Principales fibras vegetales de aplicación como refuerzo de

Principales fibras vegetales de
aplicación como refuerzo de
matrices cementicias
Holmer Savastano Junior
USP Brasil
Fibras vegetais como reforço

Principais
constituintes





Celulose
Lignina
Hemicelulose
Fibrilas dispostas em
várias camadas
Feixes formados a
partir de fibras
individuais
1- Parede primária
Parede secundária
2- S1, 3- S2, 4- S3
5- 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' é
o 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
T strength
(g/cm3)
(MPa)
Jute
1.36
400 – 500
Coir
1.17
Sisal
MOE (GPa)
Elongation at
W absorption
failure (%)
(%)
17.4
1.1
250
95 – 118
2.8
15 – 51
93.8
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$), raw
E-Glass
1.3
Flax
1.5
Hemp
Jute
0.6 - 1.8
0.35
Ramie
1.5 - 2.5
Coir
0.25 - 0.5
Sisal
0.6 - 0.7
Resíduos de fibras de
não-lenhosas
Malva (Urena lobata)
Fibra extraída do caule
Coconut
(Cocos nucifera)
Fibra do mesocarpo
do fruto
Wood (1997)
Fibras de não-lenhosas
• Países tropicais
– grande disponibilidade
de fibras vegetais
• Fonte renovável
• Preços competitivos
• Diversidade de usos
– cordoaria
– celulose & papel
– produção de tecidos
Plantação de sisal (Agave sisalana)
Identificação de alguns resíduos
Resíduo
fibroso
Umidade (%)
Valor
mercado
(US$/t)
de
Quantidade e
abrangência
Produto
comercial
principal
Relação
resíduo/prod.
principal
Bucha
verde de
sisal
Bucha de
baler twine
– sisal
Fibrinhas
de coco
Rejeito de
celulose de
eucalipto
Banana
10
15
32
61
12
Nulo
80
90 (máx.)
15
Nulo
30000
Apaeb
290
Brasil
7500
Cofib e Diniz
17000
Aracruz
95000
Vale
Ribeira SP
Fibra verde
antes da
secagem
Fio agrícola
(baler twine)
Fibras
longas e/ou
curtas
Celulose
para papel
Fruta de
mesa e para
indústria
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
Desfibraje de la cáscara de coco
Fibras obtenidas en el proceso de
desfibraje y empaquetamento
Coco - resíduo e secagem
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)
Bucha da fabricação de tapete
Resíduo da rasadeira
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
Plantación de bambu para
produción de pulpa kraft
Mudas de bambu - Viveiro
Chips de bambu para pulpeo
Produción de pulpa y retazos
(desechos)
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 6575% 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
Processos de polpação
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
Produção de celulose
ETE
Preparo de
madeira
( picador)
Madeira
ETA
Cozimento
(Digestor)
Deslignificação
Licor preto
Branqueamento
Planta
química
Celulose
Extração
Caldeiras
Sistema de
recuperação
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 à
obtenção 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
Explosão a vapor
Explosão a vapor
CTMP

Polpa quimitermomecânica

Refinador de disco de laboratório Bauer
Microestrutura da fibra
Macrofibra original
Aglomerado de fibras
individuais
Filamentos individuais
Fibrilação interna e externa
Refino de polpa kraft
Banana kraft
Efeitos do refino
 Fibrilação externa
 Filamentos maleáveis
 Adaptação para
Hatschek
Banana kraft refinada
Efeitos colaterais
 Encurtamento
 Geração de finos
Propriedades das fibras e polpas
Fibra
Kraft
de
sisal
CTMP
de sisal
Kraft
de
banana
CTMP
de
banana
Kraft
Kraft
residual refinado
de
de Pinus
eucalipto radiata
6,1
17,0
685
650
Número Kappa (1)
Drenabilidade
CSF (ml) (2)
Comprimento
médio (mm) (3)
Espessura da fibra
(m) (4)
31,7
650
50,5
500
44,5
222
86,5
465
1,66
1,53
1,95
2,09
0,66
1,71
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 fibra

Kraft residual de
eucalipto

Fibras não refinadas
Peculiaridades de fibras
recicladas:
- retração lateral
- retorcidas
- mais curtas

Macrofibra x polpa
CP c/ 4% fibra
Macrofibra de sisal comercial
Kraft de sisal residual
Análise de polpas comerciais
Amostra
Coarseness
N° de fibras/g
N° objetos
Comprimento
Teor
(mg/100m)
(Milhões)
analisados
médio (mm)
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.
Fibras plásticas
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
Dispersão da fibra sintética
4 min
2 min
15 min
8 min
Caracterização da seção transversal
• Análise de imagem
PP
PVA
Modelo do corpo-de-prova
~3mm
fibra
papel
Ensaio de tração
Comparação entre fibras
1600
PET
PP1-Etruria
PP2- Fitesa
PP3-Alemanha
PP4 - Tony Cooke
PVA1-Kuralon RC
PVA2-Kuraray EBB2
Tensão (MPa)
1400
1200
1000
800
600
PVA3-STM
400
200
0
0
0,5
1
Deformação (mm/mm)
1,5
2
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.