AKUSTIČKA SVOJSTVA KOMPOZITA NA BAZI KONOPLJE

Slavenka Lukić, Tehnološko-metalurški fakultet u Beogradu Milan Vojnović, Institut bezbednosti u Beogradu

Aleksandra Milutinović-Nikolić, Institut za hemiju, tehnologiju i metalurgiju u Beogradu

Sadržaj – U ovom radu analizirane su mogućnosti korišćenja kompozita na bazi konoplje u svojstvu materijala za apsorpciju zvuka. Za potrebe analize, izrađeni su kompoziti iste mase po jedinici površine sa različitim udelom polipropilena. Akustička svojstva dobijenih materijala verifikovana su merenjem koeficijenta apsorpcije prema standardu ASTM C 384. Rezultati merenja pokazuju da se kompoziti na bazi konoplje mogu koristiti kao apsorpcioni materijali.

1. UVOD

Konoplja (Cannabis sativa) je kultivisana pre oko 6000-10000 godina i tokom vekova korišćena je za zadovoljavanje različitih ljudskih potreba. Svoje mesto među industrijskim biljkama izborila je zahvaljujući svojoj rasprostranjenosti i lakom uzgajanju kao i velikoj jačini vlakana. Upravo zbog kombinacije čvrstoće i komfora, tkanine od konoplje su često korišćene. Tako na primer, prve farmerke Levi Strauss izrađene su od konoplje [1].

Do drugog svetskog rata najveći proizvođači konoplje bili su Kina, bivši Sovjetski Savez i zemlje istočne Evrope, a među njima je Kraljevina Jugoslavija imala značajno mesto. Šezdesetih godina dvadesetog veka tekstilna industrija je postepeno prestala da koristi vlakna konoplje, dok je papirna industrija počela da primenjuje konoplju kao sirovinu za izradu specijalnih vrsta papira i netkanog tekstila [2]. Konoplja je pogodna za izradu papira koji imaju visoku otpornost na trenje i jačinu u mokrom stanju. Zahvaljujući tome što se tehnička vlakna konoplje mogu beliti i razvlakniti, pri čemu se dobijaju vlakna željene finoće i dužine, primena konoplje je proširena na specijalizovane i kvalitetne papire kao što su cigaret, filter, zaštitni, vrednosni, slikarski papir i sl. [3].

Poslednjih godina konoplja je postala ponovo značajan izvor vlakana kako za tekstilnu tako i za mnoge druge industrijske grane. Popularnost konoplje kao tekstilnog vlakna javlja se kao odgovor na sve veće zahteve za korišćenjem materijala i tehnologija koje su "prijateljske prema životnoj sredini" [4].

Za proizvodnju netkanog tekstilnog materijala sve više se koriste prirodna vlakna, a među njima i konoplja. Pošto su vlakna konoplje jeftina, obnoviva i biorazgradiva predviđa se njihova značajna primena u 21-om veku za iglane industrijske proizvode i kao zamena za staklena vlakna za ojačavanje polimernih kompozita.

Posle tradicionalnih oblasti primene konoplje, kompoziti na bazi polimera i konoplje, koji se koriste u automobilskoj industriji predstavljaju najvažniji proizvod na bazi konoplje u Evropskoj Uniji. Ojačavanje polimera vlaknima konoplje i njihovo oblikovanje u kalupima prvobitno je razvijeno u

Evropi. Pravu ekspanziju ovi kompoziti doživeli su kao automobilski delovi u Severnoj Americi. Proizvođači automobila u Severnoj Americi odlučili su se za ove materijale iz više razloga. Oni imaju: nisku cenu, veliku zateznu čvrstoću i izuzetno su pogodni za izradu iglanih netkanih tekstilnih proizvoda. Mogu efikasno da zamene staklena vlakna u kompozitima. Masa finalnog proizvoda je smanjena. Proces izrade je jednostavan, moguće je recikliranje ovih proizvoda, a proizvodi imaju dobra mehanička i akustičko apsorbujuća svojstva kao i čitav niz drugih pogodnosti [5].

Kompoziti na bazi prirodnih vlakana koji se koriste u automobilskoj industriji proizvode se najčešće postupkom presovanja u kalupu, a manje injekcionim postupkom. Postoje dva tipa polimera (termoplastični i termoumrežavajući) koji se koriste pri dobijanju kompozita presovanjem u kalupu. Pri korišćenju termoplastičnih vlakana prirodna vlakna se mešaju sa vlaknima polipropilena (PP) i zatim presuju na toplo u odgovarajuće oblike. Pri tome se vlakna PP tope i omogućavaju povezivanje prirodnih vlakana.

Kada se koriste termoumrežavajuća vlakna prirodna vlakna se potapaju u veziva kao što su epoksidne smole ili poliuretan. Ove smeše se smeštaju u željene kalupe unutar kojih se odvija očvršćavanje polimerizacijom.

Vlakna konoplje su se pokazala superiornim pri proizvodnji presovanih kompozita. Evropski proizvođači automobila koriste prirodna vlakna za ojačanje kompozita ugrađenih u unutrašnjost putničkog dela automobila. Tokom 1999 preko 20⋅106 kg prirodnih vlakana korišćeno je za kompozite u automobilskoj industriji od čega 2⋅106 kg vlakana konoplje. Utvrđeno je da 5–10 kg prirodnih vlakana može biti ugrađeno u prosečan automobil u obliku kompozita, pri čemu nisu uračunata vlakna koja su prisutna u dekorativnim tkaninama za presvlačenje sedišta. Očekuje se da će potrebe za primenom konoplje u automobilskoj industriji značajno rasti, srazmerno razvoju novih tehnologija [6]. Na slici 1 prikazan je automobil Mercedes-Benz C-klase sa više od 30 delova izrađenih od prirodnih vlakana uključujući i konoplju.

Primenom kompozita na bazi konoplje u automobilskoj industriji moguće je smanjiti buku u automobilima, jer ovi materijali imaju sposobnost apsorpcije zvuka.

Sposobnost netkanih materijala da apsorbuju zvuk ili neželjenu buku u putničkoj kabini vozila zasnovana je na disipaciji energije zvučnog talasa pri prolasku kroz materijal usled redirekcije od strane vlakana kao i konverziji akustičke energije u toplotnu [7, 8].

Korišćenjem materijala koji apsorbuju zvuk ugrađenim na različitim mestima u automobilu moguće je smanjiti buku u

Zbornik radova XLVIII Konf za ETRAN, Čačak, 6-10 juna 2004, tom II Proc. XLVIII ETRAN Conference, Čačak, June 6-10, 2004, Vol. II

367

kabini automobila [9]. U ovom radu nekoliko varijanti kompozita na bazi konoplje ispitano je da bi se utvrdila njihova apsorpciona sposobnost.

Sl. 1. Automobil Mercedes-Benz C-klase sa više od 30 delova

izrađenih od prirodnih vlakana uključujući i konoplju

Apsorpcioni materijal se koristi da bi se povećala akustička izolacija između dva dela (dva prostora) automobila: motor - kabina; sistem izduvnih gasova - kabina; sistem transmisije - kabina itd. Primarna je zaštita kabinskog prostora automobila jer se prevashodno štite vozač i putnici. Drugi prioritet je zaštita okoline (životne sredine) od automobilske buke.

Cilj ovog rada bila je izrada kompozitnih materijala koji omogućavaju smanjenje buke u automobilima. U radu je ispitana sposobnost apsorpcije zvuka kompozita izrađenih od konoplje sa različitim sadržajem polipropilena.

2. IZRADA KOMPOZITA

Vijana konoplja iz Bačkog Brestovca, Srbija, prethodno je hemijski razvlaknjena alkalnim postupkom. Na taj način dobijena su veoma fina vlakna koja su korišćena pri izradi kompozita. Drugi konstituent kompozita bio je netkani tekstilni materijal dobijen po postupku hemijskog ispredanja sačinjen od polipropilena (mA = 16 g/m2). Kompozit je formiran naizmeničnim slaganjem slojeva konoplje i PP, kao što je shematski prikazano na slici 2.

Sl. 2. Shematski prikaz kompozita

Masa po jedinici površine i debljina kompozita izabrane

su u skladu sa sličnim materijalima koji se koriste u automobilskoj industriji [7, 8]. Određivanje mase po jedinici površine (mA) vršeno je u skladu sa JUS F.S2.016 –

merenjem mase 10 epruveta dimenzija 100 × 100 mm [11], dok je debljina uzoraka određena u skladu sa JUS F.S2.021 [12].

Količina PP u kompozitu kretala se u opsegu od 10 do 40% ukupne mase. Za izradu kompozita korišćena je industrijska presa koja se koristi u konfekciji. Uslovi presovanja su bili isti za sve uzorke: temperatura 160°C, vreme 1 min i pritisak 45kPa. U tabeli 1 data su osnovna fizička svojstva kompozita.

Tabela 1. Fizička svojstva kompozita

Redni broj uzorka

Sadržaj PP u kompozitu

[mas%] mA

[g/m2] Debljina

kompozita [mm]

1 10 662 4,48 2 20 667 3,58 3 30 664 2,84 4 40 678 2,49

3. MERENJE KOEFICIJENTA APSORPCIJE

Akustička svojstva izrađenih kompozita procenjena su merenjem koeficijenta apsorpcije prema standardu ASTM C 384-03 [13]. Standard ASTM C 384-03 definiše jednu od metoda za merenje koeficijenta apsorpcije kod koje se koristi Kundt-ova cev. Raspored merne opreme za merenje koeficijenta apsorpcije standardom ASTM C 384-03 prikazan je na slici 3.

Generatorom zvuka tip 1012 i zvučnikom u cevi se generiše ravan talas frekvencije 125, 250, 500, 1000, 2000 ili 4000 Hz. Cev je zatvorena materijalom čiji se koeficijent apsorpcije meri. Koeficijent apsorpcije (α0) može se odrediti merenjem odnosa maksimuma i minimuma generisanog stojećeg talasa u cevi. U tu svrhu služi pokretni mikrofon. Ako se sa N označi odnos maksimuma i minimuma stojećeg talasa, koeficijent apsorpcije je dat relacijom:

( )

α0 2

41

=+

NN

(1)

Indeks nula za koeficijent apsorpcije u gornjoj relaciji označava da se radi o koeficijentu apsorpcije pri normalnoj incidenciji zvučnog talasa.

Sl. 3. Raspored merne opreme za merenje koeficijenta apsorpcije prema standardu ASTM C 384-03

Konstituenti :

NTM na bazi PP

Vlakna konoplje

368

Pokazivač uređaja tip 2109 (slika 3) baždaren je prema relaciji (1) tako da se na njemu direktno očitava koeficijent apsorpcije izražen u procentima.

Merenje koeficijenta akustičke apsorpcije prema standardu ASTM C 384-03 [13] se obavlja na sledećim frekvencijama: 125, 250, 500, 1000, 2000 i 4000 Hz. Iako je standardom propisano merenje sa rezolucijom jedne oktave, u predmetnim istraživanjima merenja su obavljena sa povećanom rezolucijom (po trećinama oktave) i to u frekvencijskom opsegu od 315 do 3150 Hz. Ovaj frekvencijski opseg je izabran jer je primeren automobilskoj buci [7, 8] s obzirom da je cilj istraživanja bio sagledavanje mogućnosti korišćenja novodobijenih kompozita u automobilskoj industriji.

4. REZULTATI MERENJA

Koeficijent apsorpcije izmeren je za četiri kompozita sastava prikazanog u tabeli 1. Rezultati merenja prikazani su na slikama 4 -7.

125 250 500 1000 2000 40000

20

40

60

80

100

Koe

ficije

nt a

psor

pcije

[%]

Frekvencija [Hz]

Sl. 4. Koeficijent apsorpcije kompozita (90% konoplje i 10% PP) u funkciji frekvencije

125 250 500 1000 2000 40000

20

40

60

80

100

Koe

ficije

nt a

psor

pcije

[%]

Frekvencija [Hz]

Sl. 5. Koeficijent apsorpcije kompozita (80% konoplje i 20% PP) u funkciji frekvencije

125 250 500 1000 2000 40000

20

40

60

80

100

Koe

ficije

nt a

psor

pcije

[%]

Frekvencija [Hz]

Sl. 6. Koeficijent apsorpcije kompozita (70% konoplje i 30% PP) u funkciji frekvencije

125 250 500 1000 2000 40000

20

40

60

80

100

Koe

ficije

nt a

psor

pcije

[%]

Frekvencija [Hz]

Sl. 7. Koeficijent apsorpcije kompozita (60% konoplje i 40% PP) u funkciji frekvencije

Najbolji rezultati su postignuti za kompozite sa 10 i 20% PP (slika 4 i 5). Posebno je dobar rezultat za kompozit sa 20% PP (slika 5) gde je izmeren maksimalni koeficijent apsorpcije od 82% u terci sa centralnom frekvencijom 2500 Hz. Međutim, ni rezultati za preostala dva kompozita nisu loši.

Može se konstatovati da postoji zavisnost frekvencije na kojoj se postiže maksimum akustičke apsorpcije i količine PP u kompozitu. Na slici 8 prikazana je zavisnost maksimuma akustičke apsorpcije od sadržaja PP u kompozitu.

Sa porastom količine PP snižava se frekvencija maksimalne apsorpcije zvuka. Za prigušivanje nižih frekvencija potrebno je koristiti kompozite sa većim sadržajem PP. Kompoziti sa manjim sadržajem PP pokazali su se efikasnijim kod zvučne zaštite na višim frekvencijama.

369

10 15 20 25 30 35 40 45

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Frek

venc

ija k

oja

odgo

vara

mak

sim

umu

koef

icije

nta

apso

rpci

je [H

z]

Sadržaj PP u kompozitu [%]

Sl. 8. Zavisnost maksimuma akustičke apsorpcije od

sadržaja PP u kompozitu

Kompoziti sa 10-20% PP imaju zadovoljavajuću efikasnost sa stanovišta apsorpcije energije zvuka. Ovo je dovoljna količina PP za poboljšanje, pre svega, mehaničkih svojstava netkanih materijala na bazi konoplje. Sa druge strane, količina PP u ovom iznosu ne ugrožava bitno atribut "ekološki" napravljenog kompozita.

Prema slikama 4-7, izrađeni kompoziti pokazuju dobra apsorpciona svojstva u frekvencijskom području iznad 1500 Hz. U ovom frekvencijskom području dominira aerodinamička buka automobila naročito pri većim putnim brzinama. Aerodinamička buka nastaje opstrujavanjem vazduha oko karoserije automobila.

Izrađeni kompoziti imaju poroznu strukturu, koja obezbeđuje pretvaranja akustičke energije zvuka (buke) u toplotnu prilikom njegovog prostiranja kroz materijal. Ovo je osnovni efekat akustičke apsorpcije poroznih materijala. Polimerna komponenta kompozita se koristi za toplotno povezivanje vlakana konoplje u materijal koji čini kompaktnu celinu i istovremeno poboljšava mehanička svojstva materijala utičući i na njegova akustička svojstva. Povećan sadržaj sintetičkog polimera u kompozitu dovodi do stvaranja krutog materijala što pogoršava akustičko-apsorpciona svojstva kompozita. Kompozit se u tom slučaju ponaša kao zvučna pregrada. Kada zvučni talas udari u ovakvu pregradu dolazi do delimične apsorpcije zvučne energije, ali se znatno veći deo energije reflektuje od nje.

5. ZAKLJUČAK

Kompoziti na bazi konoplje mogu se koristiti kao apsorpcioni materijal. U frekvencijskom području iznad 1500 Hz koeficijent apsorpcije kompozita je veći od 50%. Primena kompozita na bazi konoplje posebno je interesantna u automobilskoj industriji gde se insistira na primeni prirodnih, "ekoloških" materijala.

Prema prikazanim rezultatima merenja koeficijenta apsorpcije (slike 4-7) optimalan odnos konoplje i PP u kompozitu je 4:1 (20% PP). Kompoziti su pokazali dobra apsorpciona svojstva u frekvencijskom području iznad 1500 Hz tako da se mogu uspešno koristiti za smanjenje aerodinamičke buke automobila.

Istraživanje treba nastaviti u cilju realizacije novih tipova kompozita na bazi konoplje.

NAPOMENA - Ovaj rad je proistekao iz Projekta MHT 2.10.0221. koji finansira MNTR Vlade Republike Srbije.

LITERATURA

[1] http://www.globalhemp.com

[2] W.J.M. Meijer, H.M.G. van der Werf, G.J. van Roekel, E.P.M. de Meyer, and W. Huisman. Fibre Hemp: Potentials and Constraints. Edmonton, Alberta: Alberta Agriculture, Food and Rural Development, 1996.

[3] G. J. Van Roeckel, Chemimechanical pulping of the fibre hemp. Proc. Bioresource hemp, Frankfurt, Germany, 1995.

[4] http://www.ukcia.org.

[5] http://www.gov.mb.ca/agriculture/crops/hemp/ bko07s09.html.

[6] Small, E. and D. Marcus. 2002. Hemp: A new crop with new uses for North America. p. 284–326. In: J. Janick and A. Whipkey (eds.), Trends in new crops and new uses. ASHS Press, Alexandria, VA.

[7] D.V. Parikh, T.A. Calamari, J.C. Myatt, Int. Nonwovens J., Vol 9(2) 2002, pp.83-85.

[8] T.Hirabayashi, D. McCass, R. Rebart, P. Rusch, P. Saha, Application of Noise Control and Heat Insulation Materials and Devices in the Automotive Industry, 1995.

[9] Prefeasibility studies of hemp products prepared for the rural industries research & development corporation by Planning & Managing projects Pty ltd December, 1996.

[10] http://www.nonwovens-industry.com/december022.htm.

[11] JUS F.S2.016 - Određivanje mase po jedinici dužine i jedinici površine, 1986.

[12] JUS F.S2.021 - Određivanje debljine, 1986.

[13] ASTM C 384-03: Standard Test Method for Impedance and Absorption of Acoustical Materials by the Impedance Tube Method, 2003.

Abstract – In this paper the possibility of using hemp-based composites as sound absorbing materials was analyzed. Composites having the same specific mass, but different amounts of polypropylene were synthesized. Acoustic properties of the obtained composites were measured according to ASTM C 384 standard. According to results of measurements the synthesized hemp-based composites fulfill criteria as sound absorbing materials.

ACOUSTIC PROPERTIES OF HEMP-BASED

COMPOSITES

Slavenka Lukić, Milan Vojnović, Aleksandra Milutinović-Nikolić

370