COMPÓSITOS POLIMÉRICOS COM FIBRAS VEGETAIS

Sibele Cestari

Orientador Professor Luis Cláudio Mendes

Rio de Janeiro

2010

ii

RESUMO

Este documento visa apresentar o estado da arte de compósitos poliméricos com

fibras vegetais (NFRC), introduzindo um breve histórico relacionado aos primeiros

desenvolvimentos deste tipo de material, prosseguindo com a colocação de

conceitos básicos extraídos da literatura referentes ao tema, propriedades de

algumas fibras naturais utilizadas mais comumente em compósitos desta natureza, e

adentrando a discussão sobre as referências bibliográficas apuradas. A busca foi

focada em artigos com potencial para o desenvolvimento de materiais de construção

e sustentabilidade.

ABSTRACT

This document intends to present the state of the art of natural fibre reinforced

composites (NFRC), introducing a brief history about the first developments of this

kind of material, continuing with basic concepts from literature related to the subject,

main properties of the most common natural fibres in such composites, and entering

the discussion about the chosen bibliographic references. The search was focused

on articles having the potential for building materials development and sustainability.

iii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................................1

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................3

2.1 COMPÓSITO....................................................................................................3

2.2 COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRA VEGETAL .......5

2.2.1 Compósitos poliméricos com fibras de madeira/celulose..............................7

2.2.2 Compósitos poliméricos do tipo madeira plástica .......................................12

2.2.3 Compósitos poliméricos reforçados com juta..............................................16

2.2.4 Compósitos poliméricos reforçados com fibra de côco ...............................18

2.2.5 Outras fontes de fibras para NFRC.............................................................20

3 CONSIDERAÇÕES FINAIS ...........................................................................22

REFERÊNCIAS.........................................................................................................24

1

1 INTRODUÇÃO

Desde os primeiros registros de sua utilização, os compósitos reforçados com fibras

naturais, ou NFRC – natural fibre reinforced composites – atuaram como substitutos

mais eficientes, menos densos e mais facilmente moldáveis para a indústria. Peças

de aviões e automóveis foram precursoras no emprego deste tipo de material.

Tanto polímeros termoplásticos quanto termorrígidos se prestam à mistura com

fibras vegetais. Desde 1908 se tem notícia dos primeiros materiais compósitos

utilizados para produção em larga escala, feitos de resina fenólica ou melamínica

reforçada com papel ou algodão (BLEDZKI;GASSAN, 1999). Muito mais tarde,

Norman de Bruyne, fundador da Cambridge Aeroplane Company, realizou um

trabalho pioneiro na área de NFRC em 1937, quando foram reveladas em uma

palestra as propriedades de um material feito com tecido de algodão impregnado

com resina fenólica, para uso no setor aeronáutico, da Bakelite Ltd.. Com o

surgimento da fibra de vidro, as pesquisas em torno de compósitos com fibras

vegetais desaceleraram, mas após a primeira crise do petróleo em 1970 houve a

retomada do interesse neste tipo de material, dando origem a compósitos reforçados

com fibra de juta e sisal para uso em construção de habitações populares (HILL;

HUGHES, 2010)

Em se tratando do uso de materiais plásticos para aplicações de engenharia, o

surgimento de fibras sintéticas e sua utilização em compósitos poliméricos promoveu

o redirecionamento do uso destes materiais. Por volta de 1940, descobriu-se que a

adição de fibras sintéticas a polímeros resultava em compósitos com maior

resistência e diversidade de propriedades do que o emprego de fibras naturais.

Pôde-se então utilizar estes materiais para aplicações estruturais, e plásticos de

engenharia resistentes e duráveis passaram a substituir metais em várias

manufaturas. Porém apenas recentemente a ciência evoluiu o suficiente para

aprimorar o uso destes materiais, permitindo o projeto de propriedades desejadas a

determinada resina para sua utilização em substituição a materiais convencionais

(PANAR, 1984; HARMIA; HARTIKAINEN; LINDNER, 2005).

2

Compósitos poliméricos vêm substituindo materiais tradicionais ao longo do tempo,

em particular por proporcionarem a incorporação de diferentes propriedades. A

redução de custo e otimização da industrialização de alguns produtos são fatores

que pesam no incentivo à busca por novos materiais (HERRERA-FRANCO;

VALADEZ-GONZÁLEZ, 2005). Em adição, os plásticos apresentam propriedades

específicas como resistência à corrosão, facilidade de moldagem, prestam-se à

fabricação de peças mono ou multicomponentes, e consomem menos energia para

sua industrialização do que os metais (PANAR, 1984).

Em tempos recentes, como conseqüência da crescente preocupação da sociedade

com a sustentabilidade, processos industriais fundamentados em recursos naturais

esgotáveis buscam alternativas de fonte renovável para suas matérias-primas.

Produtos oriundos da reciclagem de resíduos sólidos urbanos (plásticos, papéis,

rejeitos celulósicos industriais) são facilmente encontrados no mercado de grandes

centros, além de ser objeto de pesquisa e desenvolvimento científico no meio

acadêmico em âmbito mundial (YU; DEAN; LI, 2006).

As primeiras aplicações de compósitos poliméricos como materiais de engenharia

utilizavam resinas termorrígidas como matriz, sendo ainda amplamente utilizadas na

construção civil. A necessidade de alta resistência mecânica conduziu à aplicação

de resinas de base poliéster – alquídica e vinílica – e de base epoxídica como

matrizes de muitos compósitos para uso em peças estruturais da construção civil

(HOLLAWAY, 2010).

Embora a demanda por papel tenha aumentado, a questão ambiental tem feito da

celulose de madeira a fibra natural mais utilizada na preparação de compósitos

poliméricos. Porém fibras vegetais pós-consumidas, oriundas de bagaço de cana,

bananeira, côco, curauá, casca de arroz, juta, sisal, piaçava, dentre outras, têm sido

pesquisadas como substitutas da celulose (ISLAM; HAQUE; HUQUE, 2009).

A seguir, será apresentado o levantamento do estado da arte sobre compósitos

poliméricos com fibras vegetais, ressaltando o uso daquelas consideradas como

rejeito urbano ou industrial.

3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Nesta seção será abordada a importância dos compósitos poliméricos cujo

componente de reforço são diferentes fibras naturais. Embora todas sejam de

natureza celulósica, apresentam morfologia variada que de certa maneira confere

diferentes propriedades aos compósitos.

2.1 COMPÓSITO

A definição mais freqüente de compósito é a de material resultante da mistura de

dois ou mais constituintes, diferentes em forma e composição química,

essencialmente insolúveis um no outro, cuja finalidade é a de se obter qualidades

superiores às de seus componentes individuais. No compósito polimérico, a matriz -

meio de transferência da força aplicada - é um polímero, e a carga reforçadora -

elemento que responde pela resistência ao esforço - é um material particulado ou

fibroso.

Questões como facilidade de moldagem, menor densidade, menor abrasão ao

ferramental, menor custo e maior resistência ao impacto levaram ao uso de

polímeros termoplásticos como matrizes para estes materiais. No tocante ao agente

de reforço, a questão da sustentabilidade promoveu a retomada dos estudos de

NFRC em detrimento das fibras sintéticas – enfatizando pontos como reciclabilidade,

consumo de recursos naturais esgotáveis versus renováveis, e potencial para

biodegradabilidade, imprescindíveis ao projeto de produtos ditos sustentáveis

(ORTEGA et al., 2010; FONSECA, 2005; LIU et al., 2006).

No que concerne às fibras naturais, muitos são os refugos celulósicos industriais

existentes que recebem destinação primária (adubo, ração, combustível), e cujo

volume produzido atenderia às necessidades de industrialização em larga escala. A

aplicação de NFRC se estende às indústrias da construção, moveleira, embalagem,

automobilística, dentre outras, todas se beneficiando da versatilidade dos polímeros

para produção em larga escala. Na construção civil são empregadas em

revestimentos, forros, divisórias, argamassas e cimentos reforçados, isolantes

4

acústicos, e formas para concretagem de lajes, enquanto na indústria

automobilística é utilizada em painéis e forrações internos. Embora as propriedades

de biodegradabilidade e inflamabilidade possam ser vistas como desvantagens nas

aplicações mencionadas, são elas que permitem o planejamento de um descarte

mais sustentável dos resíduos sólidos (KAUFMANN et al., 2006; COX; YANG, 2006;

WU; JIANG; LIU, 2010; SINGH; GUPTA, 2005; DALMAY et al., 2010; ALVES et al.,

2010; HARMIA; HARTIKAINEN; LINDNER, 2005; ACITAL, 2010).

Devido à diferença de polaridade, principalmente entre as poliolefinas e as fibras

celulósicas, as pesquisas buscam aprimorar a interação polímero/carga através do

tratamento químico ou físico das fibras, com a adição de substâncias químicas

reativas - anidrido maleico e silano, dentre outras - denominadas de agente de

compatibilização, que podem interagir ou reagir quimicamente com ambos os

componentes. Outro método seria o tratamento físico-superficial em polímeros –

descarga elétrica - e modificações químicas nas fibras celulósicas - deslignificação,

acetilação e mercerização – que promovem o aumento da área superficial de

contato e por conseqüência a adesão entre os componentes (PINTO, 2007;

FÁVARO et al., 2010; YOUSSEF, et al., 2009; BONELII et al., 2005; FONSECA,

2005; GWON et al., 2010; ACHA; MARCOVICH; REBOREDO, 2009; BISMARCK et

al., 2001).

Por suas propriedades mecânicas superiores, a matriz polimérica termorrígida tem

sido muito empregada no universo dos NFRC. As resinas fenólica, melamínica e

epoxídica, curáveis em um segundo ciclo de manufatura, são os exemplos mais

comuns de matrizes termorrígidas com emprego na construção civil.

Tendo como atrativos o baixo custo e a produção em larga escala, as poliolefinas

têm surgido com alguma freqüência como polímero-base de compósitos

direcionados a materiais de construção. Polietileno (PE), polietileno maleatado

(MAPE), carboxilado (CAPE), silanizado (PEX), e polipropileno (PP) são utilizados

na elaboração de NFRC com propriedades mecânicas adequadas à confecção de

revestimentos, pisos, tubulações, acabamentos para móveis e alvenaria (LEI et al.,

2007).

5

Um compósito tradicional e de larga aplicação é conhecido pela sigla MDF - medium

density fiberboard -, que é constituído de fibra de madeira de densidade média,

aglutinada com resina uréia-formol, usualmente manufaturado em placas. Há cerca

de 40 anos nos EUA e Europa, e 15 anos no Brasil, é o material mais usado na

confecção de móveis e de algumas peças estruturais, em substituição ao tradicional

painel de compensado ou aglomerado de madeira. Mais recentemente, foram

elaborados compósitos de termoplásticos reciclados e refugos celulósicos, dando

origem à madeira plástica, cuja principal aplicação tem sido dormentes de ferrovias e

mobiliário (HILLIG et al., 2008; ABIPA, 2010).

Foi encontrada uma linha de utensílios domésticos à base de polipropileno/lignina e

de amido/fibra de côco, com o apelo de serem ambientalmente corretos,

biodegradáveis e sustentáveis. Contém em sua composição subprodutos da

polpação da indústria da celulose, amido de batata e cascas de côco, e são

comercializados pela empresa Coza (2010).

2.2 COMPÓSITOS POLIMÉRICOS REFORÇADOS COM FIBRA VEGETAL

Em comum tais fibras têm a base celulósica, apresentando estruturas organizadas

na forma de cilindros, com fibras paralelinérveas na seção longitudinal e minúsculas

estruturas semelhantes aos estômatos – encontrados nas folhas das plantas.

Porém, como mostram as fotomicrografias da Figura 1, tais estruturas diferem muito

de uma planta para outra.

Percebe-se alguma semelhança entre a forma da estrutura da balsa (a) e do bambu

(b), e também entre a mamona (c) e a embaúba (d), mas todas diferem entre si em

tamanho, variedade e concentração dos alvéolos (MARINELLI et al., 2008).

Também o teor de lignina de cada planta varia, e com ele as propriedades

mecânicas e de interface que estas fibras apresentarão em seu processamento e no

compósito.

6

Os primeiros NFRC agregavam fibras de polpa celulósica em sua composição tanto

na forma de forma de folhas impregnadas quanto na de carga dispersa na matriz

polimérica. Uma segunda geração de compósitos passou a se valer das

propriedades mecânicas superiores de fibras minerais como vidro, carbono e

poliamida aromática (Aramid).

(a) (b)

(c) (d)

Figura 1. Fotomicrografias obtidas por SEM da seção transversal das fibras de a) balsa; b) bambu; c) mamona; e d) embaúba (MARINELLI et al., 2008)

A Tabela 1 apresenta um comparativo entre algumas propriedades de fibras naturais

e sintéticas. Quanto à densidade, é notavelmente mais densa a fibra de vidro em

relação às demais. Conforme esperado, todas mostram valores de alongamento

baixos. Os valores de tensão na ruptura e módulo de Young são mais elevados para

as fibras sintéticas.

A seguir serão apresentados os tipos de compósitos poliméricos contendo fibra

vegetal, segundo o tipo de fibra empregada. Aspectos relacionados a propriedades e

7

morfologia são levados em consideração, independente do tipo de polímero utilizado

como matriz.

Tabela 1. Valores de densidade e propriedades mecânicas de fibras naturais e sintéticas utilizadas como reforço em compósitos (MARINELLI et al., 2008)

Fibra

Natural Sintética Densidade

(g/cm³) Alongamento

(%) Tensão na

ruptura (MPa) Modulo de

Young (GPa) Algodão 1,5-1,6 7,0-8,0 287-597 5,5-12,6

Carbono 1,4 1,4-1,8 4000 230,0-240,0 Côco 1,2 3,0 175 4,0-6,0

Curauá 1,4 4,2 890-4.200 50,4 Juta 1,3 1,5-1,8 393-773 26,5 Linho 1,5 2,7-3,2 345-1035 27,6

Poliamida aromática

1,4 3,3-3,7 3000-3150 63,0-67,0

Rami - 3,6-3,8 400-938 61,4-128 Sisal 1,5 2,0-2,5 5511-635 9,4-22

Vidro-E 2,5 2,5 2000-3500 70,0 Vidro-S 2,5 2,8 4750 86,0

2.2.1 Compósitos poliméricos com fibras de madeira/celulose

Nesta seção serão analisados resultados de artigos referentes a Wood-Plastic

Composites (WPC) com diversos tipos de fibras celulósicas oriundas da madeira,

MDF, bagaço de cana e celulose de papel.

Um dos tipos mais conhecidos de compósitos poliméricos carregados com fibras de

madeira são aqueles destinados à fabricação de painéis do tipo MDF. Segundo a

ABIPA (2010) “o MDF é um painel de madeira reconstituída (...) é a sigla para

Medium Density Fiberboard ou Painel de Fibras de Média Densidade. As fibras de

madeira são aglutinadas e compactadas entre si com resina sintética através da

ação conjunta de pressão e calor em prensa contínua de última geração. O MDF é

um painel industrial homogêneo, com excelente estabilidade dimensional, de

superfície uniforme, lisa e de alta densidade”. A resina aglutinante utilizada costuma

ser a ureica e o material permite usinagem tanto nas faces quanto nas bordas. Ele

substitui em muitas aplicações a madeira compensada e aglomerada, em especial

na indústria moveleira. Sua versatilidade e desempenho mecânico colocam este

material à frente de soluções convencionais em madeira, porém sua baixa

resistência à umidade é um fator limitante para seu uso (DURATEX, 2010).

8

Em um trabalho sobre avaliação do desempenho mecânico em função da utilização

de agentes de compatibilização, Redighieri e Costa (2006) realizaram ensaios com

compósitos poliméricos de partículas de madeira de eucalipto e polietileno de baixa

densidade (LDPE), reciclado, associados com dois diferentes tipos de

compatibilizantes – lignina e polietileno graftizado com anidrido maleico (PE-g-MA).

Os resultados foram comparados com os do compósito feito com partículas sem

tratamento, e são apresentados na Tabela 2 e na Figura 2. Foi observado que a

resistência à tração diminuiu com o aumento do teor das partículas de madeira - o

que era esperado em função do aumento da rigidez do material. Nos compósitos

com partículas não tratadas observou-se uma variação de comportamento na

resistência à tração quando comparados com os resultados daquelas com agente de

compatibilização. Para todos os compósitos, não houve variação significativa nos

valores em função da presença dos diferentes teores de lignina. Hillig e

colaboradores (2008) chegaram a conclusões similares em seu estudo sobre

compósitos de HDPE e diferentes tipos de serragem compatibilizados com PE-g-MA.

Tabela 2. Propriedades mecânicas sob tração dos compósitos (REDIGHIERI;

COSTA, 2006)

Resistência à Tração (MPa) Partículas de madeira tratadas com agente compatibilizante Amostra 0% 5% Lignina 10% Lignina 5% PE-g-MA 10% PE-g-MA

40/60 11,2 ±1,45 11,15 ±1,71 10,95 ±1,92 18,58 ±1,38 18,95 ±2,68 50/50 9,02 ±1,31 11,81 ±1,72 10,62 ±1,12 18,10 ±1,40 23,68 ±4,40 60/40 10,48 ±1,97 6,47 ±1,82 7,99 ±1,31 15,61 ±2,58 15,96 ±3,32

Quando utilizado o PE-g-MA como compatibilizante, ocorreu um aumento de cerca

de 68% nos valores obtidos em todos os compósitos, atribuído à maior afinidade

entre a matriz polimérica e o PE-g-MA, e da estrutura química deste aditivo.

Conclusões semelhantes obtiveram Gwon e colaboradores (2010), quando

compararam compósitos de PP virgem e fibra de madeira não-tratada e tratada com

NaOH, e compatibilizados com trietoxivinilsilano (TEVS), onde observaram um

aumento na resistência à tração de cerca de 50%. Em adição, Mulinari e

colaboradores (2009), quando compatibilizando compósitos de HDPE e celulose

com oxicloreto de zircônio, chegaram a este mesmo incremento de 50% resistência

à tração.

9

Também Correa e colaboradores (2003) pesquisaram a compatibilização de

polipropileno virgem e dois diferentes tipos de serragem com um copolímero de

polipropileno graftizado com anidrido maleico (PP-g-MA). Os ensaios de tração,

cujos resultados se apresentam na Tabela 3, demonstram a ocorrência de um

aumento da rigidez e da resistência mecânica nos compósitos compatibilizados com

PP-g-MA, e denotam o aprimoramento da resistência à tração nos dois compósitos –

provável resultado de ancoramento mecânico ou interações químicas entre os

grupos anidrido e as hidroxilas presentes na interface polímero/carga.

Redighieri e Costa (2006) constataram também que o PE-g-MA aprimorou a adesão

polímero/carga dos compósitos de WPC estudados, e que a variação na

concentração de ambos os agentes de compatibilização – lignina e PE-g-MA - não

influenciou significativamente os valores de resistência à tração. Já Gwon e

colaboradores (2010), que utilizaram não apenas TEVS, mas também 3-

aminopropiltrietoxisilano (APTES) e cloreto de benzoíla (BC) como agentes de

compatibilização, apesar de terem empregado a mesma concentração para todos os

agentes, também obtiveram pouca variação (cerca de 4%) entre os resultados de

resistência à tração dos compósitos aditivados, se comparados ao compósito sem

tratamento algum (Figura 3).

Figura 2. Resistência à tração dos compósitos em função do teor de partículas de

madeira (REDIGHIERI; COSTA, 2006).

10

As curvas calorimétricas dos compósitos estudados por Correa e colaboradores

(2003) indicaram que a presença da serragem não acarretou alteração significativa

na temperatura de fusão do PP (Figura 4), mas trouxe a redução do grau de

cristalinidade (Xc) em cerca de 50%. E a estabilidade térmica dos compósitos que

utilizaram a serragem WWF-C mostrou-se inferior à dos compósitos com a carga

WWF-A – também atribuído ao maior teor de finos do tipo de serragem WWF-C.

Figura 3 – Resistência à tração em função do agente de compatibilização (GWON et al., 2010)

Tabela 3. Propriedades de tração em função do compatibilizante PP-g-MA (CORREA et al., 2003).

Propriedade 70 PP/ 30 WWF-A

60 PP/ 10 PP-g-MA/ 30 WWF-A

70 PP/ 30 WWF-C

60 PP/ 10 PP-g-MA/ 30 WWF-C

Tensão de escoamento (MPa) 30,3 ± 0,3 35,2 ± 0,4 32,7 ± 0,9 33,5 ± 0,3 Deformação no escoamento (%) 5,8 ± 0,2 5,1 ± 0,2 5,9 ± 0,3 5,1 ± 0,2 Módulo (GPa) 2,6 ± 0,2 2,9 ± 0,1 2,6 ± 0,2 2,7 ± 0,1 Tensão na Ruptura (MPa) 24,6 ± 1,9 29,5 ± 0,9 25,7 ± 1,0 28,3 ± 1,6 Deformação na ruptura (%) 8,0 ± 0,5 6,3 ± 0,9 9,4 ± 0,7 6,5 ± 0,2

Por outro lado, Lei e colaboradores (2007), quando estudando compósitos de HDPE

reciclado (HDPE-r) e bagaço de cana, perceberam que o Xc do HDPE-r aumentou, o

11

que foi atribuído à capacidade de nucleação das fibras do bagaço. Também foi

observado por este grupo que, ao adicionar-se diferentes agentes de

compatibilização nestes compósitos, ocorreu uma diminuição do Xc dos mesmos.

Yang e colaboradores (2005) corroboram o que foi encontrado por Lei e seu grupo,

no tocante ao aumento do Xc do HDPE em função da ação de nucleação das fibras

de madeira.

Figura 4. Curvas de DSC dos compósitos (a) PP-g-MA, (b) 70 PP/30 WWF-A, (c) 60 PP/10 PP-g-MA/30 WWF-A, (d) 70 PP/30 WWF-C; (e) 60 PP/10 PP-g-MA/

30 WWF-C (CORREA et al., 2003).

As fotomicrografias dos compósitos com e sem o agente de compatibilização,

mostraram nitidamente a influência deste último no aprimoramento da adesão entre

a matriz polimérica e a fase dispersa celulósica. A alteração da molhabilidade das

fibras pelo polímero em presença do PP-g-MA é evidenciado pela imagem da seção

fraturada dos compósitos, ilustrados na Figura 5.

O universo da pesquisa de WPC não se restringe ao uso exclusivo de poliolefinas.

Xu e colaboradores (2004) experimentaram compatibilizar compósitos de polietileno

(PE), poliestireno (PS), copolímero de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) e

12

copolímero de estireno-acrilonitrila (SAN) carregados com dois diferentes tipos de

fibra de madeira, utilizando peróxido de dicumila e resina de isocianato.

Por fim, Monteiro e colaboradores (1998) realizaram compósitos de poliéster e

bagaço de cana em busca de um material reforçado com fibras de baixo custo.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 5. Fotomicrografias de SEM dos compósitos 70PP/30 WWF-A (a),

60PP/10PP-g-MA/30 WWF-A (b), 70PP/30 WWF-C (c) e 60 PP/10PP-g-MA/30 WWF-C (d) (CORREA et al., 2003).

2.2.2 Compósitos poliméricos do tipo madeira plástica

Com o intuito de aumentar o ciclo de vida dos plásticos após seu consumo, e

minimizar os problemas ambientais inerentes ao seu descarte, foram desenvolvidos

compósitos chamados de madeira plástica. Em geral, apresentam densidade maior

do que a da madeira, têm impermeabilidade e resistência ao mofo e cupins, e são

compostos por uma mistura de polímeros termoplásticos reciclados associados a

refugos de madeira ou celulose (MARTINS; SUAREZ; MANO, 1999).

13

Em compósitos deste tipo pode-se agregar fibras naturais como serragem, fibra de

côco e bagaço de cana, além outros aditivos que lhe confiram propriedades

específicas. Deles se pode industrializar tábuas, blocos, formas para concreto,

moirões para cercas, bancos de jardim (Figura 6a), rodapés, portais, parapeitos de

janela, decks marinhos (Figura 6b), blocos para separação de trânsito, meios-fios,

entre outros (ECOBLOCK, 2010).

(a) (b)

Figura 6. Aplicações de madeira plástica em móveis (a) e em deck (b) (ECOBLOCK,

2010)

Cui e colaboradores (2010) pesquisaram compósitos feitos a partir de HDPE pós-

consumo reciclado e rejeitos de serragem de madeira, no intuito de desenvolver um

material com aplicação estrutural. Diferentes proporções de polipropileno maleatado

(MAPP) foram utilizadas, também variando o comprimento e a proporção das fibras

de madeira nos compósitos. Corpos de prova foram caracterizados por calorimetria

diferencial de varredura (DSC) e microscopia eletrônica de varredura (SEM), e

ensaiados à flexão e ao impacto. Os resultados da análise calorimétrica estão

apresentados na Tabela 4.

Percebe-se que não houve alteração significativa nos valores da Tonset com o

aumento do teor de carga nos compósitos, porém a Tm foi alçada para valores

ligeiramente superiores. Tal comportamento foi atribuído à restrição da mobilidade

de fluxo das moléculas do HDPE reciclado, em presença das fibras de madeira, no

processo de fusão cristalina.

14

Tabela 4. Resultados da calorimetria de varredura diferencial dos materiais (CUI et al., 2010).

Tonset (ºC) Tm (ºC) Entalpia (J/g) HDPE reciclado 121,08 134,45 178,95 10% serragem 123,54 139,09 150,13 20% serragem 120,45 138,77 132,30 35% serragem 122,24 138,35 109,95 50% serragem 122,88 138,46 80,17 Tonset: temperatura inicial de fusão cristalina, Tm: temperatura de fusão cristalina no máximo do pico.

Quanto aos ensaios à flexão, foi avaliado inicialmente o valor da tensão em função

do teor e do comprimento das fibras dos compósitos (Figura 7). Percebe-se que as

fibras mais curtas resultam em maior resistência à flexão, comportamento associado

ao fato de que em fibras menores a área superficial de contato com a matriz

polimérica é maior.

Figura 7. Resistência à flexão em função do teor de fibras (CUI et al., 2010). O incremento do teor de carga também aumentou a resistência à flexão, porém

parece haver uma tendência à estabilidade a partir da adição e 35% de fibras. Já o

efeito da adição de diferentes proporções de agente de compatibilização para uma

mesma composição de fibras e polímero mostrou haver um percentual ideal, a partir

do qual não ocorre mais o aumento da resistência à flexão (Figura 8).

15

Figura 8. Resistência à flexão em função do teor de compatibilizante (CUI et al., 2010).

O ensaio de resistência ao impacto foi realizado também em função do teor e do

comprimento das fibras dos compósitos (Figura 9). O valor da tensão decresceu em

função do aumento do teor de fibras, sendo que os compósitos de fibras mais curtas

apresentaram melhores resultados que os demais.

Figura 9. Resistência ao impacto em função do teor de fibras (CUI et al., 2010).

16

Proporcionalmente, a resistência ao impacto decaiu para todas as concentrações de

carga avaliadas. Estes resultados são provável conseqüência da concentração de

tensões provocada pela presença das fibras, que agem como entalhes e induzem a

formação de fissuras na matriz polimérica. Também a interação entre fibras vizinhas

parece estrangular o fluxo dos esforços na matriz, originando o enrijecimento do

material. Cruz-Estrada e colaboradores (2010) chegaram a conclusões semelhantes,

quando estudaram compósitos elaborados a partir de resíduos sólidos urbanos

(madeira e HDPE reciclados). Foi constatado que ocorreu a diminuição da

resistência ao impacto conforme se aumentou o teor de carga destes, que o autor

atribuiu ao fato de que o aumento do teor de carga implica diretamente na redução

do teor de polímero - que é o material que melhor absorve os esforços de impacto

no compósito.

Na análise das fotomicrografias da seção fraturada dos compósitos (Figura 10),

pode-se observar que naquele com 20% de teor de carga as fibras foram

completamente envolvidas pelo HDPE. Já no compósito com 50% de serragem, este

recobrimento completo da superfície das fibras não ocorre, gerando uma

descontinuidade na interação interfacial polímero/carga – à qual foi atribuído o

aprimoramento da resistência ao impacto.

2.2.3 Compósitos poliméricos reforçados com juta

A juta é uma fibra vegetal originária da Índia, Egito, Guiana, Jamaica, Ghana,

Malauí, Sudão e Tanzânia. Atualmente os maiores produtores mundiais desta fibra

são Índia, China e Bangladesh, com uma produção mundial de cerca de 2,5 milhões

de toneladas. Apresenta uma densidade de 1,3 g/cm³, resistência à tração de 393 a

773 MPa, módulo de Young de 26,5 GPa e alongamento de 1,5 a 1,8% (TAJ;

MUNAWAR; KHAN, 2007). Com seu grande volume de produção e propriedades

mecânicas interessantes, atrai diversas pesquisas relacionadas a NFRCs.

Num estudo sobre confecção por pultrusão de perfis de tecido de juta impregnado

com resina fenólica para fabricação de aduelas (batentes) de portas, Singh e Gupta

(2005) apuraram que este compósito apresentou estabilidade dimensional e

propriedades mecânicas adequadas ao uso proposto, sob diversas condições de

17

envelhecimento (Figura 11). O propósito deste material é substituir as tradicionais

aduelas de madeira por um material mais sustentável.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 10. Fotomicrografias de SEM dos compósitos: 20% (a) e 50% (b) de fibras de

225 μm; e com fibras de 75 μm (c) e 450 μm (d) (CUI et al., 2010).

Em uma pesquisa sobre a viabilidade do uso da lignina como agente de

compatibilização em compósito de tecido de fibra de juta e polipropileno, Acha e

colaboradores (2009) descobriram que a lignina atua como β-nucleante, retardante

de chama e como tenacificador da matriz polimérica. Reportou-se que o compósito,

quando queimado, apresentou a formação de resíduo, o que indica que houve

alguma formação de coque no processo. De acordo com o autor, a capacidade de

formar coque durante a degradação térmica é característica de aditivos retardantes

de chama, uma vez que a presença do coque reduz a taxa de combustão do

18

material polimérico por não permitir que o oxigênio alcance a zona de combustão

facilmente.

Figura 11. Amostras de compósito de juta e resina fenólica em envelhecimento (SINGH; GUPTA, 2005)

2.2.4 Compósitos poliméricos reforçados com fibra de côco

O côco é uma fibra vegetal originária da Índia, Sri Lanka, Filipinas e Malásia.

Apresenta uma produção mundial de cerca de 100 mil toneladas. Possui uma

densidade de 1,2 g/cm³, resistência à tração de 175 MPa, módulo de Young de 4 a 6

GPa e alongamento de 30% (TAJ; MUNAWAR; KHAN, 2007).

Estudos de compósitos poliméricos com fibra de côco vêm sendo desenvolvidos no

Brasil, tanto no meio acadêmico quanto na iniciativa privada, para encontrar uma

destinação sustentável aos resíduos da exploração comercial do côco verde. A

confecção de telhas ecológicas é um exemplo disso.

Existem duas soluções de telhas ecológicas em fibras de côco impermeabilizadas.

Uma delas propõe a mistura de fibras de côco com resina ureica e tanino (Figura

13), revestida com impermeabilizante vegetal obtido a partir do óleo de mamona. A

19

outra (Figura 12) acompanha a solução tradicional de prensagem de fibras e

revestimento com betume asfáltico (WIEDMAN, 2002; TECOLIT, 2010). Estas

soluções buscam as propriedades mecânicas da telha ondulada convencional de

cimento-amianto, e utilizam suas dimensões e sistema de fixação no intuito de virem

a substituí-las no mercado.

Figura 12. Telhado em telha com fibra de côco e betume asfáltico (TECOLIT, 2010) Cabe aqui ressaltar uma peculiaridade: há no mercado brasileiro vários tipos de

telhas ditas ecológicas, uma vez que algumas delas se intitulam de tal maneira

apenas por não conterem amianto em sua composição. A maior parte delas, no

entanto, é feita de cimento reforçado com fibra sintética (CRFS) ou resultante da

prensagem de fibras celulósicas misturadas a algum ligante e impermeabilizadas

com betume asfáltico (ONDULINE, 2010), e não necessariamente elaboradas com

NFRCs.

Figura 13. Telha de fibra de côco, resina ureica, tanino e impermeabilizante vegetal

(WIEDMAN, 2002)

20

Islam e colaboradores (2009) investigaram as propriedades de compósitos de PP e

fibras de côco sem tratamento e tratadas com perclorato de sódio e 2,4-dinitrofenil

hidrazina (DNPH). Foi observado que o desempenho mecânico das fibras de côco

quimicamente tratadas foi superior ao das fibras não tratadas. A exemplo de outros

NFRCs, a resistência à tração reduziu conforme o teor de carga foi aumentado,

sendo que a fibra tratada apresentou valor superior ao da fibra sem tratamento.

Também a adesão da fibra tratada à matriz polimérica foi superior (Figura 14), e a

absorção de água menor do que nos compósitos com fibras sem tratamento.

(a) (b)

Figura 14. Fotomicrografia de SEM de compósitos com fibra sem tratamento (a) e tratadas com DNPH (b) (ISLAM; HAQUE; HUQUE, 2009)

2.2.5 Outras fontes de fibras para NFRC

De acordo com Taj e colaboradores (2007), a produção de fibras naturais no mundo

equivalia a 25 milhões de toneladas, sendo que a Índia respondia por 6 milhões

(24%) desse volume produzido. E muitas são as oportunidades de empregar fibras

celulósicas provenientes de rejeitos da cadeia produtiva de alimentos e matérias-

primas para a indústria em geral, como casca de arroz, linho, cânhamo, sisal, rami,

banana, palmeira e algodão, dentre outros.

Bachtiar e colaboradores (2010) estudaram as propriedades das fibras de palmeira

(Arenga pinnata), e registraram que ela apresenta em média um módulo de Young

de 3,68 GPa, resistência à tração de 190,29 MPa e alongamento na ruptura

equivalente a 19,6%, valores que a tornam adequada como carga reforçadora de

materiais compósitos.

21

(a) (b)

Figura 15. Feixes de fibras (a) e fotomicrografia de SEM (b) de palmeira (BACHTIAR

et al., 2009)

Bonelli et al. (2005), em busca de explorar recursos naturais brasileiros disponíveis,

estudaram compósitos de HDPE reciclado e fibras de piaçava não-tratadas e

silanizadas. Marinelli et al. (2008), numa abordagem similar, pesquisaram

possibilidades de exploração sustentável para fibras amazônicas em NFRCs, como

balsa, embaúba, bambu e mamona, associadas a matrizes de poliolefinas e PVC

reciclados.

Ainda na vertente de elaborar-se materiais de valor agregado a partir resíduos

sólidos urbanos, Amigó e colaboradores (2010) fizeram estudos com HDPE

reciclado e refugos industriais de cânhamo e algodão como carga reforçadora,

compatibilizados com anidrido maleico. E Fávaro e colaboradores (2010), no intuito

de dar destinação industrial a um refugo celulósico disponível em abundância – a

casca de arroz -, elaboraram compósitos com HDPE reciclado e fibras de cascas de

arroz, sem tratamento e acetiladas. Os resultados de ambos assemelharam-se aos

já consagrados pela literatura de NFRCs – aumento do módulo, diminuição da

resistência à tração com o aumento da carga de fibra, melhora na adesão pela

presença do agente de compatibilização/tratamento químico da fibra.

Por fim, verificou-se a existência de artigos referentes a compósitos mistos, que

utilizam fibras naturais e fibras sintéticas associadas, como reforço de matrizes

poliméricas. Thwe e Liao (2000) estudaram as propriedades de compósitos de PP

reforçados com fibras curtas de bambu e de vidro compatibilizados com MAPP. O

22

objetivo era obter materiais compósitos de baixo custo, pouco peso, durabilidade

aprimorada, com força e rigidez suficientes para servir como material de construção.

E Dieu e colaboradores (2004), buscando reduzir o custo de materiais poliméricos

reforçados com fibra de vidro, pesquisaram compósitos baseados em PP reforçados

com juta e fibra de vidro e compatibilizados com MAPP, concluindo que o agente de

acoplamento aumentou a adesão do polímero às cargas, aprimorando as

propriedades de resistência à tração e à flexão em 55% e 190% respectivamente.

3 CONSIDERAÇÕES FINAIS

No levantamento bibliográfico realizado, foi encontrado nos estudos de WPCs que, a

depender da estrutura química do polímero-base e das características das fibras

empregadas, ocorrem alterações no grau de cristalinidade do polímero para menos

(PP) ou para mais (PE). Também foi consolidada a melhoria do desempenho

mecânico – aumento do módulo e da resistência à tração - de compósitos nos quais

as fibras sofreram tratamento prévio, e/ou foi utilizado algum agente de

compatibilização para aprimorar a adesão polímero-carga. E parece não haver

limitação no tocante ao tipo, granulometria e comprimento de fibras a serem

empregadas em NFRCs, especialmente quando se considera que são matéria-prima

abundante e de fonte renovável. E muitos foram os autores que consideraram o uso

de compósitos reforçados com fibras naturais como materiais de construção - telhas,

painéis, aduelas, concreto, argamassas, tijolos estruturais, dentre outros

(MOHAMED; GHORBEL; WARDEH, 2010; WU; JIANG; LIU, 2010; QI, WEISS;

OLEK, 2003)

O emprego de matrizes plásticas não reticuladas - recicláveis e menos agressivas ao

meio ambiente – é de maior interesse neste momento. Particularmente, as matrizes

poliolefínicas atendem a esse perfil, abrangendo ainda as questões de menor custo

e maior volume de fabricação, e assim têm sido amplamente utilizadas em estudos

que visam à obtenção de compósitos ambientalmente corretos.

Porém, conforme colocado por Horvath (2004), atividades e processos relacionados

à construção civil estão entre os que mais consomem materiais e energia, e são

23

poluidores em escala global. Partindo deste princípio, é colocado que a criação de

materiais ambientalmente menos agressivos não começa na planta industrial, mas

sim na produção e prospecção de matérias-primas, e na concepção de materiais e

processos que contemplem em sua gênese a questão da finitude do planeta e de

seus recursos naturais (VEIGA, 2010a; VEIGA, 2010b; ALVES et al., 2010).

A despeito dos desafios a serem vencidos, o desenvolvimento de materiais de

construção a partir de rejeitos provenientes de RSU e/ou da indústria é uma

alternativa interessante tanto do ponto de vista econômico quanto do ambiental.

Vantagens como a fabricação mais limpa, eliminando a etapa de prospecção de

matérias-primas do meio-ambiente, consumindo menos energia, gerando menos

efluentes – ou efluentes menos poluentes -, o uso de matérias-primas de fonte

renovável, a possibilidade de reciclagem química, o aprimoramento das qualidades

mecânicas, e a substituição de materiais existentes com qualidade e durabilidade

semelhantes, com o tempo colocarão estes materiais alternativos em condições de

competir com os materiais convencionais no mercado.

24

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