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

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)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 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

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

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

Explosão a vapor

Explosão a vapor

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.

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

2 min

4 min

8 min

15 min

Caracterização da seção transversal

• Análise de imagem

PP PVA

Modelo do corpo-de-prova

~3mm

papelfibra

Ensaio de tração

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.