principales fibras vegetales de aplicación como refuerzo...
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Principales fibras vegetales de aplicación como refuerzo de
matrices cementicias
Holmer Savastano Junior
USP Brasil
Fibras vegetais como reforFibras vegetais como reforççoo
Principais Principais constituintesconstituintes Celulose Celulose LigninaLignina HemiceluloseHemicelulose
Fibrilas dispostas em Fibrilas dispostas em vváárias camadasrias camadas
Feixes formados a Feixes formados a partir de fibras partir de fibras individuaisindividuais
1- Parede primáriaParede secundária
2- S1, 3- S2, 4- S35- Lamela intercelular
Lignina• A lignina é uma macromolécula tridimensional
amorfa encontrada nas plantas terrestres, associada à celulose na parede celular cuja função é de conferir rigidez, impermeabilidade e resistência a ataques microbiológicos e mecânicos aos tecidos vegetais.
Celulose
• A celulose (C6H1005)n é um polímero de cadeia longa composto de um só monômero, classificado como polissacarídeo ou carboidrato.
• As hemiceluloses são polissacarídeos. Junto com celulose, a pectina e as glicoproteínas, formam a parede celular das células vegetais. As hemiceluloses referem-se a uma mistura de polímeros de hexoses, pentoses e ácidos urônicos, que podem ser lineares ou ramificados, são amorfos e possuem peso molecular relativamente baixo. As hemiceluloses são divididas em pentosanas e hexosanas com fórmulas gerais C5H8O4 e C6H10O5, respectivamente onde 'n' éo grau de polimerização. As pentosanas por hidrólise produzem pentoses (xilose e arabinose).
Advantages of vegetable fibres• Low specific weight, which results in higher specific
strength and stiffness than glass. This is a benefit especially in components designed for bending stiffness.
• It is a renewable resource, the production requires little amount of energy, CO2 is used while oxygen is given back to the environment.
• Can be produced with low investment at low cost, which makes the material an interesting product for developing countries.
• Good thermal and acoustic insulating properties in building applications.
Disadvantages of vegetable fibres
• Variable quality, depending on unpredictable influences such as weather.
• Moisture absorption, which causes swelling of the fibres.
• Restricted maximum processing temperature.
• Lower durability, which can be considerably improved by fibre treatments.
• Price can fluctuate by harvest yield or agricultural politics.
Commonly used vegetable fibers
• Fibre resources such as bamboo, sisal, coir, banana, and those of agricultural residue origin are called natural non-wood fibre resources.
• The four main fibre material resources of plants are: (1) natural non-wood fibre resources, (2) bamboo, (3) agricultural residues and (4) recycled fibre (waste paper).
Fibres Properties
Density
(g/cm3)
T strength
(MPa)
MOE (GPa) Elongation at
failure (%)
W absorption
(%)
Jute 1.36 400 – 500 17.4 1.1 250
Coir 1.17 95 – 118 2.8 15 – 51 93.8
Sisal 1.27 458 15.2 4 239
Banana 1.3 110 - 130 --- 1.8 -3.5 400
Bamboo 1.16 575 28.8 3.2 145
E-glass 2.5 2500 74 2 - 5 ---
Polypropylene 0.91 350-500 5 - 8 8 - 20 ---
General prices for E-glass and vegetable fibres
Fibre Price/kg (US$), raw
E-Glass 1.3
Flax 1.5
Hemp 0.6 - 1.8
Jute 0.35
Ramie 1.5 - 2.5
Coir 0.25 - 0.5
Sisal 0.6 - 0.7
ResResííduos de fibras de duos de fibras de nãonão--lenhosaslenhosasMalva (Urena lobata)
Fibra extraída do caule
Coconut
(Cocos nucifera)
Fibra do mesocarpo do fruto
Wood (1997)
Fibras de não-lenhosas
• Países tropicais– grande disponibilidade
de fibras vegetais
• Fonte renovável • Preços competitivos• Diversidade de usos
– cordoaria– celulose & papel– produção de tecidos
PlantaPlantaçção de sisal (ão de sisal (Agave sisalanaAgave sisalana))
Identificação de alguns resíduos
Resíduo fibroso
Bucha verde de
sisal
Bucha de baler twine
– sisal
Fibrinhas de coco
Rejeito de celulose de eucalipto
Banana
Umidade (%) 10 15 32 61 12
Valor de mercado (US$/t)
Nulo 80 90 (máx.) 15 Nulo
Quantidade e abrangência
30000 Apaeb
290 Brasil
7500 Cofib e Diniz
17000 Aracruz
95000 Vale
Ribeira SP
Produto comercial principal
Fibra verde antes da secagem
Fio agrícola (baler twine)
Fibras longas e/ou
curtas
Celulose para papel
Fruta de mesa e para
indústria
Relação resíduo/prod. principal
300 0,8 200 – 2880 0,5 8
Fibra de coco
• Fibras de interesse– Fibra longa cortada
– Fibrilha: curta, resíduo em pequena qtdd.
• Produção– Fazenda: 120 t/mês
– Brasil: 2 mil t/mês
• Preço: US$200/t
Viabilidade para fibrocimento
• Fibras residuais– curtas e de pequena espessura
– custo com transporte
• Durabilidade esperada no meio alcalino
Fibra de sisal
• Resíduos– Rasadeira: curta (5-10 mm) e sem pó
– Refugo: fibra comercial de baixa qualidade
– Bucha de batedeira: beneficiamento
– Bucha verde de campo
– Resíduo da fábrica de tapete (fio e fibra)
Interesse de utilização
• Polpa de sisal– Fibra longa
– Valor comercial elevado
• Fibra residual– Curta ou cortada
– Uso conjunto com a polpa
Bucha verde de sisal
– limpeza das fibras residuais em peneira
– ganho adicional para produtores
Silva & Beltrão (1999)Silva & Beltrão (1999)
Polpa celulósica de bambu
• Área: 16 mil ha de Bambusa vulgaris
• Polpação– Processo alcalino (soda + sulfato)
– Tratamento em refinador de disco cônico
• Características da polpa– Kappa: 65-70
• Custo da polpa: US$400-500/ton
Sugar cane plantations Brazil 2020 – 1,000 million t/year
- Sugar cane bagasse is a lignocellolusic fibre residue proceeding from sugar cane culm.
- The average composition of sugarcane is 65-75% water, 11-18% sugars, 8-14% fibres and 12-23% soluble solids.
Comentários adicionais
• Polpas celulósicas– viabilidade no curto/médio prazo
– Kappa da polpa química: • sisal (8-10) x bambu (65-70)
– Custo das polpas comerciais• sisal (US$1500/t) x bambu (US$450/t)
– Polpações não convencionais• CTMP, organossolve, steam explosion
Polpação
• A produção de polpa é a mais importante técnica para a conversão química da madeira
• Diversas técnicas podem ser utilizadas:– Mecânica
– Termo-mecânica – Quimio-termomecânica
– Kraft (químico)
– Organosolve
– Explosão a Vapor
Polpação Mecânica
• Características:– É o mais antigo processo para converter madeira
em polpa– Baseado no atrito
• Vantagens– Altos rendimentos
• Desvantagens– Maior gasto de energia para obtenção de maior
grau de refinamento– Altos teores de lignina residual
Polpação química
– Utilização de sulfato: polpação alcalina– Processo mais usado e o mais importante– Polpas resistentes (kraft significa “força” em
alemão)– Vantagens:
• Baixa demanda de quantidade e qualidade de madeira
• Baixos tempos de cozimento• Parâmetros de processo bem estabelecidos• Excelentes propriedades de resistência das polpas
(...) Polpação química
– Desvantagens:• Odor proveniente de gases de enxofre liberados no
processo• Baixos rendimentos (45-50%)• Cor escura da polpa não branqueada• Custos de instalação de uma planta• Tratamento de efluentes
Polpação Kraft
Cozimento(Digestor) Deslignificação
Branqueamento
MadeiraPreparo de madeira( picador)
Extração Celulose
Produção de celulose
ETAETE
CaldeirasPlanta química
Sistema derecuperação
Licor preto
Polpação Organosolve
• Polpação química: emprego de solventes orgânicos associados à água, na presença ou ausência de catalisadores
(...) Polpação Organosolve
– Vantagens:• Melhor impregnação dos tecidos vegetais pelo solvente
• Fácil recuperação das ligninas e polissacarídeos a partir dos licores
• Fácil recuperação do solvente por destilação• Instalação de pequenas plantas, aliadas ao baixo custo
das mesmas
– Desvantagens• Polpa não é competitiva com a Kraft
• O consumo de energia pode ser maior que o Kraft
Explosão a vapor
• Tratamento quimio-termomecânico• Alternativa:
– Consiste na impregnação do material por vapor sob alta pressão por curto período de tempo seguido de súbita descompressão. Pode-se realizar também prévia impregnação com diferentes reagentes químicos, levando àobtenção de diferentes produtos.
(...) Explosão a vapor
– Vantagens:• Madeiras e não-madeiras podem ser utilizadas• Processo limpo: fatores ambientais favoráveis, redução
de reagentes e custos de tratamento ambiental• Polpa de alto rendimento e boa qualidade• Baixos custos de operação e de capital
CTMPCTMP
Polpa quimitermomecânicaPolpa quimitermomecânica Refinador de disco de laboratRefinador de disco de laboratóório Bauerrio Bauer
Microestrutura da fibraMicroestrutura da fibra
Filamentos individuaisFilamentos individuais
FibrilaFibrilaçção interna e externaão interna e externa
Macrofibra originalMacrofibra original
Aglomerado de fibras Aglomerado de fibras individuaisindividuais
Banana kraft
Refino de polpa kraft
Banana kraft refinada
Efeitos do refino Efeitos do refino FibrilaFibrilaçção externaão externa Filamentos maleFilamentos maleááveisveis AdaptaAdaptaçção para ão para
HatschekHatschek
Efeitos colaterais Efeitos colaterais EncurtamentoEncurtamento GeraGeraçção de finosão de finos
Propriedades das fibras e polpasPropriedades das fibras e polpas
Fibra Kraftde
sisal
CTMPde sisal
Kraftde
banana
CTMPde
banana
Kraftresidual
deeucalipto
Kraftrefinadode Pinusradiata
Número Kappa (1) 31,7 50,5 44,5 86,5 6,1 17,0DrenabilidadeCSF (ml) (2)
650 500 222 465 685 650
Comprimentomédio (mm) (3)
1,66 1,53 1,95 2,09 0,66 1,71
Espessura da fibra(m) (4)
13,5 9,4 15,3 11,8 10,9 32,4
(1) Appita P201 m-86 (2) AS 1301.206s-88 (3) Kajaani FS-200 (4) Média de 20 determinações por MEV
Microestrutura da fibraMicroestrutura da fibra
Kraft residual de Kraft residual de eucaliptoeucalipto
Fibras não refinadasFibras não refinadas
Peculiaridades de fibras Peculiaridades de fibras recicladas:recicladas:
-- retraretraçção lateral ão lateral -- retorcidasretorcidas-- mais curtasmais curtas
Macrofibra x polpaMacrofibra x polpa
CP c/ 4% fibra
Kraft de sisal residual
Macrofibra de sisal comercial
Análise de polpas comerciais
Amostra Coarseness
(mg/100m)
N° de fibras/g
(Milhões)
N° objetos
analisados
Comprimento
médio (mm)
Teor
finos (%)
Klabin 0 a 42,80 1,36 2997 1,72 8,06
Klabin 7000 11,56 6,99 15414 1,24 25,28
VCP 0 6,92 20,58 45397 0,70 10,97
VCP 4500 5,77 25,69 56682 0,68 10,95
Arauco 0 32,73 1,65 3646 1,85 9,11
Arauco 8000 11,30 7,25 16006 1,22 48,94 a O número que acompanha a procedência da amostra indica o número de revoluções do moinho PFI (refinador de laboratório) a que a polpa foi submetida.
Controle das Fibras
• Dispersão• Aderência• Fibra sintética é cara (>US$2/kg)• Métodos disponíveis para fibras longas• Desenvolvido método para fibra picada
– Módulo de elasticidade– Resistência à tração– Densidade
Comparação entre fibras
0200400600800
1000120014001600
0 0,5 1 1,5 2Deformação (mm/mm)
Tens
ão (M
Pa)
PETPP1-EtruriaPP2- FitesaPP3-AlemanhaPP4 - Tony CookePVA1-Kuralon RCPVA2-Kuraray EBB2PVA3-STM
Comentários
• PVA– Propriedades mecânicas variam com velocidade
de ensaio
• PPs com propriedades similares!
• PP pode ser alternativa + barata!
Lectura complementar
• H. Savastano Jr., S.F. Santos, V. Agopyan. Sustainability of vegetable fibres in construction. In Sustainability of Construction Materials. Woodhead. P.55-81.
• FAO - Food and Agriculture Organization of the United Nations (2006), Jute, kenaf, sisal, abaca, coir and allied fibres statistics, Rome, FAO.
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