PT108169B

PT108169B - Processo de fabrico de manta para absorção sonora e isolamento térmico

Info

Publication number: PT108169B
Application number: PT108169A
Authority: PT
Inventors: Luís Rebelo Da Silva Das Neves E Sousa Albano; Ivo Frazão Pedroso Marco
Original assignee: Inst Superior Técnico
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2017-02-21
Also published as: PT108169A

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE AO PROCESSO DE FABRICO DE UMA MANTA PARA ABSORÇÃO SONORA E ISOLAMENTO TÉRMICO COM APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA, EM PARTICULAR NA DA CONSTRUÇÃO, QUE INCLUI A OBTENÇÃO E INDIVIDUALIZAÇÃO DE FIBRAS CELULÓSICAS DE FOLHAS DE PINHEIRO E A TRANSFORMAÇÃO DESTAS PARA OBTENÇÃO DA REFERIDA MANTA. A MANTA É FABRICADA A PARTIR DE FIBRAS DE FOLHAS DE PINHEIRO, AGLUTINADAS COM MATERIAL TERMOPLÁSTICO, RESULTANDO ASSIM NA VALORIZAÇÃO DE UMA MATÉRIA-PRIMA AUTÓCTONE (FOLHAS DE PINHEIRO) CUJA UTILIZAÇÃO SE RESTRINGE, ATÉ À DATA, À QUEIMA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA. O PRODUTO PODERÁ SER APLICADO EM ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO, OU COMO SEU REVESTIMENTO, COM O OBJETIVO DE MELHORAR A QUALIDADE ACÚSTICA INTERIOR DOS LOCAIS DE APLICAÇÃO E ISOLÁ-LOS TERMICAMENTE.

Description

(57) Resumo:

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE AO PROCESSO DE FABRICO DE UMA ΜΑΝΤΑ PARA ABSORÇÃO SONORA E ISOLAMENTO TÉRMICO COM APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA, EM PARTICULAR NA DA CONSTRUÇÃO, QUE INCLUI A OBTENÇÃO E INDIVIDUALIZAÇÃO DE FIBRAS CELULÓSICAS DE FOLHAS DE PINHEIRO E A TRANSFORMAÇÃO DESTAS PARA OBTENÇÃO DA REFERIDA ΜΑΝΤΑ. A ΜΑΝΤΑ É FABRICADA A PARTIR DE FIBRAS DE FOLHAS DE PINHEIRO, AGLUTINADAS COM MATERIAL TERMOPLÁSTICO, RESULTANDO ASSIM NA VALORIZAÇÃO DE UMA MATÉRIA-PRIMA AUTÓCTONE (FOLHAS DE PINHEIRO) CUJA UTILIZAÇÃO SE RESTRINGE, ATÉ À DATA, À QUEIMA PARA PRODUÇÃO DE ENERGIA. O PRODUTO PODERÁ SER APLICADO EM ELEMENTOS DE CONSTRUÇÃO, OU COMO SEU REVESTIMENTO, COM O OBJETIVO DE MELHORAR A QUALIDADE ACÚSTICA INTERIOR DOS LOCAIS DE APLICAÇÃO E ISOLÁ-LOS TERMICAMENTE.

RESUMO

PROCESSO DE FABRICO DE ΜΑΝΤΑ PARA ABSORÇÃO SONORA E ISOLAMENTO TÉRMICO

A presente invenção refere-se ao processo de fabrico de uma manta para absorção sonora e isolamento térmico com aplicação na indústria, em particular na da construção, que inclui a obtenção e individualização de fibras celulósicas de folhas de pinheiro e a transformação destas para obtenção da referida manta. A manta é fabricada a partir de fibras de folhas de pinheiro, aglutinadas com material termoplástico, resultando assim na valorização de uma matéria-prima autóctone (folhas de pinheiro) cuja utilização se restringe, até à data, à queima para produção de energia.

produto poderá ser aplicado em elementos de construção, ou como seu revestimento, com o objetivo de melhorar a qualidade acústica interior dos locais de aplicação e isolá-los termicamente.

DESCRIÇÃO

PROCESSO DE FABRICO DE ΜΑΝΤΑ PARA ABSORÇÃO SONORA E ISOLAMENTO TÉRMICO

Campo da invenção

Campo técnico em que a invenção se insere

A presente invenção refere-se ao processo de fabrico de uma manta para absorção sonora e isolamento térmico para aplicação na indústria, em particular na indústria da construção, o qual inclui a obtenção e individualização das fibras e a transformação destas para obtenção da referida manta. A manta é fabricada a partir de fibras de folhas de pinheiro aglutinadas com material termoplástico, resultando assim na utilização de uma matéria-prima autóctone (folhas de pinheiro) cuja utilização se restringe, até à data, à queima para produção de energia.

Estado da técnica desenvolvimento de um método para obtenção de fibras celulósicas de folhas de pinheiro baseou-se, originalmente, nos métodos patenteados (US397240 [1] e US409608 [2]) em

1889 por Latimer. 0 principal objetivo dessas patentes era o estabelecimento de processos que permitissem a obtenção de fibras de folhas de pinheiro para o posterior aproveitamento no fabrico de têxteis grosseiros, tais como sacas de transporte de produtos. De acordo com Latimer [1,2], os métodos existentes até então conduziam à deterioração e apodrecimento das fibras obtidas, o que justificava a criação de um novo método, baseado na fervura das folhas em solução alcalina com várias etapas de arrefecimento, o qual, segundo o autor, apresentava uma eficácia elevada.

Howard [3] realizou também um estudo aplicado diretamente a agulhas de pinheiro, neste caso particularizado ao tipo Pinus ElliottiÍ Engelm, no qual comparou diversos métodos de tratamento das agulhas (sem individualização das suas fibras) para posterior utilização em painéis de aglomerado de madeira com aplicação na indústria da construção e mobiliário, concluindo que os estudos futuros para aproveitamento das agulhas deveriam ser orientados para os tratamentos químicos das mesmas. A melhoria das características de desempenho obtidas por Howard [3] em diversos testes, entre os quais o da resistência à tração, foi conseguida através de um tratamento de alcalinização inicial utilizando NaOH (hidróxido de sódio) a 10%, sem que tivessem sido apresentadas quaisquer justificações técnicocientíficas para esta concentração. Howard [3] testou também o método mecânico e o da imersão em ΟβΗβ (benzeno), os quais conduziram, no entanto, a desempenhos inferiores.

Piao et al. [4] identificaram a necessidade de remover a camada cerosa superficial das folhas de pinheiro para melhorar, assim, a capacidade de ligação das agulhas, tendo desenvolvido um método de duplo cozimento das agulhas de pinheiro em períodos de 15 minutos, seguido da trituração das agulhas e secagem para aplicação em material compósito. Sem procederem a uma efetiva individualização das fibras, estes autores obtiveram um material compósito com potencial de aplicação na indústria, principalmente na indústria automóvel, como constituinte de peças.

Thakur et al. [5], também com o objetivo de reforço de materiais compósitos para aplicação na indústria automóvel, testaram um tratamento simplificado que consistia numa lavagem exaustiva das agulhas de pinheiro com água destilada, posterior secagem a 70°C em forno corrente durante 12 horas e, depois, em forno de vácuo a 63°C durante 3 horas. Tal como sugerido por Piao et al. [4], após o processo de secagem, as agulhas eram trituradas e aplicadas no material compósito.

A síntese anterior do estado da técnica mostra que não se encontravam definidos processos ou métodos para obtenção e individualização efetiva das fibras das folhas de pinheiro, com qualidade e dimensões de fibra suficientes para conferirem ao produto final as características desejadas de isolamento térmico e, especialmente, de absorção sonora. De facto, nenhum dos produtos considerados nas patentes e artigos científicos referidos apresenta a configuração de uma manta de origem orgânica para absorção sonora e isolamento térmico. Todas as indicações encontradas estão ligadas a aplicações industriais distintas da presente invenção, estando na sua maioria ligadas à indústria têxtil ou automóvel, bem como à indústria da construção, no caso do fabrico de painéis rígidos de aglomerados de madeira. Note-se ainda que as patentes e artigos científicos referidos, além de proporem métodos de tratamento dirigidos a campos de aplicação muito diversos, não explicitam suficientemente as opções tomadas em termos de tempos de exposição ao calor ou a compostos químicos, nível de temperaturas, ou concentrações dos compostos, pelo que são de utilidade muito limitada e reprodutibilidade reduzida.

A análise do estado da técnica permitiu assim identificar a insuficiência de métodos de aproveitamento, obtenção e individualização de fibras celulósicas com origem em folhas de pinheiro, bem como de métodos para a sua posterior transformação em mantas de absorção sonora e isolamento térmico, o que motivou a realização do conjunto de trabalhos conducentes ao presente pedido de patente, no qual se apresenta um processo de obtenção e individualização de fibras celulósicas de folhas de pinheiro, visando a sua posterior utilização e consequente valorização, nomeadamente através da sua transformação em manta de absorção sonora e isolamento térmico.

Sumário da invenção

Não sendo recolhidas, as folhas de pinheiro constituem uma fonte de material combustível que contribui para a deflagração e propagação de fogos florestais. Atualmente, estas folhas têm aplicação restringida à produção de húmus ou à geração de energia por queima controlada de biomassa florestal. Este é, assim, um material que não participa atualmente na cadeia de transformação e que, como tal, não é valorizado.

A presente invenção refere-se ao processo de fabrico de uma manta para absorção sonora e isolamento térmico com aplicação na indústria, em particular na da construção.

A presente invenção agrega métodos mecânicos e químicos devidamente adaptados para obtenção e individualização das fibras celulósicas com origem em folhas de pinheiro, bem como para a sua posterior transformação em manta de absorção sonora e isolamento térmico utilizando um material aglutinador termoplástico, introduz valor acrescentado a uma matéria-prima autóctone, que existe em abundância não apenas no território nacional mas também noutros países e que não está, atualmente, a ser devidamente potenciada. Esta invenção permite também ganhos ambientais pela diminuição da energia incorporada no produto, bem como pela diminuição de produção de CO2 (dióxido de carbono).

Descrição detalhada da invenção

A presente invenção refere-se ao processo de fabrico de uma manta para absorção sonora e isolamento térmico com aplicação na indústria, em particular na da construção. A presente invenção agrega métodos mecânicos e químicos devidamente adaptados para obtenção e individualização das fibras celulósicas com origem em folhas de pinheiro, bem como para a sua posterior transformação em manta de absorção sonora e isolamento térmico utilizando um material aglutinador termoplástico, introduz valor acrescentado a uma matériaprima autóctone, que não só não exige cultura dedicada como está largamente disponível no território nacional. 0 valor acrescentado decorre das novas aplicações possíveis, mantendo-se a possibilidade, no final da sua vida útil, da queima para obtenção de energia.

Uma vez que, com base nos diversos testes realizados, a aplicação do método de Latimer [1,2] não permitiu a obtenção de fibras com qualidade suficiente para posterior fabrico de uma manta de absorção sonora e isolamento térmico, revelandose o método patenteado particularmente ineficaz na obtenção e individualização dessas fibras, houve a necessidade de desenvolver um novo processo para esse efeito.

A manta de fibras celulósicas de folhas de pinheiro para absorção sonora e isolamento térmico é constituída por fibras celulósicas com origem em folhas de pinheiro aglutinadas com material termoplástico.

processo que se pretende proteger contém dois estágios: um primeiro estágio de obtenção e individualização das fibras celulósicas de folhas de pinheiro, incluindo extração, fortalecimento e limpeza finais e um segundo estágio de transformação destas para obtenção da referida manta.

primeiro estágio, de obtenção e individualização das fibras celulósicas de folhas de pinheiro, inclui as etapas que se descrevem de seguida, em que as especificações de tempo, temperatura e concentrações indicadas são as que conduziram aos melhores resultados nos testes realizados para elaboração de protótipos: lavagem inicial das folhas com água à temperatura ambiente (15 a 25°C); introdução das folhas, após secagem, em solução aquosa de NaOH, com concentrações compreendidas entre 1 e 20% (m/m), a 100°C, numa razão variável entre 1:5 e 1:500 gramas de folhas de pinheiro por mililitro de solução, por um periodo compreendido entre 5 e 120 minutos; arrefecimento da solução até à temperatura ambiente (15 a 25°C), durante um período compreendido entre 1 e 24 horas; esmagamento mecânico das folhas para aumento da superfície de contacto entre o material orgânico e a solução química, facilitando a limpeza das fibras; lavagem com água à temperatura ambiente (15 a 25°C) das fibras celulósicas de folhas de pinheiro; banho em solução aquosa de NaOH, com concentração entre 1 e 25% (m/m), à temperatura ambiente, numa razão compreendida entre 1:5 e 1:500 gramas de folhas de pinheiro por cada mililitro de solução, por um período de 1 a 24 horas; remoção do licor resultante e neutralização do pH das fibras; secagem e armazenamento para utilização posterior.

As etapas acima descritas permitiram não apenas a otimização dos custos associados aos tratamentos, como ainda a diminuição do tempo de tratamento, bem como o aumento da qualidade da fibra celulósica obtida.

O estágio de preparação da manta de fibras celulósicas de folhas de pinheiro, com fibras obtidas de acordo com as etapas descritas anteriormente, compreende as seguintes etapas, em que as especificações de tempo e temperatura indicadas são as que conduziram a melhores resultados nos testes realizados para obtenção de protótipos: mistura e homogeneização das fibras celulósicas com material aglutinador termoplástico, com distribuição variável entre 75 a 99% de fibras de folhas de pinheiro e 25 a 1% de material termoplástico, em peso, e em função das exigências de resistência estrutural, forma, densidade e das características do material termoplástico utilizado, devendo o material termoplástico apresentar baixa temperatura de fusão (menor que 220°C), para manter a qualidade das fibras celulósicas obtidas; aquecimento em forno entre os 100 e os 220°C por um período compreendido entre 1 e 20 minutos.

A manta de fibras de folhas de pinheiro para absorção sonora e isolamento térmico, produzida de acordo com o processo anteriormente descrito é constituída por fibras celulósicas com origem nas folhas de pinheiro e material aglutinador termoplástico e compreende espessuras entre os 10 e os 300 milímetros e densidades entre os 5 e os 200 quilogramas por metro cúbico. Cabe salientar que a manta obtida apresenta indicadores de desempenho que permitem classificar o produto como um material de absorção sonora e isolamento térmico, tal como se demonstra de seguida.

Através de ensaios aos protótipos obtidos artesanalmente, foi possível determinar as seguintes características de desempenho térmico e acústico:

• Condutibilidade térmica: Aio°c=O,O49 W.m^_1.°K¹;

• Absorção sonora: asoo hz=0,11, aiooo hz=0,23 e

OI2000 hz=0,44, com um coeficiente de redução sonora (NRC) de 0,25, de acordo com a norma EN105342:2001[6] .

Estes valores obtidos são próximos aos de outros produtos de fibras naturais existentes no mercado, com origem internacional, sendo disso exemplo a manta de fibras de coco (Aio°c=O,O43 W.m^_1.^oK“¹ e NRC=0,55) ou a manta de lã de ovelha (Aio°c=O,O44 W.m“¹.°K“¹ e NRC=0,55), sendo, no entanto, possível obter características melhoradas no âmbito da adaptação à produção industrial.

Reforça-se assim o interesse na aplicação deste processo de fabrico de manta de fibras celulósicas de folhas de pinheiro, a qual permite desempenhos semelhantes a outras opções existentes no mercado, com claros ganhos económicos, sociais e ambientais, nomeadamente pela redução da energia incorporada no produto final e da quantidade de CO2 produzido no fabrico, bem como pela redução dos custos de fabrico, também potenciados pela redução dos custos de transporte.

A manta de fibras celulósicas de folhas de pinheiro, produzida de acordo com o processo anteriormente descrito, tem aplicação como material isolante térmico e de absorção sonora, com utilização potencial na indústria da construção ou outras.

Exemplos

A manta de fibras de folhas de pinheiro para absorção sonora e isolamento térmico desenvolvida poderá ser produzida, por exemplo, da seguinte forma:

• Após a recolha das agulhas na floresta, estas são lavadas com água corrente a 21°C, sendo de seguida secas a 60°C por 24 horas. Seguidamente, as folhas são introduzidas em solução aquosa de NaOH, a 100°C, por 30 minutos com uma concentração de 4% (m/m) e um rácio agulhas:solução de 1:25 g/ml. As folhas permanecem na solução durante 12 horas, com um arrefecimento lento até aos 21°C. Findo esse periodo, as folhas são removidas da solução e neutralizadas com CH3COOH (ácido acético) a 1% (v/v), sendo então efetuada nova lavagem das agulhas com água corrente a 21°C. Procede-se então ao esmagamento mecânico das folhas de pinheiro e a nova lavagem com água corrente a 60°C, seguindo-se nova introdução em solução de NaOH a 21°C com concentração de 6% (m/m) e um rácio agulhas: solução de 1:20 g/ml.

Após 24 horas, é efetuada a remoção do licor e a sua neutralização por CH3COOH a 1% (v/v) , com posterior lavagem das fibras celulósicas com água corrente a 21°C e remoção das fibras celulósicas resultantes e sua secagem em estufa a 60°C por 24 horas.

• Após a obtenção das fibras individualizadas há lugar à sua pesagem, de modo a garantir que o produto resultante contém, em peso, 80% de fibras naturais e 20% de fibras sintéticas termoplásticas de polietileno de baixa densidade. Dá-se a sua mistura e homogeneização, seguida da colocação em forma, posterior prensagem e aquecimento em forno a 165°C durante 10 minutos. Após esse período, é efetuada a remoção do forno e posterior desenformagem, obtendo-se a manta de fibras celulósicas de folhas de pinheiro.

Referências bibliográficas [1] W. Latimer, Process of making fiber from pine needles US397240, US397240, 1889.

[2] W. Latimer, Pine fiber US409608, US409608, 1889.

[3] E. T. Howard, Needleboards - an exploratory study, FPJ Tech, note, no. setembro 1973, pp. 4-5, 1973.

[4] C. Piao, T. F. Shupe, C. Y. Hse, and J. Tang, Biocomposites made from Pine straw, in 7th Pacific Rim Bio-based Composites Symposium, 2004, pp. 288-296.

[5] V. K. Thakur and A. S. Singha, Natural fibres-based polymers: Part I—Mechanical analysis of Pine needles reinforced biocomposites, Buli. Mater. Sei., vol. 33, no. 3, pp. 257-264, outubro 2010.

[6] CEN, Acoustics - Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedances tubes - Part 2: Transfer-function method (ISO 10534-2:2001). 2001.

Lisboa, 06 de janeiro de 2017.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de fabrico de manta de fibras celulósicas de folhas de pinheiro aglutinadas com material termoplástico para absorção sonora e isolamento térmico, caracterizado por compreender:

a) um primeiro estágio de obtenção e individualização das fibras celulósicas de folhas de pinheiro, que compreende as seguintes etapas:

i. lavagem inicial das folhas com água à temperatura ambiente, entre 15 e 25°C;

ii. introdução das folhas, após secagem, em solução aquosa de NaOH, com concentrações compreendidas entre 1 e 20% (m/m), a 100°C, numa razão compreendida entre 1:5 e 1:500 gramas de folhas de pinheiro por mililitro de solução, por um período compreendido entre 5 e 120 minutos;

iii. arrefecimento da solução até à temperatura ambiente, entre 15 e 25°C, durante um período compreendido entre 1 e 24 horas;

iv. esmagamento mecânico das folhas;

v. lavagem com água à temperatura ambiente, entre

15 e 25°C, das fibras celulósicas de folhas de pinheiro;

vi. banho em solução aquosa de NaOH, com concentração entre 1 e 25% (m/m), à temperatura ambiente, entre 15 e 25°C, numa razão compreendida entre 1:5 e 1:500 gramas de folhas de pinheiro por cada mililitro de solução, por um período de 1 a 24 horas;

vii. remoção do licor resultante e neutralização do pH das fibras;

viii. secagem e armazenamento das fibras; e

b) um segundo estágio de transformação das fibras celulósicas de folhas de pinheiro para obtenção de uma manta, que compreende as seguintes etapas: i. mistura e homogeneização das fibras celulósicas com material aglutinador termoplástico, com distribuição compreendida entre 75 a 99% de fibras de folhas de pinheiro e 25 a 1% de material termoplástico, em peso, com temperatura de fusão menor do que 220°C;

ii. aquecimento em forno entre os 100 e os 220°C por um periodo compreendido entre 1 e 20 minutos.