Desenvolvimento de compósitos geopoliméricos para aplicação em bombas de calor

Abstract

O constante consumo de energia e emissões de CO₂ são dos problemas centrais do século XXI. Inúmeros estudos têm vindo a ser realizados de modo a diminuir a pegada de carbono dos materiais utilizados diariamente, em particular os polímeros, nomeadamente a sua substituição por materiais provenientes de resíduos industriais que têm associadas menores emissões de CO₂ nas suas diversas fases do ciclo de vida. Neste sentido, desenvolveu-se uma parceria entre a Universidade de Aveiro e a Vulcano - Bosch Termotecnologia, S.A., de modo a estudar substitutos para o material utilizado como isolante acústico nas suas bombas de calor, a espuma de polipropileno (PPE), por soluções mais sustentáveis e com propriedades acústicas superiores ou semelhantes, envolvendo geopolímeros. Este trabalho incidiu em cinco tipos de geopolímeros: densos, porosos, compósitos geopoliméricos contendo cortiça, compósitos geopoliméricos contendo borracha e estruturas geopoliméricas em bi-camada. Geopolímeros porosos foram produzidos pela adição de pó de alumínio como agente porogéneo, variando o conteúdo do mesmo (entre 0,05 e 0,15%) e a concentração do ativador (6, 8 e 10 M). Os resultados indicam que o conteúdo de pó de alumínio inserido na pasta geopolimérica e a molaridade do NaOH influenciam propriedades fundamentais tal como a porosidade, a resistência mecânica e propriedades acústicas: o aumento do teor de agente porogéneo origina maior porosidade, resultando numa menor densidade e resistência mecânica, mas numa superior absorção do som, tendo-se obtido valores de coeficiente de absorção superiores a 0,70 num intervalo largo de frequências. Os compósitos geopoliméricos contendo cortiça e borracha foram produzidos contendo diferentes teores destes componentes (65 a 85 % de cortiça e 75 a 90 % de borracha). Tal como nos geopolímeros porosos, o aumento da quantidade de granulados diminui a densidade e aumenta a absorção acústica dos materiais, mas afeta negativamente a sua resistência mecânica, condutividade térmica e perda por transmissão sonora. O compósito com 80% de cortiça combina bom desempenho acústico (coeficientes de absorção acústica superiores a 0,5 num intervalo largo de frequências e valores de perda do som por transmissão semelhantes ao do PPE, embora ligeiramente inferiores) e satisfatória resistência à compressão (superior a 0,5 MPa). Com base nos resultados obtidos, desenvolveram-se estruturas em multicamada que permitem obter uma elevada performance acústica, tanto por absorção como por transmissão. Estas estruturas são constituídas por duas camadas, uma densa e outra correspondente ao compósito com cortiça ou borracha, variando-se a espessura das mesmas. Os compósitos apresentaram densidade relativamente elevada, compreendida entre 0,64 e 0,94 g/cm₃, um parâmetro a otimizar futuramente, resistência mecânica adequada, coeficientes de absorção do som elevados, aproximados a 1 em certas frequências, e valores de perda do som por transmissão semelhantes ao do PPE, demonstrando potencial interessante como isolante acústico das bombas de calor.

Constant energy consumption and CO₂ emissions are central problems of the 21st century. Numerous studies have been carried out in order to reduce the carbon footprint of materials used daily, in particular polymers, namely their replacement by materials produced from industrial waste that have associated lower CO₂ emissions in the distinct phases of the life cycle. In this sense, a partnership was developed between University of Aveiro and Vulcano - Bosch Termotecnologia, S.A., in order to replace the material used as acoustic insulator in their heat pumps, the polypropylene foam (EPP), by an eco-friendlier material and with superior or similar acoustic properties, the geopolymer. This work developed five types of materials: dense geopolymers, porous geopolymers, geopolymeric composites containing cork, geopolymeric composites containing rubber and bi-layered geopolymeric structures. Porous geopolymers were produced using aluminum powder as the pore forming agent, varying its content (between 0.05 and 0.15%) and the activator concentration (6, 8 and 10 M). Results indicate that the content of aluminum powder inserted in the geopolymeric paste and the molarity of NaOH influence fundamental properties such as porosity, mechanical strength and acoustic properties: the increase in the pore forming agent content results in greater porosity, therefore in lower density and mechanical resistance, but higher sound absorption, with coefficient values above 0,70 over a wide range of frequencies. Geopolymeric composites containing cork and rubber (65 to 85% of cork and 75 to 90% of rubber) were produced. As in the porous geopolymers, the increase of the amount of granules inserted diminishes the density and enhances the acoustic absorption of materials, but negatively affect the mechanical resistance, thermal conductivity and sound loss transmission. The composite with 80% cork combines good acoustic performance (sound absorption coefficients greater than 0,5 in a wide range of frequencies and values of sound loss transmission similar to those of EPP) and satisfactory resistance to compression (higher at 0,5 MPa). Based on the results obtained, multilayer structures were developed that show high acoustic insulation, both by absorption and transmission. These structures are constituted by two layers, one dense and the other corresponding to the composite with cork or rubber, varying their thickness. The composites presented a high density, between 0,64 and 0,94 g/cm₃, a parameter to be optimized in future studies, but an adequate mechanical strength, very high sound absorption coefficients, approaching 1 at certain frequencies, and sound loss transmission values similar to the EPP, demonstrating an interesting potential as an acoustic insulator of heat pumps.