Estudio de compósitos de fibras naturales y arcilla para aplicaciones acústicas

Abstract

Durante la última década, las acciones y estudios para contrarrestar los efectos del ruido se han incrementado mediante el uso de materiales aislantes o absorbentes, además de regulaciones civiles a partir del monitoreo en zonas urbanas, ya que la exposición a altos niveles de presión sonora puede causar problemas de salud psicológicos y fisiológicos como ansiedad, depresión, estrés, fatiga, problemas cardíacos, auditivos o cognitivos, así como la pérdida irreversible de audición. Este trabajo tiene como objetivo desarrollar y estudiar compuestos naturales hechos de arcilla reforzada con fibras de coco o nopal para analizar sus coeficientes acústicos y determinar sus aplicaciones como material de aislamiento o acondicionamiento. Los compósitos se obtuvieron mediante la incorporación de 25%, 50% y 75% en peso de cada fibra con la arcilla bentonita. La caracterización física y química de los compuestos se realizó mediante difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (MEB), microscopía óptica, espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR) y análisis termogravimétrico (ATG). Las propiedades de dureza y densidad aparente de los compósitos se obtuvieron de muestras con tres meses de envejecimiento. Mediante DRX, se identificaron en la bentonita los compuestos: montmorillonita, cuarzo y feldespato. El FT-IR permitió la identificación de los grupos funcionales de la arcilla y para las fibras se determinó la presencia de lignina y hemicelulosa. Las micrografías muestran que la fibra de coco es más porosa que la de nopal; el tamaño de las fibras de nopal fue de entre 71.8 y 219.7 nm (microscopía electrónica) y de las de coco fue de 0.1613 mm (microscopía óptica). La densidad aparente de los compósitos sigue el modelo de la regla de mezclas, mientras que la dureza cambia muy poco en las muestras preparadas con fibra de nopal. A través del ATG se encontró que la bentonita mejora la estabilidad térmica de los compósitos. Los coeficientes acústicos de absorción, reflexión y transmisión de los materiales se determinaron mediante el método del tubo de impedancia, en el rango de 50 a 10 000 Hz. Las muestras obtenidas después del proceso de síntesis se caracterizaron en un tubo de impedancias de dos cámaras acústicas. Para las pruebas de humedad se agregaron hasta cuatro gotas de agua, obteniendo la respuesta al impulso en cada compósito para cada gota agregada. Los resultados para las muestras secas mostraron un aumento de las propiedades de absorción acústica al agregar las fibras en los compósitos, donde se observó que la fibra de coco presentó una mayor absorción de sonido que la fibra de nopal. La dureza y la densidad del material se relacionan directamente con una reducción del coeficiente de absorción, aunque las pruebas realizadas muestran que las fibras de nopal en los compósitos no aumentan su dureza y sus propiedades acústicas, a diferencia de las fibras de coco. Los resultados obtenidos de la caracterización acústica realizados en la prueba de humedad superficial demostraron que los coeficientes de absorción, reflexión y absorción del coco cambian al aumentar la humedad en las muestras. Mientras que, para el caso del nopal, debido a su composición y propiedades hidrofóbicas, no se presenta una variación significativa en sus propiedades acústicas. Los compósitos realizados a base de fibra de coco presentan mejores propiedades de absorción y reducción acústica, mientras que los de fibra de nopal destacan en la reflexión de sonido.

During the last decade, actions and studies to counteract the effects of noise have increased through the use of insulating or absorbent materials, and civil regulations based on monitoring in urban areas, since exposure to high levels of sound pressure can cause psychological and physiological health problems such as anxiety, depression, stress, fatigue, cardiac, hearing or cognitive problems, as well as irreversible hearing loss. This work aims to develop and study natural compounds made of clay reinforced with coconut or nopal fibers to analyze their acoustic coefficients and determine their applications as insulation or conditioning material. The composites were obtained incorporating 25, 50 and 75% by weight of each fiber with bentonite clay. The physical and chemical characterization of the composites was performed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy, Fourier transforms infrared spectroscopy (FT-IR), and thermogravimetric analysis (TGA). The properties of hardness and apparent density of the composites were obtained from samples aged three months. Using XRD, the compounds were identified in the bentonite: montmorillonite, quartz and feldspar. The FT-IR allowed the identification of the functional groups of the clay and for the fibers the presence of lignin and hemicellulose was determined. Micrographs show that coconut fiber is more porous than nopal; the size of the nopal fibers was between 71.8 and 219.7 nm (electron microscopy) and that of the coconut fibers was 0.1613 mm (optical microscopy). The apparent density of the composites follows the model of the mixture rule, while the hardness changes very little in the samples prepared with nopal fiber. Through ATG it was found that bentonite improves the thermal stability of the composites. The acoustic absorption, reflection, and transmission coefficients of the materials were determined using the impedance tube method, in the range of 50 to 10,000 Hz. The samples obtained after the synthesis process was weighed and characterized in the impedance tube; For the humidity tests, a drop was placed on the surface of the sample and the characterization process was repeated. These tests were carried out until 4 drops of water were added to each composite. The results showed an increase in the acoustic absorption properties when adding the fibers in the composites, where it was observed that the coconut fiber presented a higher sound absorption than the nopal fiber. The hardness and density of the material are directly related to a reduction in the absorption coefficient, although the tests carried out show that the nopal fibers in the composites do not increase their hardness and their acoustic properties, unlike coconut fibers. The results obtained from the acoustic characterization carried out in the surface humidity test showed that the absorption, reflection and absorption coefficients of the coconut change with increasing humidity in the samples. While, in the case of nopal, due to its composition and hydrophobic properties, there is no significant variation in its acoustic properties. Composites made from coconut fiber have better acoustic absorption and reduction properties, while those made from nopal fiber stand out in terms of sound reflection.