dźwiękoizolacyjnych oraz
materiałów dźwiękochłonnych w nich występujących od wielu
lat uwzględnia się warstwy gumowe w postaci gumy pełnej i porowatej. Badania nad określeniem własności dźwiękochłonnych
materiałów ziarnistych wykazały bowiem przydatność m.in. granulatów gumowych do stosowania w przegrodach dźwiękochłonno­
‑izolacyjnych [1–4].
Granulaty gumowe mają dobre właściwości pochłaniania dźwięku
i mogą być stosowane jako rdzenie dźwiękochłonne w przegrodach
dwuściennych. Podobnie jak granulaty z innych tworzyw naturalnych i sztucznych charakteryzują się jednak wąskopasmowym
pochłanianiem dźwięku, co jest pewnym mankamentem. Tego typu
materiały nie mogą więc zastąpić wełny mineralnej, która ma charakterystykę szerokopasmową. Taką charakterystykę pochłaniania
dźwięku mają natomiast otrzymywane w wyniku recyklingu zużytych
taśm transporterowych granulaty nazwane tkaninowo-gumowymi
i tkaninowymi.
BADANIA GRANULATÓW GUMOWYCH
Autorzy od wielu lat zajmują się badaniami akustycznymi nowych
materiałów. Okazuje się, że mogą być one przydatne w projektowaniu zabezpieczeń wibroakustycznych takich jak obudowy dźwiękochłonno-izolacyjne, przegrody budowlane, zintegrowane obudowy
przeznaczone dla maszyn wymagających ciągłej i bezpośredniej
obsługi oraz paneli akustycznych do budowy ekranów akustycznych
i będą konkurencyjne do obecnie stosowanych.
Pozytywne wyniki badań dotyczące własności dźwiękochłonnych
granulatów gumowych stały się inspiracją do badań akustycznych
granulatów uzyskiwanych w wyniku recyklingu odpadów produkcyjnych taśm transporterowych. Badania przeprowadzono w Katedrze
Mechaniki i Wibroakustyki AGH w Krakowie we współpracy z Fabryką Taśm Transporterowych „Wolbrom” w Wolbromiu. W badaniach
zwrócono szczególną uwagę na właściwości akustyczne granulatów
gumowych nieoczyszczonych do końca z włókna bawełnianego,
a także odzyskanego samego włókna z niewielkim zanieczyszczeniem drobnym ziarnem gumowym. Wstępne badania granulatów
gumowych z zanieczyszczeniami włóknem bawełnianym wykazały,
że charakterystyka pochłaniania dźwięku takich materiałów jest
szerokopasmowa, zbliżona do charakterystyki wełny mineralnej,
stanowiącej w pewnym sensie wzorzec szerokopasmowego materiału dźwiękochłonnego stosowanego w zabezpieczeniach wibroakustycznych.
Granulaty gumowe powstają w wyniku rozdrobnienia odpadów
gumowych: taśm transporterowych, bieżników opon, ochraniaczy,
membran, uszczelek, wypływek itp. Mają postać ziaren o regularnych bądź nieregularnych kształtach i czarnej barwie. Materiały te
o różnych frakcjach ziaren mają dobre własności dźwiękochłonne
ze względu na strukturę warstwy, podobną do porowatej lub włóknistej, w której pochłanianie energii dźwiękowej odbywa się przez
wnikanie jej w utworzone pory i kanaliki powietrzne.
Proces rozdrobnienia odpadów produkcyjnych gumowych typu
taśma transporterowa (pozostałości po obcinaniu obrzeży) pozwala
na otrzymanie granulatu gumowego w trzech postaciach: granulatu
gumowego (po oczyszczeniu z tkaniny bawełnianej) (FOT. 1), granulatu tkaninowo-gumowego (zanieczyszczonego włóknem bawełnianym) (FOT. 2) oraz tkaninowego (odseparowane włókno bawełniane
od ziaren gumy poddane roztrzepaniu do postaci „waty”) (FOT. 3).
Postaci te poddano badaniom w celu określenia charakterystyk
porównawczych pochłaniania dźwięku.
Badania fizycznego współczynnika pochłaniania dźwięku αf
(przy prostopadłym padaniu fali dźwiękowej na powierzchnię
badanej próbki materiału) wykonano na próbkach o pięciu grubościach (10, 20, 30, 40 i 50 mm) każdej z trzech postaci granulatu
gumowego. Do przeprowadzenia eksperymentu badawczego użyto
rury impedancyjnej (Rury Kundta) pozwalającej na określenie
współczynnika pochłaniania dźwięku metodą wykorzystującą
współczynnik fal stojących. Metoda ta jest bardzo przydatna do rozważań studialnych, a także do wstępnych badań umożliwiających
określenie przydatności nowych materiałów (lub materiałów jeszcze
niezbadanych) z punktu widzenia ich własności dźwiękochłonnych.
Do wykonania badań akustycznych tą metodą potrzebna jest niewielka ilość materiału: 2 próbki (krążki) o średnicy 30 i 100 mm,
co ma duże znaczenie z punktu widzenia ekonomicznego – stosunkowo niewielki koszt wykonania próbki materiału do badania
laboratoryjnego.
W badaniach tego typu materiałów niezbędne było umieszczenie
ich w specjalnych tulejach z tworzywa sztucznego (FOT. 4–5), z jednej
nr 11/12/2013
1
FOT. 1.
2
3
Granulat gumowy – gęstość objętościowa: 458 kg/m3, frakcja ziarna: 2×4 mm, kształt ziarna: płatki nieregularne, typ drobnoziarnisty; fot.: archiwa autorów
FOT. 2. Granulat tkaninowo-gumowy – gęstość objętościowa: 340 kg/m3, granulat gumowy zanieczyszczony kłaczkami z włókna bawełnianego, frakcja ziarna: 2×4 mm;
fot.: archiwa autorów
Granulat tkaninowy „lamin” – gęstość objętościowa: 40 kg/m3, włókna bawełniane roztrzepane do postaci waty, z niewielkimi zanieczyszczeniami granulatem gumowym,
frakcja ziarna 2×2 mm; fot.: archiwa autorów
FOT. 3.
z wynikami przeprowadzonych wcześniej
badań [4] granulatów (FOT. 1, 2). Właściwości dźwiękochłonne granulatu gumowego
w trzech postaciach uzyskanych z recyklingu zużytych taśm transporterowych
zilustrowano w postaci wykreślnej (RYS. 1–3)
i tabelarycznej (TABELE 1–3).
4
5
OCENA AKUSTYCZNA
GRANULATÓW
FOT. 4. Zestaw tulei do badania własności dźwiękochłonnych próbek o pięciu grubościach warstwy
(10, 20, 30, 40, 50 mm); fot.: archiwa autorów
Reklama
Porównanie wyników badań doświadczalnych granulatu tkaninowego „lamin” z pozostałymi dwiema postaciami granulatu guFOT. 5. Tuleje o średnicy 30 i 100 mm do badania warstwy materiału o grubości 50 mm; fot.: archiwa autorów
mowego uzyskiwanego w wyniku recyklingu
zużytych taśm transporterowych pozwala na dokonanie następującej
strony zamkniętych pełnymi ściankami, a z drugiej (od strony padania fali dźwiękowej na powierzchnię badanej próbki) elastyczną
oceny akustycznej przydatnej dla projektantów zabezpieczeń przecienką włókniną o drobnych oczkach, wykonanych specjalnie do baciwhałasowych oraz firm zajmujących się recyklingiem odpadów
dań materiałów niemających twardej struktury.
gumowych:
» charakterystyki pochłaniania dźwięku granulatu tkaninowego
„lamin” umożliwiają (podobnie jak granulat tkaninowo-gumowy)
ZESTAWIENIE WYNIKÓW BADAŃ
zaliczenie go do materiałów dźwiękochłonnych szerokopasmowych.
Charakterystyka pochłaniania tego materiału jest zbliżona do chaWyniki badań eksperymentalnych własności dźwiękochłonnych
granulatu tkaninowego (FOT. 3) zestawiono w celach porównawczych
rakterystyki wełny mineralnej;
nr 11/12/2013
10
20
30
40
50
0,8
0,7
0,6
mm
mm
mm
mm
mm
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
1
0,9
10
20
30
40
50
0,8
0,7
0,6
mm
mm
mm
mm
mm
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
10
0
12
5
16
0
20
0
25
0
31
5
40
0
50
0
63
0
80
0
1
1, k
25
1, k
6
k
2
k
2,
5
3, k
15
k
4
k
5
6, k
3
k
0,9
Fizyczny współczynnik pochłaniania dźwięku, αf
1
10
0
12
5
16
0
20
0
25
0
31
5
40
0
50
0
63
0
80
0
1
1, k
25
1, k
6
k
2
k
2,
5
3, k
15
k
4
k
5
6, k
3
k
Fizyczny współczynnik pochłaniania dźwięku, αf
Materiały i technologie
Częstotliwość, f [Hz]
Częstotliwość, f [Hz]
Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku warstwy granulatu
tkaninowego „lamin” o pięciu grubościach; rys.: archiwa autorów
Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku warstwy granulatu
gumowego o pięciu grubościach; rys.: archiwa autorów
RYS. 1.
αśr.
Grubość warstwy [mm]
20
30
40
50
100
0,06
0,06
0,09
0,09
0,09
125
0,14
0,12
0,13
0,11
160
0,11
0,10
0,11
200
0,10
0,12
0,10
250
0,08
0,10
0,15
315
0,11
0,10
0,14
400
0,09
0,14
0,10
500
0,18
0,21
630
0,27
800
20
30
40
50
100
0,02
0,03
0,03
0,03
0,01
0,11
125
0,04
0,03
0,03
0,06
0,01
0,13
0,15
160
0,10
0,08
0,08
0,04
0,08
0,14
0,13
200
0,06
0,11
0,07
0,06
0,07
0,17
0,23
250
0,04
0,06
0,08
0,08
0,09
0,18
0,30
315
0,05
0,06
0,08
0,08
0,13
0,12
0,16
400
0,04
0,09
0,10
0,12
0,16
0,34
0,37
0,62
500
0,09
0,09
0,12
0,18
0,26
0,37
0,51
0,57
0,80
630
0,16
0,11
0,20
0,33
0,52
0,19
0,28
0,56
0,73
0,89
800
0,15
0,26
0,36
0,43
0,74
1000
0,24
0,40
0,74
0,86
0,97
1000
0,17
0,24
0,45
0,69
0,97
1250
0,36
0,51
0,85
0,98
0,99
1250
0,30
0,41
0,74
0,97
0,90
1600
0,40
0,68
0,93
0,99
0,97
1600
0,43
0,48
0,95
0,95
0,65
2000
0,40
0,69
0,99
0,97
0,87
2000
0,22
0,68
0,92
0,44
0,32
2500
0,57
0,91
0,98
0,91
0,86
2500
0,28
0,89
0,12
0,99
0,33
3150
0,62
0,97
0,87
0,84
0,90
3150
0,04
0,83
0,78
0,49
0,61
4000
0,69
0,96
0,81
0,90
0,99
4000
0,75
0,66
0,03
0,84
0,33
5000
0,81
0,89
0,84
0,99
0,85
5000
0,95
0,70
0,68
0,99
0,76
6300
0,91
0,86
0,98
0,94
0,96
6300
0,69
0,92
0,98
0,40
0,20
0,33
0,45
0,54
0,59
0,64
0,24
0,35
0,36
0,38
0,38
TABELA 1. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku granulatu tkaninowego
„lamin” o pięciu grubościach warstwy
»
w granulatach tkaninowym „lamin” oraz tkaninowo-gumowym
występuje wyraźny wpływ grubości warstwy na pochłanianie dźwięku. Wzrost grubości warstwy powoduje wzrost średniej wartości
współczynnika pochłaniania;
» „czysty” granulat gumowy charakteryzuje się, podobnie jak granulaty z innych tworzyw naturalnych i sztucznych, wąskopasmową
charakterystyką pochłaniania dźwięku. Dlatego nie występuje wzrost
średniej wartości współczynnika pochłaniania, natomiast wraz
z grubością warstwy częstotliwość rezonansowa (w której występuje
Grubość warstwy [mm]
10
Częstotliwość f [Hz]
10
Współczynnik
pochłaniania
dźwięku
αf
Częstotliwość f [Hz]
αf
Współczynnik
pochłaniania
dźwięku
RYS. 2.
αśr.
Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku granulatu gumowego
o pięciu grubościach warstwy
TABELA 2.
największe pochłanianie dźwięku) przesuwa się od częstotliwości
wysokich do częstotliwości średnich;
Przeprowadzone badania eksperymentalne granulatów gumowych uzyskanych w wyniku recyklingu zużytych wyrobów gumowych wskazują, że oprócz oczyszczonych granulatów gumowych
można z powodzeniem wykorzystywać pochodzące z recyklingu
granulaty z domieszką włókna bawełnianego oraz samo włókno
w postaci „waty” przypominającej swoją strukturą wełnę mineralną i szklaną. Podobieństwo do materiałów już tradycyjnie
nr 11/12/2013
0,9
10
20
30
40
50
0,8
0,7
0,6
mm
mm
mm
mm
mm
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
10
0
12
5
16
0
20
0
25
0
31
5
40
0
50
0
63
0
80
0
1
1, k
25
1, k
6
k
2
k
2,
5
3, k
15
k
4
k
5
6, k
3
k
Fizyczny współczynnik pochłaniania dźwięku, αf
1
Częstotliwość, f [Hz]
Porównanie charakterystyk pochłaniania dźwięku warstwy granulatu
tkaninowo-gumowego o pięciu grubościach; rys.: archiwa autorów
RYS. 3.
αśr.
Częstotliwość f [Hz]
αf
Współczynnik
pochłaniania
dźwięku
Grubość warstwy [mm]
wykorzystywanych w zabezpieczeniach przeciwhałasowych rokuje,
że również te postaci recyklingu gumowego będą mogły być stosowane w przegrodach warstwowych jako rdzenie i wykładziny
dźwiękochłonne. Wyniki badań mogą też być przydatne dla firm
zajmujących się recyklingiem innych zużytych materiałów i wyrobów zawierających możliwe do odzyskania włókna bawełniane
i inne, które po rozdrobnieniu mogą przyjąć strukturę włóknistą
stanowiącą potencjalny materiał dźwiękochłonny. Autorzy zdają
sobie oczywiście sprawę z tego, że aby dany materiał mógł być stosowany jako wyrób dźwiękochłonny, musi przejść dalszą obróbkę
technologiczną. Niemniej jednak już we wstępnej postaci może być
wykorzystany w elementach ściennych prototypowych zabezpieczeń przeciwhałasowych jako rdzeń dźwiękochłonny zastępujący
klasyczne materiały dźwiękochłonne.
Artykuł opracowano w ramach realizacji projektu rozwojowego
nr II.B.12 (2011–2013) pt.: „Nowe rozwiązania materiałowe przegród warstwowych w projektowaniu zabezpieczeń wibroakustycznych maszyn i urządzeń”, stanowiącego jedno z zadań programu
wieloletniego „Poprawa bezpieczeństwa i warunków pracy” koordynowanego przez CIOP – PIB w Warszawie
10
20
30
40
50
100
0,07
0,08
0,05
0,08
0,12
125
0,06
0,08
0,04
0,09
0,11
160
0,09
0,08
0,06
0,12
0,16
200
0,13
0,13
0,09
0,17
0,23
250
0,10
0,10
0,11
0,17
0,27
315
0,09
0,10
0,14
0,20
0,33
400
0,12
0,12
0,19
0,30
0,50
500
0,12
0,20
0,29
0,42
0,74
630
0,18
0,23
0,45
0,57
0,82
800
0,16
0,24
0,51
0,79
0,90
1000
0,23
0,34
0,69
0,93
0,93
AbstraKt 1250
0,22
0,45
0,87
0,98
0,93
1600
0,42
0,67
0,99
0,93
0,80
2000
0,31
0,76
0,99
0,81
0,76
2500
0,67
0,97
0,93
0,80
0,87
W artykule przedstawiono wyniki badań porównawczych właściwości dźwiękochłonnych granulatu gumowego uzyskanego
w wyniku recyklingu odpadów produkcyjnych taśm transporterowych. Wnioski z badań mogą być wykorzystane zarówno
w projektowaniu zabezpieczeń akustycznych, jak i w procesie
recyklingu innych zużytych wyrobów pod kątem możliwości
uzyskania materiałów o właściwościach dźwiękochłonnych.
3150
0,83
0,99
0,83
0,84
0,95
4000
0,82
0,87
0,76
0,96
0,94
5000
0,93
0,72
0,78
0,93
0,83
6300
0,96
0,88
0,98
0,96
0,97
0,34
0,42
0,51
0,58
0,64
TABELA 3. Wartości współczynnika pochłaniania dźwięku granulatu tkaninowo­
‑gumowego o pięciu grubościach warstwy
LITERATURA
1.
J. Sikora, „Dźwiękochłonne właściwości materiałów
ziarnistych”, „IZOLACJE”, nr 9/2007, s. 26–29.
2.
J. Sikora, J. Turkiewicz, „Przegrody dwuścienne z rdzeniami
dźwiękochłonnymi z materiałów ziarnistych”, „IZOLACJE”,
nr 10/2007, s. 28–33.
3.
J. Sikora, J. Turkiewicz, „Charakterystyki pochłaniania
dźwięku materiałów ziarnistych”, „IZOLACJE”, nr 9/2010,
s. 26–30.
4.
J. Sikora, J. Turkiewicz, „Właściwości dźwiękochłonne
i zastosowanie granulatów gumowych”, „IZOLACJE”,
nr 1/2012, s. 54–58.
The article presents the results of comparative acoustic properties
of rubber granulates derived from the recycling of production
waste conveyor belts. There search conclusions can be used both
in the design of acoustic protections as well as recycling of other
waste products for obtaining materials with sound absorbing
properties.
Jan Sikora jest absolwentem Wydziału Maszyn Górniczych i Hutniczych
Jadwiga Turkiewicz jest absolwentką Wydziału Maszyn Górniczych i Hutni-
AGH w Krakowie (teraz Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki). Pracuje
w AGH od 1971 r., obecnie jako adiunkt w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki.
Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z wibroakustyką przemysłową.
Przedmiotem jego prac badawczych są nowe materiały i rozwiązania w redukcji
zagrożeń wibroakustycznych. Jest autorem i współautorem 80 publikacji, w tym
3 książek z zakresu ochrony środowiska przed hałasem, projektowania zabezpieczeń wibroakustycznych, właściwości akustycznych nowych materiałów
i przegród warstwowych stosowanych w redukcji hałasu maszyn i urządzeń.
czych AGH (teraz Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki). Pracuje w AGH
od 1979 r., obecnie jako adiunkt w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki.
Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z biernymi metodami zwalczania
hałasu. Przedmiotem jej prac badawczych są badania akustyczne materiałów
dotyczące ich własności pochłaniających dźwięk. Jest autorką i współautorką
29 publikacji dotyczących własności akustycznych materiałów mogących
mieć zastosowanie w biernej ochronie przeciwhałasowej oraz ograniczenia
zagrożenia hałasem.
nr 11/12/2013