Principales fibras vegetales de aplicación como refuerzo de matrices cementicias. Holmer Savastano Junior USP Brasil

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1 Principales fibras vegetales de aplicación como refuerzo de matrices cementicias Holmer Savastano Junior USP Brasil

2 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

3 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.

4 Celulose A celulose (C 6 H )n é um polímero de cadeia longa composto de um só monômero, classificado como polissacarídeo ou carboidrato.

5 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).

6 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, CO 2 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.

7 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.

8 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).

9 Fibres Properties Density T strength MOE (GPa) Elongation at W absorption (g/cm 3 ) (MPa) failure (%) (%) Jute Coir Sisal Banana Bamboo E-glass Polypropylene

10 General prices for E-glass and vegetable fibres Fibre Price/kg (US$), raw E-Glass 1.3 Flax 1.5 Hemp Jute 0.35 Ramie Coir Sisal

11 Resíduos de fibras de não-lenhosas Malva (Urena lobata) Fibra extraída do caule Coconut (Cocos nucifera) Wood (1997) Fibra do mesocarpo do fruto

12 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)

13 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 (%) Valor mercado (US$/t) de Quantidade e abrangência Produto comercial principal Relação resíduo/prod. principal Nulo (máx.) 15 Nulo Apaeb Fibra verde antes da secagem 290 Brasil Fio agrícola (baler twine) 7500 Cofib e Diniz Fibras longas e/ou curtas Aracruz Celulose para papel Vale Ribeira SP Fruta de mesa e para indústria 300 0, ,5 8

14 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

15 Viabilidade para fibrocimento Fibras residuais curtas e de pequena espessura custo com transporte Durabilidade esperada no meio alcalino

16 Desfibraje de la cáscara de coco

17 Fibras obtenidas en el proceso de desfibraje y empaquetamento

18 Coco - resíduo e secagem

19 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)

20 Interesse de utilização Polpa de sisal Fibra longa Valor comercial elevado Fibra residual Curta ou cortada Uso conjunto com a polpa

21 Bucha verde de sisal limpeza das fibras residuais em peneira ganho adicional para produtores Silva & Beltrão (1999)

22 Bucha da fabricação de tapete

23 Resíduo da rasadeira

24 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: Custo da polpa: US$ /ton

25 Plantación de bambu para produción de pulpa kraft Mudas de bambu - Viveiro

26 Chips de bambu para pulpeo

27 Produción de pulpa y retazos (desechos)

28 - 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. Sugar cane plantations Brazil ,000 million t/year

29 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

30 Processos de polpação

31 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

32 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

33 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

34 (...) 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

35 Polpação Kraft Produção de celulose ETE ETA Madeira Preparo de madeira ( picador) Cozimento (Digestor) Deslignificação Branqueamento Extração Licor preto Celulose Planta química Caldeiras Sistema de recuperação

36 Polpação Organosolve Polpação química: emprego de solventes orgânicos associados à água, na presença ou ausência de catalisadores

37 (...) 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

38 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.

39 (...) 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

40 Explosão a vapor

41 Explosão a vapor

42 CTMP Polpa quimitermomecânica Refinador de disco de laboratório rio Bauer

43 Microestrutura da fibra Macrofibra original Aglomerado de fibras individuais Filamentos individuais Fibrilação interna e externa

44 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

45 Propriedades das fibras e polpas Fibra Kraft de sisal CTMP de sisal Kraft de banana CTMP de banana Kraft residual de eucalipto Kraft refinado de Pinus radiata Número Kappa (1) 31,7 50,5 44,5 86,5 6,1 17,0 Drenabilidade CSF (ml) (2) Comprimento 1,66 1,53 1,95 2,09 0,66 1,71 médio (mm) (3) Espessura da fibra 13,5 9,4 15,3 11,8 10,9 32,4 ( m) (4) (1) Appita P201 m-86 (2) AS s-88 (3) Kajaani FS-200 (4) Média de 20 determinações por MEV

46 Microestrutura da fibra Kraft residual de eucalipto Fibras não refinadas Peculiaridades de fibras recicladas: - retração lateral - retorcidas - mais curtas

47 Macrofibra x polpa CP c/ 4% fibra Macrofibra de sisal comercial Kraft de sisal residual

48 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, ,72 8,06 Klabin ,56 6, ,24 25,28 VCP 0 6,92 20, ,70 10,97 VCP ,77 25, ,68 10,95 Arauco 0 32,73 1, ,85 9,11 Arauco ,30 7, ,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.

49 Fibras plásticas

50 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

51 Dispersão da fibra sintética 4 min 2 min 15 min 8 min

52 Caracterização da seção transversal Análise de imagem PP PVA

53 Modelo do corpo-de-prova ~3mm papel fibra

54 Ensaio de tração

55 Comparação entre fibras Tensão (MPa) ,5 1 1,5 2 Deformação (mm/mm) PET PP1-Etruria PP2- Fitesa PP3-Alemanha PP4 - Tony Cooke PVA1-Kuralon RC PVA2-Kuraray EBB2 PVA3-STM

56 Comentários PVA Propriedades mecânicas variam com velocidade de ensaio PPs com propriedades similares! PP pode ser alternativa + barata!

57 Lectura complementar H. Savastano Jr., S.F. Santos, V. Agopyan. Sustainability of vegetable fibres in construction. In Sustainability of Construction Materials. Woodhead. P 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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