Desenvolvimento de não-tecidos tridimensionais para isolamento acústico

• Author(s): Soutinho, Hélder Filipe Cunha
• Date: 2014
• Persistent ID: https://hdl.handle.net/1822/42664
• Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
• Subject(s): Engenharia e Tecnologia::Engenharia dos Materiais
• Document Type: Doctoral thesis
• Language: Portuguese
• Advisor(s): Fangueiro, Raúl
• Contributor(s): Universidade do Minho

Description

Tese de doutoramento em Engenharia Têxtil

A maior parte da nossa vida é passada dentro de edifícios e a escolha das melhores opções ao nível dos materiais a utilizar na sua construção, de forma a garantir um ambiente agradável e saudável no seu interior, apresenta-se como um fator de grande importância. Estudos recentes demonstram que uma das principais qualidades avaliadas, é o nível do conforto acústico. A tecnologia de produção de não-tecidos, apresenta, principalmente devida à grande capacidade produtiva, custos produtivos bastante baixos. As estruturas resultantes, apresentam fibras orientadas em diferentes direções, incluindo na direção da espessura, e uma elevada porosidade, resultante da interligação entre as diferentes fibras durante o processo produtivo. Desta forma, os não-tecidos apresentam-se como um tipo de estrutura fibrosa, que pode permitir a absorção de som, nos poros existentes. Perspetiva-se deste modo, que a orientação das fibras, apresenta um papel preponderante no isolamento acústico. Neste sentido, os não-tecidos tridimensionais apresentam-se como excelente oportunidade para o desenvolvimento de novos produtos à base de fibras, para isolamento acústico. Nos últimos anos, têm surgido novas tecnologias de produção de não-tecidos 3D à escala laboratorial, tais como NAPCO®, Struto®, Kunit®, Multiknit®, Wavemaker®, etc. As estruturas nelas produzidos apresentam contudo algumas limitações em termos de aplicabilidade, devido às suas propriedades como a baixa resiliência, às limitações em termos de espessura, e ao facto de as tecnologias que as produzem apresentarem baixa cadência de produção. O objetivo principal do presente trabalho de investigação, é o desenvolvimento de estruturas tridimensionais a partir da tecnologia de produção de não-tecidos, para aplicação como produtos, para isolamento acústico. Assim, pretende-se desenvolver técnicas que permitam produzir nãotecidos 3D que obviem os problemas apontados às estruturas produzidas pelas técnicas actuais, e ao mesmo tempo, otimizá-los para isolamento acústico. Este trabalho inicia-se com a identificação e análise dos materiais existentes no mercado, utilizados no isolamento acústico de edifícios, ao nível das suas propriedades. Posteriormente, foi realizado o desenvolvimento de não-tecidos agulhados tridimensionais, utilizando diferentes técnicas de produção. Seguidamente, é realizada a avaliação das características e propriedades funcionais e não-funcionais dos não-tecidos agulhados tridimensionais e, finalmente, a produção e avaliação do desempenho de não-tecidos agulhados tridimensionais para isolamento acústico. Desenvolveram-se diferentes técnicas para a produção de não-tecidos tridimensionais, por consolidação mecânica (agulhados). Estas técnicas envolvem, principalmente o controlo dos parâmetros de produção na fase final de produção de não-tecidos, mais precisamente na agulhadeira (Fase de consolidação). Assim, a produção de não-tecidos 3D pode envolver diferentes técnicas. Com a técnica de configuração da placa de agulhas, diferentes posicionamentos das agulhas na mesma placa são utilizados, no sentido de permitir a produção de estruturas de não-tecido tridimensionais. Esta técnica providencia a ligação das fibras na direcção da tiragem, apenas nas áreas requeridas, de acordo com a configuração seleccionada das agulhas na placa de agulhas. Esta configuração é baseada na posição das agulhas, sendo que em determinadas partes da placa de agulhas não são colocadas agulhas. As áreas sem agulhas da placa de agulhas, conduzem à obtenção de áreas sem ligação entre as duas camadas de não-tecido, ou à criação de espaços vazios na estrutura final. Para isolamento acústico, a estrutura em não-tecido agulhado tridimensional, com formas superficiais, apresenta melhor desempenho do que um não-tecido convencional (sem formas), com propriedades estruturais e de composição semelhantes, para toda a gama de frequências. O valor mais alto de absorção acústica para a estrutura tridimensional é obtido aos 800 Hz, com um coeficiente de absorção de 0,87. O não-tecido plano obtém o valor mais elevado aos 4.000 Hz, correspondendo a um coeficiente de absorção de 0,61. Em termos de desempenho, verifica-se que é superior em 100% aos 1.000 Hz, cerca de 55% aos 1.500 Hz e aos 100 Hz, cerca de 30% aos 2.500 Hz e mais de 20% dos 3.000 aos 5.000 Hz. Considerando os resultados obtidos, e as características dos não-tecidos, é possível concluir que a disposição das fibras na estrutura de não-tecido agulhado tridimensional (3D), com formas superficiais irregulares influência positivamente o desempenho acústico. Os resultados, da avaliação do desempenho realizada, mostram que a inovadora estrutura tridimensional desenvolvida apresenta um isolamento a sons aéreos bastante superior, assim como uma maior absorção acústica em todas as gamas de frequência, quando comparada com produtos convencionais, utilizando uma espessura elevada.

Most of our life is spent inside buildings and the choice of the best options, in terms of the materials used in their construction, to ensure a pleasant and healthy inner environment, is a factor with great importance. Recent studies show that one of the main qualities evaluated is the level of acoustic comfort. The technology used to produce nonwoven fabrics, presents, mainly due to the large production capacity, very low production costs. The resulting fibrous structures present fibers oriented in different directions, including the thickness direction, and high porosity as a result of the entanglement among the fibers during the manufacturing process. In this way, nonwovens present intersting acoustic performance due to the sound absorption in existing pores. In this perspective, the orientation of the fibers plays a major role in the acoustic insulation. In this regard, three dimensional nonwovens with fibers oriented in the third dimension arise as an excellent opportunity for the development of innovative products based on fibers for acoustic insulation. The developments occurred in the production of 3D nonwovens over the last years have resulted in fibrous structures with structural limitations, such as lack of rigidity. The conventional process used is based in transforming flat structures in three-dimensional structures through very costly processes, which produce final structures with irregularities. In recent years, new technologies have emerged to produce 3D nonwovens at a lab scale, such as NAPCO®, Struto®, Kuniteru®, Multiknit®, Wavemaker®, among others. However, the resulting fibrous structures present some limitations in terms of applicability due to their low properties such as resilience, limited thickness, and due to the low production rate of the technologies. The main objective of this research work is the development of three-dimensional fibrous structures based on the nonwovens technology for application in acoustic insulation and absortion. Thus, it is intended to develop innovative techniques allowing the production of 3D nonwoven for acoustic purposes that may overcome the problems appointed to the atual techniques and structures,. This work starts with a comparative analysis of the materials existing in the market used for sound insulation in buildings, in terms of their performance. The development of three dimensional needle-punched nonwovens using innovative production techniques developed within this research work, was then undertaken. Subsequently, the threedimensional needle-punched nonwoven characteristics, both functional and non-functional properties, were evaluated. Finally, different prototypes were optimized in terms of their performance when used for acoustic purposes. Different techniques have been developed for the production of three-dimensional needlepunched nonwovens. These techniques mainly involve the control of the production parameters at the final production stage - needling loom (consolidation task). Within the Needle Board Configuration technique, different positions of the needles in the same needle board are used to allow the production of three-dimensional nonwoven structures. This technique provides connection of the fibers in the production direction, just in the required areas, according to the configuration of the selected needles in the needle board. This configuration is based on the position of the needles, and in certain parts of the needle board, needles are not placed. The areas of the board without needles, lead to obtain areas with no connection between the two layers of nonwoven fabric or the creation of voids in the final structure. The results obtained within this research work shows that the three-dimensional needled nonwovens developed show superior performance than those of conventional nonwoven fabric (without superficial shapes) for all the frequency range. The highest value of sound absorption for the three-dimensional structure is obtained at 800 Hz with an absorption coefficient of 0.87. Conventional nonwoven fabrics obtained the highest value at 4000 Hz, corresponding to an absorption coefficient of 0.61. In terms of performance, the three dimensional nonwovens developed shows better performance of 100% at 1000 Hz, about 55% at 1500 Hz and 100 Hz to about 2500 Hz at 30% and 20% of 3000 to 5000, when compared to conventional planar nonwovens used for the same purpose. Considering the results obtained and the properties of the nonwoven fibrous structures, one can conclude that the arrangement of the fibers in the 3D innovative needle-punched nonwoven - irregular surface shapes, influences positively the acoustic performance. The results of the performance evaluation carried out show that the novel three-dimensional structure developed presents a considerably higher airborne sound insulation, as well as a higher sound absorption in all frequency ranges compared to conventional products using a higher thickness.