Izolacja z odpadów skórzanych? Innowacyjny pomysł brazylijskich naukowców

Budowa energooszczędnych budynków z naciskiem na komfort cieplny staje się coraz ważniejsza, szczególnie dla gospodarstw o niskich dochodach i w ekstremalnych warunkach pogodowych. Tradycyjne materiały budowlane, takie jak cegły i beton, są mniej efektywne energetycznie, co zwiększa zapotrzebowanie na klimatyzację. Nowe, ekologiczne kompozyty, wykorzystujące odpady skórzane w matrycach polimerowych, wykazały lepsze właściwości izolacyjne i akustyczne. Kompozyty SBR wykorzystujące skóry były najefektywniejsze pod względem izolacji termicznej i miały niski współczynnik przewodzenia ciepła. Badania sugerują, że mogą one stanowić bardziej zrównoważoną i ekonomiczną alternatywę dla tradycyjnych materiałów izolacyjnych.

Zdjęcie autora: Redakcja Termomodernizacja

Redakcja Termomodernizacja

Wydawcą portalu jest GLOBEnergia Sp. z o.o.

Podziel się

  • Kompozyty z kauczuku SBR i odpadów skórzanych wykazały dobre właściwości izolacyjne i akustyczne.
  • Badania sugerują, że te innowacyjne materiały mogą być skuteczną alternatywą dla tradycyjnych izolatorów termicznych.
  • Wprowadzenie kompozytów może poprawić efektywność energetyczną i komfort mieszkańców, szczególnie w narażonych na ekstremalne warunki klimatyczne regionach.

W ostatnim czasie jeszcze bardziej wzrasta nacisk na wznoszenie budynków ze szczególnym uwzględnieniem wydajności energetycznej i komfortu cieplnego mieszkańców. Jest to szczególnie ważne dla gospodarstw o niskich dochodach, a także tych, które narażone są na ekstremalne warunki pogodowe. Tradycyjne materiały budowlane takie jak cegły i beton, mimo powszechnego użycia nie są wydajne energetycznie. Ich użycie może prowadzić do wzrostu temperatury we wnętrzu budynku, niekorzystnie wpływając na komfort mieszkańców i wzmagać potrzebę użycia klimatyzacji. 

Nowe materiały izolacyjne?

W odpowiedzi na te trudności naukowcy odkryli innowacyjne, ekologiczne kompozyty, które zachowują się jak materiały izolacyjne. Kompozyty te mają na celu złagodzenie wpływu klimatu i zmniejszenie zużycia energii elektrycznej. Do takich zastosowań preferowane są materiały wydajne termicznie, o niskiej gęstości i dobrym stosunku ceny do jakości. W procesie garbowania skór używany jest siarczan chromu III. Wykorzystanie odpadów ze skóry bydlęcej, takich jak okrawki i wióry, które go zawierają, jest jedną z obiecujących dróg rozwoju. Zintegrowanie tych materiałów odpadowych z matrycami polimerowymi przynosi pewne korzyści. Zapobiega utlenianiu jonów chromu do szkodliwych czynników rakotwórczych, a także potencjalnie poprawia właściwości termoizolacyjne kompozytów gumowych.

Badanie przeprowadzone zostało w Brazylii. Dotyczyło właściwości morfologicznych, termicznych i akustycznych ekspandowanych kompozytów SBR (kauczuk butadienowo-styrenowy) zawierających pozostałości skóry. Jest to zrównoważone podejście zgodne z polityką zero waste, a dodatkowo mogące zwiększyć efektywność energetyczną. Tym samym może sprawić, że mieszkania staną się przystępniejsze cenowo.

Do przygotowania kompozytów do badań wykorzystano SBR o zawartości styrenu 23,5% oraz lokalnie pozyskiwanie wióry skórzane. Odpady skórne zostały wstępnie zmikronizowane w celu uzyskania wielkości cząstek poniżej 50 mm. Kompozyty zostały następnie stworzone przy użyciu różnych ilości wiórów skórzanych: 0, 10, 20, 30, 40 i 50 części na sto gumy (phr - per hundred rubber), przy czym próbka 0 phr służyła jako punkt odniesienia czystej gumy.

Przeprowadzenie badań

Mieszanie tych materiałów odbywało się za pomocą otwartego mieszalnika dwuwalcowego. Właściwości związane z przepływem i deformacją (reologiczne) homogenizowanych próbek były analizowane przy stałej temperaturze 160°C, przy użyciu metod izotermicznych. Następnie materiały poddano prasowaniu na gorąco w tej samej temperaturze, aby utworzyć próbki stałe, które będą gotowe do dalszych badań.

Gęstość usieciowienia każdego kompozytu oznaczono metodą pęcznienia, która polega na zanurzeniu w toluenie na pięć dni. Morfologię strukturalną zbadano przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Wykonał on po trzy obrazy na próbkę, co w efekcie umożliwiło ocenę rozmiarów porów, powierzchni i anizotropii.

Prototypy kompozytów z gumy ekspandowanej SBR z odpadami skórzanymi.
Źródło: Sustainable construction materials for low-cost housing: Thermal insulation potential of expanded SBR composites with leather waste

Skład chemiczny w różnych punktach został zidentyfikowany za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX). Dodatkowo gęstość komórkowa kompozytów została obliczona przy użyciu teoretycznego przybliżenia Kumara. Natomiast właściwości mechaniczne i termiczne zostały dalej badane za pomocą dynamicznej analizy mechanicznej (DMA), analizy termograwimetrycznej (TGA) oraz różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Właściwości absorpcji akustycznej były mierzone w zakresie częstotliwości od 500 do 6400 Hz w temperaturze 20°C.

Na koniec, aby zademonstrować praktyczne zastosowanie tych wyników, przygotowano prototyp powłoki termicznej o wymiarach 19x19x1,55 cm. Został on zaprojektowany w oparciu o zrównoważone podejście integrujące materiały z recyklingu i niskokosztowe. Kompozyty z ekspandowanego SBR oferują znaczące właściwości izolacyjne, przyczyniając się do redukcji zużycia energii w różnych klimatach.

Wyniki badań

Wyniki przeprowadzonych badań pokazały, że włączenie mikronizowanych odpadów jako wypełniacza do pianek SBR wykazało zachęcające wyniki w różnych ocenianych właściwościach. Zaobserwowano stopniowy, ale zauważalny wpływ na wartości momentu obrotowego podczas wulkanizacji. Zarówno minimalne, jak i maksymalne wartości momentu obrotowego rosły wraz ze wzrostem zawartości skóry. Osiągały jednak wartość szczytową powyżej 30 phr dodanych odpadów skórzanych, a po przekroczeniu tego punktu wykazywały tendencję do stabilizacji. Wzrost ten można przypisać wyższej lepkości, która towarzyszy dodanej zawartości skóry. Natomiast jego zatrzymanie jest progiem, w którym dodany wypełniacz wytwarza większy opór w osnowie gumowej, wpływając na proces wulkanizacji.

Źródło: Sustainable construction materials for low-cost housing: Thermal insulation potential of expanded SBR composites with leather waste

Zmienność momentu obrotowego jest związana z tworzeniem się sieci. Pod względem gęstości usieciowienia najniższe wartości wykazywały kompozyty ze skórą w ilości od 0 do 20 phr. Zaobserwowano jednak znaczny wzrost gęstości usieciowienia w kompozytach zawierających ponad 30 phr odpadów skórzanych.

Wyniki analizy SEM

Analiza SEM ujawniła włóknisty charakter skóry, z włóknami wykazującymi maksymalną długość 1,4 mm i średnicę poniżej 0,297 mm. Dodatek skóry zmniejszył porowatość i zwiększył gęstość względną pianek kauczukowych. Wpłynęło to na ich właściwości strukturalne i użytkowe. Wyższa porowatość zazwyczaj koreluje z wyższą gęstością komórkową, ale związek ten nie był zauważalny w piankach skórzanych 20 phr. Mała liczba komórek utworzonych w tych piankach skutkowała najniższą gęstością komórkową wśród badanych próbek.

Pomimo najniższej gęstości komórek, pianki skórzane 20 phr wykazywały najlepszy rozkład porów z bardziej zróżnicowanymi rozmiarami powierzchni. Jest to korzystne dla efektywnego działania jako izolator termiczny. Alternatywnie, kompozyt z 40 phr skór wykazywał maksymalny udział porów (około 70%).

Pod względem akustycznym, pianka SBR z 50 phr skór wykazywała najlepsze pochłanianie akustyczne w zakresie 1500-3500 Hz. Z kolei kompozyt z 20 phr utrzymywał stałą wydajność w szerszym zakresie częstotliwości, od 1500 do 4500 Hz. Ta szersza skuteczność prawdopodobnie wynika z niższej gęstości komórek i większej heterogeniczności w rozkładzie porów. Te czynniki mogą pozytywnie wpływać na absorpcję dźwięku. Te wyniki podkreślają potencjał pianek SBR z odpadami skórzanymi jako skutecznych materiałów do izolacji termicznej i zastosowań akustycznych. Ponadto ich dodatkową zaletą jest pozytywny wpływ na środowisko, poprzez produktywne wykorzystanie odpadów pochodzących z innego przemysłu.

Podsumowanie

Podsumowując, produkcja pianek z kauczuku butadienowo-styrenowego (SBR) z dodatkiem mikronizowanych odpadów skórzanych jako wypełniacza przyniosła obiecujące wyniki w zakresie różnych ocenianych właściwości. Szczególnie wyróżniał się kompozyt 20 phr skór. Wykazywał najmniejszą liczbę porów, co skutkowało bardziej jednorodnym rozkładem i zwiększoną wydajnością akustyczną. Okazał się on także najbardziej efektywny pod kątem izolacji termicznej. Posiada przewodność cieplną wynoszącą 0,073 W/mK i niską przenikalnością cieplną.

Wyniki te wskazują, że kompozyt ten może stanowić realną alternatywę dla zastosowań w termoizolacji budynków. Jego właściwości okazują się lepsze od tradycyjnych materiałów takich jak sklejka i włókno szklane. Dlatego też badanie to dostarcza cennych informacji dla potencjalnych komercyjnych zastosowań w rozwoju materiałów kompozytowych łączących ekspandowany kauczuk z odpadami skórzanymi w różnych sektorach. Szczególnie wyróżniając się w dziedzinie izolacji akustycznej i termicznej. Opracowanie prototypu powłoki termicznej stanowi znaczący krok w kierunku zrównoważonej innowacji i poprawy warunków mieszkaniowych w społecznościach o niskich dochodach.

Opracowano na podstawie:
1. Eco-Friendly Thermal Insulation Made From Rubber and Leather Waste (azobuild.com),
2. Sustainable construction materials for low-cost housing: Thermal insulation potential of expanded SBR composites with leather waste - ScienceDirect

Zdjęcie autora: Redakcja Termomodernizacja

Redakcja Termomodernizacja

Wydawcą portalu jest GLOBEnergia Sp. z o.o.