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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMPÓSITO
DE LÁTEX (BORRACHA NATURAL) E FIBRA DE CARNAÚBA
LUIZA MARIA PINHEIRO DOS SANTOS
NATAL/RN
NOVEMBRO/2015
UFRN / Biblioteca Central Zila Mamede
Catalogação da Publicação na Fonte
Santos, Luiza Maria Pinheiro dos.
Desenvolvimento e caracterização de biocompósito de látex (borracha
natural) e fibra de carnaúba / Luiza Maria Pinheiro dos Santos. – Natal,
RN, 2015.
60 f. : il.
Orientador: Dr. José Ubiragi de Lima Mendes.
Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio Grande do
Norte. Centro de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica.
1. Isolamento térmico – Dissertação. 2. Látex – Dissertação. 3.
Carnaúba – Dissertação. 4. Biocompósito – Dissertação. I. Mendes, José
Ubiragi de Lima. II. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. III.
Título.
RN/UF/BCZM CDU 66.045.3
LUIZA MARIA PINHEIRO DOS SANTOS
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMPÓSITO
DE LÁTEX (BORRACHA NATURAL) E FIBRA DE CARNAÚBA
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM/ CT/ UFRN), como parte dos requisitos necessário à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes
NATAL/RN
NOVEMBRO/2015
DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE BIOCOMPÓSITO
DE LÁTEX (BORRACHA NATURAL) E FIBRA DE CARNAÚBA
Luiza Maria Pinheiro dos Santos
Orientador: Prof. Dr. José Ubiragi de Lima Mendes
Dissertação de mestrado defendida em 24 de novembro de 2015.
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. José Ubiragi De Lima Mendes
Presidente da comissão
Prof. Dr. Luiz Cláudio Ferreira da Silva
Examinador interno
Prof. Dr. Natanaeyfle Randemberg Gomes dos Santos
Examinador externo
RESUMO
O desenvolvimento de materiais compósitos abrange as mais diversas áreas
de aplicação. Dentre os compósitos, têm-se, especialmente, os materiais de origem
orgânica, que possuem maior potencial de biodegrabilidade e por isso têm
apresentado relevância e destaque no cenário contemporâneo de preservação
ambiental e desenvolvimento sustentável. Seguindo essa perspectiva de apelo
ecológico, foi desenvolvido um biocompósito com insumos naturais tipicamente
brasileiros. Esse compósito foi fabricado com látex (borracha natural) e fibra de
carnaúba, em diferentes proporções mássicas. As formulações variaram em 5%,
10%, 15% e 20% de fibra em relação à matriz. Esse material foi concebido visando
aplicação em sistemas de isolamento térmico, que requeiram proteção térmica de
superfícies e/ou redução de perda de energia térmica. Para tanto, o compósito foi
caracterizado através de ensaios térmicos de condutividade, calor específico,
difusividade e termogravimetria. Assim como, também foi caracterizado quanto aos
seus aspectos físico-mecânicos, através de ensaios de densidade, teor de umidade,
resistência à tração, dureza e análise por microscopia eletrônica de varredura
(MEV). A caracterização do material revelou que o compósito apresenta potencial de
isolamento térmico superior ao da borracha natural, que foi utilizada como
referência. E a formulação a 15% de fibra em relação a matriz foi a que apresentou
melhor desempenho. Dessa forma, o material compósito em questão apresenta-se
como alternativa viável e eficaz de concepção de novo material isolante térmico.
Palavras-chave: látex, carnaúba, biocompósito, isolamento térmico.
ABSTRACT
The development of composite materials encompasses many different
application areas. Among the composites, it is had, especially, the materials of
organic origin, which have the greatest potential for biodegradability and so, have
been bringing relevance and prominence in the contemporary setting of
environmental preservation and sustainable development. Following this perspective
of ecological appeal, it was developed a biocomposite material with natural inputs
typically brazilian. This composite was made from latex (natural rubber) and
carnauba fiber in different mass proportions. Formulations had varied by 5%, 10%,
15% and 20% of fiber in relation the matrix. This material has been designed aiming
at application in thermal insulation systems, which requirethermal protection surfaces
and/or reduction of thermal energy loss. Therefore, the composite was characterized
by thermal conductivity testing, specific heat, thermal diffusivity and
thermogravimetry. As has also been characterized for their physical-mechanical, by
testing density, moisture content, tensile strength, hardness and scanning electron
microscopy (SEM). The characterization of the material revealed that the composite
presents a potential of thermal insulation higher than the natural rubber, that was
used as reference. And the formulation at 15% fiber in relation the matrix showed the
best performance. Thus, the composite material in question presents itself as a viable
and effective alternative for new thermal insulation material design.
Keywords: latex, carnauba, biocomposite, thermal insulation.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que contribuíram para a realização desta dissertação.
Agradeço ao meu professor orientador, por toda paciência e atenção no
desenvolvimento deste trabalho.
Agradeço aos colegas do Laboratório de Mecânica dos Fluidos, pelo apoio
técnico-científico, no decorrer desta jornada.
Agradeço aos amigos, que me incentivaram e contribuíram para esta vitória.
Agradeço aos meus familiares pelo amparo sentimental. Em especial,
agradeço a minha mãe, pelo apoio incessável e dedicação incansável à minha
formação. Ela é o maior exemplo de perseverança na busca do conhecimento e é a
melhor professora da escola da vida.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Classificação dos materiais compósitos ..................................................... 4 Figura 2 – Ciclo ideal de polímeros biodegradáveis .................................................... 6 Figura 3 – Quadro de dados de algumas fibras lignocelulósicas e suas origens ........ 8 Figura 4 – Microestrutura da borracha natural .......................................................... 10
Figura 5 – Extração de látex...................................................................................... 11 Figura 6 – Processo genérico de produção da borracha sintética ............................. 14 Figura 7 – Quadro de informações com alguns compósitos de borracha ................. 16 Figura 8 – Carnaubal ................................................................................................. 17 Figura 9 – Artesanato com palha de carnaúba ......................................................... 19
Figura 10 – Telhado de palha de carnaúba ............................................................... 20 Figura 11 – Papéis de fibra de carnaúba .................................................................. 21
Figura 12 – Revestimento de dutos ........................................................................... 22 Figura 13 – Classificação dos materiais isolantes mais utilizados ............................ 24 Figura 14 – Processo de obtenção da fibra de carnaúba .......................................... 28 Figura 15 – Etapa inicial do processo de fabricação dos compósitos ....................... 29
Figura 16 – Placas de borracha natural e do compósito em diferentes formulações 31 Figura 17 − Densímetro Gehaka, modelo DSL 910 .................................................. 32 Figura 18 − Determinador de umidade ID200 Marte ................................................. 32
Figura 19 − Máquina universal Shimadzu ................................................................. 33 Figura 20 – Durômetro (Máquina de Ensaio de Dureza) Kori ................................... 33
Figura 21 – Microscópio Hitachi TM3000 .................................................................. 34 Figura 22 – Relação de dados relativos à condutividade térmica ............................. 38 Figura 23 – Relação de dados relativos ao calor específico ..................................... 39
Figura 24 – Relação de dados relativos à difusividade térmica................................. 40 Figura 25 – Relação de valores calculados para difusividade térmica ...................... 41
Figura 26 – Curvas termogravimétricas .................................................................... 41 Figura 27 – Curvas de termogravimetria derivada .................................................... 42
Figura 28 – Superfície da palha da carnaúba ........................................................... 45 Figura 29 – Superfície do filme de látex/borracha natural ......................................... 46
Figura 30 – BN+FC5(a), BN+FC10(b), BN+FC15(c) e BN+FC20(d) ......................... 46 Figura 31 – Interface fibra/matriz BN+FC20 .............................................................. 48
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 1 1.1. OBJETIVOS ................................................................................................... 2 1.1.1. Objetivo geral ................................................................................................. 2 1.1.2. Objetivos específicos ...................................................................................... 3
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................... 4 2.1. MATERIAIS COMPÓSITOS ........................................................................... 4 2.1.1. Biocompósitos ................................................................................................ 5 2.1.1.1. Fibras lignocelulósicas .................................................................................... 7
2.2. BORRACHA ................................................................................................... 9 2.2.1. Borracha natural ........................................................................................... 10 2.2.1.1. Látex ............................................................................................................. 11
2.2.1.2. Vulcanização e cura da borracha ................................................................. 12
2.2.2. Borracha sintética ......................................................................................... 13 2.2.3. Compósitos de borracha ............................................................................... 14
2.3. CARNAÚBA .................................................................................................. 17 2.3.1. Cera de carnaúba ......................................................................................... 18
2.3.2. Palha de carnaúba........................................................................................ 18 2.3.3. Compósitos com carnaúba ........................................................................... 20
2.4. ISOLANTES TÉRMICOS .............................................................................. 23 2.4.1. Propriedades/características ........................................................................ 26
3. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................... 28 3.1. MATÉRIAS-PRIMAS .................................................................................... 28 3.1.1. Fabricação .................................................................................................... 29
3.2. ENSAIOS ...................................................................................................... 30 3.2.1. Caracterização térmica ................................................................................. 30
3.2.2. Caracterização físico-mecânica .................................................................... 31
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................... 35
4.1. DENSIDADE ................................................................................................. 35 4.2. TEOR DE UMIDADE ..................................................................................... 36
4.3. CONDUTIVIDADE TÉRMICA ....................................................................... 37 4.4. CALOR ESPECÍFICO ................................................................................... 39 4.5. DIFUSIVIDADE TÉRMICA ............................................................................ 40
4.6. TERMOGRAVIMETRIA ................................................................................ 41 4.7. TRAÇÃO UNIAXIAL ...................................................................................... 43
4.8. DUREZA ....................................................................................................... 44 4.9. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ........................................ 45 5. CONCLUSÃO............................................................................................... 49
6. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ............................................. 51 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 52
1
1. INTRODUÇÃO
O uso de insumos de origem natural, vegetal e animal, tem aplicação
diversa, especialmente no ramo de tecnologia dos materiais, envolvendo a produção
de compósitos para as mais variadas aplicações, desde artigos para decoração, até
elementos de alto desempenho.
Compósitos-verdes são considerados como a próxima geração de materiais
compósitos sustentáveis, e por isso, vêm ganhando muita atenção por parte da
indústria e de estudos acadêmicos (WANG et al., 2015).
Esses materiais usualmente referidos como verde, são definidos como
compósitos com materiais naturais de reforço: agentes orgânicos provenientes de
fontes renováveis e biodegradáveis, visando à substituição de cargas minerais-
inorgânicas e representando grande interesse na redução do uso de derivados do
petróleo e, em geral, constituindo uma utilização mais inteligente dos recursos
ambientais e financeiros (LA MANTIA; MORREALE, 2011).
O desenvolvimento de compósitos a partir de recursos renováveis é
imprescindível para o mundo contemporâneo, tendo em vista as oportunidades que
esses materiais oferecem para novas aplicações com a adição de valor
(SATYANARAYANA et al., 2009).
Os compósitos-verdes podem encontrar diversas aplicações industriais e
podem ser mais favoráveis ao meio ambiente, quando a matriz de polímero vem de
fontes renováveis e representam dessa forma, uma tendência no que cerne ao
desenvolvimento produtivo industrial sustentável (LA MANTIA; MORREALE, 2011).
Ao longo da última década, o uso de bioplásticos como substitutos
ambientalmente sensíveis, quando comparados aos plásticos regulares à base de
petróleo, tem impulsionado a implantação de projeto de produtos sustentáveis
(KARANA, 2012).
Mundialmente, o Brasil se destaca na produção de compósitos utilizando
fibras vegetais, destinada ao setor automobilístico, entretanto há que haver maior
incentivo ao desenvolvimento de compósitos em vários setores (SILVA et al., 2009).
Em geral, o uso de fibras lignocelulósicas em compósitos biodegradáveis
podem contribuir para gerar empregos, tanto rural, quanto em áreas urbanas, além
de ajudar a reduzir o desperdício, promovendo, dessa forma, um ambiente mais
saudável (SATYANARAYANA et al., 2009).
2
Ultimamente, materiais de origem lignocelulósica têm sido aplicados como
cargas ou reforços, na produção de compósitos de borracha, de forma a diminuir a
utilização de carbon black (negro de fumo) e sílica (ZHOU et al., 2015).
Então, tendo que o potencial de produzir materiais através de recursos
vegetais, é bastante amplo no Brasil e tendo em vista a tendência expressiva do
apelo ecológico para desenvolvimento sustentável de materiais ecofriendly,
estabelece-se a concepção e caracterização de biocompósitos de borracha natural e
fibra da palha de carnaúba.
Foram fabricados compósitos de proporção mássica de 5%, 10%, 15% e
20% da fibra de carnaúba em matriz de látex. Esses compósitos foram concebidos a
fim de propor alternativa para utilização de revestimento de isolamento térmico,
através da utilização de insumos naturais típicos brasileiros. Dessa forma, tem-se
que a concepção desses materiais promove e incentiva o desenvolvimento
sustentável de produtos regionais que possuem aplicação extensiva, além das
fronteiras do mercado tradicional/local.
Para o desenvolvimento deste trabalho, apresenta-se inicialmente o
embasamento bibliográfico com conceitos, estudos e pesquisas envolvendo a
temática de materiais compósitos, isolantes térmicos, borracha e carnaúba. Em
seguida, tem-se a especificação de parâmetros de fabricação dos materiais e a
indicação dos métodos que foram utilizados para efetivar a caracterização desses
materiais. E então, são apresentados os resultados equivalentes às propriedades
físicas, térmicas e mecânicas dos compósitos.
1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo geral
Obtenção e análise de desempenho de biocompósito polimérico de matriz de
látex e carga lignocelulósica da palha de carnaúba em diferentes proporções
mássicas.
3
1.1.2. Objetivos específicos
Produzir o compósito em quatro formulações: 5%, 10%, 15% e 20% de
massa de fibra em relação a matriz;
Indicar parâmetros razoáveis para fabricação do compósito,
especialmente, no que diz respeito a determinação do tempo de cura;
Avaliar o efeito das diferentes proporções do compósito em seus
desempenhos físicos, térmicos e mecânicos;
Investigar a morfologia do compósito;
Determinar a formulação mais viável para o fim proposto.
4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. MATERIAIS COMPÓSITOS
Nas últimas décadas, materiais compósitos que encontram aplicações
relacionadas às diversas áreas, tais como aeronáutica, marítima e industrial, tem
sido foco de vários trabalhos de pesquisa, que têm o intuito de desenvolver estudos
para aprimorar as características desses materiais, visando combinar alto
desempenho e facilidade de fabricação (TINÔ, 2014).
Compósitos constituem-se em duas fases distintas, em que há a existência
de matriz e fase dispersa. A matriz é definida como a fase contínua que envolve a
fase dispersa, que é designada como reforço (CALLISTER, 2005 apud RIUL, 2009).
A fase dispersa é responsável por suportar carga aplicada e define a classificação
dos compósitos em três categorias e algumas subdivisões, conforme indica a Figura
1 abaixo (DANIEL; ISHAI, 1994 apud CASTILHO, 2008).
Figura 1 – Classificação dos materiais compósitos
Fonte: DANIEL; ISHAI, 2005 apud CASTILHO, 2008.
5
2.1.1. Biocompósitos
O desenvolvimento de biopolímeros e biocompósitos reforçados com fibras
naturais tem evoluído, significativamente, ao longo dos últimos anos devido as suas
características de processamento, biodegradabilidade, baixo custo, baixa densidade
e natureza renovável. Assim, o esforço para desenvolver esses tipos de materiais
tem se tornado um processo em constante evolução (FARUK et al., 2012).
Biocompósitos são materiais promissores em termos de sustentabilidade.
Visto que, a substituição da utilização de materiais petroquímicos por recursos
renováveis, apresenta diversas vantagens, tais como: menores emissões de gases
de efeito estufa, fechamento do ciclo de crescimento cíclico de matéria-prima para a
biodegradação, potencial de redução dos custos de produção e oportunidades de
crescimento na agricultura e indústria química (PATEL; NARAYAN, 2005 apud
DITTENBER; GANGARAO, 2012).
O termo biocompósito é aplicado a uma gama de materiais derivados, no
todo ou em parte, a partir de recursos de biomassa renovável. Este conceito de
materiais de base biológica tornou-se de fundamental importância devido à
necessidade de preservar o nosso meio ambiente. Para tanto, a revolução de
materiais, deste século, é representada pelos materiais verdes e tem-se que:
sustentabilidade, ciclo de vida (do berço ao túmulo) – cradle-to-grave design –,
ecologia industrial, eco-eficiência e química verde não são palavras recém-
inventados, mas sim que estabelecem os princípios que guiam a aplicação e o
desenvolvimento de uma nova geração de materiais (JOHN; THOMAS, 2008).
Polímeros naturais e biocompósitos foram conhecidos e utilizados pela
humanidade desde tempos antigos, no entanto, o uso destes polímeros da natureza
foi completamente ultrapassado no século XX pela explosão da utilização de
polímeros sintéticos (VILAPLANA et al., 2010).
Em contrapartida, durante os últimos 20 anos, o interesse na pesquisa em
biopolímeros e biocompósitos tem crescido como consequência das preocupações
ambientais e do esgotamento dos recursos fósseis. Isto pode ser demonstrado pelo
número crescente de patentes e publicações sobre os materiais biocompósitos
(SATYANARAYANA et al., 2009).
Materiais plásticos que tenham origem orgânica ou que sejam da origem de
mistura entre biomassa e petróleo são considerados no conceito de desenvolvimento
sustentável de biocompósitos poliméricos. Assim, tem-se que a matriz com
6
biopolímeros, polímeros-verde e polímeros biodegradáveis é uma tendência e tais
polímeros, conforme indica a Figura 2, são os plásticos que possuem atividade
cíclica favorável ao equilíbrio ambiental (BRITO et al., 2011).
Figura 2 – Ciclo ideal de polímeros biodegradáveis
Fonte: BRITO et al.,2011.
Esses plásticos representam uma evolução espetacular, não só do ponto de
vista tecnológico, mas o mercado de biopolímeros, que tem registado um rápido
crescimento. (BLEDZKI, 2012).
Todos os polímeros naturais podem ser considerados como biopolímeros,
mas nem todos os biopolímeros são polímeros naturais, então há que se fazer a
distinção entre esses materiais, pois polímeros naturais são definidos como
materiais poliméricos sintetizados na natureza, tais como, celulose, amido e
proteínas, já alguns biopolimeros são de origem orgânica, porém não são
sintetizados naturalmente (VILAPLANA et al., 2014).
Compósitos reforçados com fibras naturais apresentam potencial de
biodegradação maior quando sujeita a aplicações ao ar livre em relação aos
compósitos com fibras sintéticas, devido a fatores como umidade, temperatura,
radiação ultravioleta e as atividades de micro-organismos (AZWA et al., 2013).
7
A principal motivação para o desenvolvimento de biocompósitos foi e ainda é
o desenvolvimento de uma nova geração de compósitos reforçados com fibra, que
são compatíveis com o ambiente em termos de produção, uso e remoção, e,
portanto, biocompósitos reforçados com fibras naturais podem ser considerados
como sendo uma alternativa válida ou até mesmo superior para compósitos de fibras
sintéticas, devido à sua transformação em adubos, que pode servir como uma
solução eficaz para o problema de eliminação de resíduos de materiais que não são
biodegradáveis (GURUNATHAN et al., 2015).
Em geral, o interesse em compósitos de base biológica é crescente devido
aos benefícios ambientais, especialmente em produtos de base biológica puros, que
é o caso de compósitos de borracha reforçados com matérias lignocelulósicos, pois
ambos os componentes podem ser obtidos a partir de matérias renováveis (ZHOU et
al., 2015).
2.1.1.1. Fibras lignocelulósicas
As fibras naturais estão disponíveis, abundantemente, em todo o mundo, e
os materiais compósitos reforçados com essas fibras tem apresentado propriedades
que são adequadas para aplicações de engenharia, além do que, proporcionam a
redução da utilização de fibras sintéticas (SATHISHKUMAR et al., 2013).
Materiais compósitos reforçados com fibras naturais têm sido aplicados com
êxito em aplicações semi-estruturais, bem como aplicações estruturais (SHUBHRA
et al., 2010).
O campo de aplicação de biofibras encontra espaço em uma ampla gama de
indústrias e por isso, tem apresentado uma explosão de interesse, particularmente
no que se refere às suas propriedades comparáveis às de fibras de vidro em
materiais compósitos (JOHN; THOMAS, 2008).
Dando visibilidade para esse tipo de material, a Organização das Nações
Unidas para a Agricultura e a Alimentação (FAO–ONU) declarou 2009 como o ano
internacional das fibras naturais. Esta iniciativa visou conscientizar e estimular a
utilização dessas fibras, através de incentivo às políticas governamentais de apoio
ao setor e às ações empresariais sustentáveis, para a exploração dessas matérias-
primas (SILVA et al., 2009).
8
As fibras naturais, especialmente as de origem vegetal, são ocas e
constituídas de material lignocelulósico e por essa razão, essas fibras são melhores
isolantes térmicos e acústicos, além de possuírem, no campo de aplicação, menos
riscos ambientais e para a saúde quando comparadas as fibras sintéticas
(SATYANARAYANA et al., 2009).
Essas fibras são tradicionalmente utilizadas para diversos fins, tais como
cordas, telhados e ataduras, porém atualmente, observa-se a tendência da sua
utilização, na substituição de polímeros sintéticos por compósitos de fibra para o
setor automotivo, aeroespacial e de construção civil (SATHISHKUMAR et al., 2013).
As fibras vegetais (lignocelulósicas) são classificadas de acordo com a parte
de onde são extraídas, conforme indica o quadro a seguir, e tem-se que pode ser,
por exemplo, da folha, da semente, do fruto.
Figura 3 – Quadro de dados de algumas fibras lignocelulósicas e suas origens
Fibra Espécie Origem
Abacaxi Ananus comosus Folha
Algodão Gossypium sp Semente
Banana Musa indica Folha
Bambo Diversas Capim
Coco Cocos nucifera Fruto
Curauá Ananas erectifolius Folha
Cânhamo Cannabis sativa Caule
Juta Corchorus capsularis Caule
Linho Linum usitatissimum Caule
Madeira Diversas Tronco
Piassava Attalea funifera Folha
Quenafe Hibiscus cannabinus Caule
Rami Boehmeria nivea Semente
Sisal Agave sisilana Folha
Fonte: Adaptada de JOHN; THOMAS, 2008.
Quanto a sua estrutura, tem-se que as plantas são naturalmente compostas
por fibras de lignocelulose e estas fibras podem ser considerados como compósitos
que ocorrem naturalmente e consistem principalmente de fibrilas de celulose
incorporadas em matriz (resina) de lignina e hemicelulose (SATHISHKUMAR et al.,
2013). Sendo a celulose o polímero orgânico mais abundante na crosta terrestre e
seu teor em fibras vegetais varia, e, por exemplo, o teor de celulose da fibra de
algodão é cerca de 90% de sua composição e de madeira e outras plantas verdes é
de cerca de 40–50% (ZHOU et al., 2015).
9
Além do material lignocelulósico, que compõe as fibras vegetais ser formado
predominantemente por lignina, hemicelulose e celulose, existe, em pequenas
proporções, a composição de proteínas, lipídeos (gorduras, óleos e ceras) e cinzas
(FENGEL; WEGENER, 1989 apud NAHUM JÚNIOR; FROLLINI, 2013).
As fibras lignocelulósicas possuem alta resistência elétrica, possibilidade de
reciclagem térmica (JOHN; THOMAS, 2008). E apesar de se constituírem
basicamente dos mesmos materiais, apresentam propriedades diferentes e essas
propriedades dependem do teor dos principais componentes (celulose, lignina,
hemicelulose), do grau de cristalinidade, dentre outros fatores, portanto, a ação
como reforço das lignocelulósicas pode variar em compósitos (RAZERA, 2006).
Essas fibras são bastante heterogêneas, devido ao tipo de solo, das
condições climáticas, dos fertilizantes utilizados, do tipo de colheita das folhas, dos
frutos e do caule dos vegetais (SANTOS, 2006).
Fibras vegetais apresentam manipulação mais segura e dessa forma
promovem melhores condições de trabalho em comparação com a manipulação de
reforços sintéticos, elas são também não-abrasivas, o que diminui o desgaste de
equipamentos utilizados para mistura e moldagem de compósitos, e isso pode
contribuir para reduções significativas de custos, além de que essas fibras são um
recurso renovável e a sua produção exige pouca energia (JOHN; THOMAS, 2008).
Apesar dessas vantagens, as fibras naturais e compósitos reforçados com tais fibras
têm demonstrado grande absorção de umidade e susceptibilidade de perda de
desempenho a longo prazo (MOKHOTHU; JOHN, 2015).
2.2. BORRACHA
A borracha é usada desde o desenvolvimento das antigas civilizações da
América, especialmente os olmecas, que são definidos como o “povo da borracha” e
cuja existência ocorreu no período de aproximadamente 1300 a.C.–1500 d.C.
(KOHJIYA; IKEDA, 2014).
Com base nas estatísticas do ano de 2014, aproximadamente, 30 milhões
de toneladas de borracha são produzidos, anualmente, sendo esse valor equivalente
a produção média de 40% de borracha natural e 60% de borracha sintética
(RUBBER STATISTICAL BULLETIN, 2015).
10
2.2.1. Borracha natural
A borracha natural é tida como o quarto recurso natural mais importante da
sociedade contemporânea, depois do ar, da água e do petróleo (HISTORY
CHANNEL, 2004 apud CORNISH, 2014).
Dentre os polímeros convencionais, a borracha natural destaca-se por ser
oriunda de uma fonte renovável e desperta grande interesse na procura de novas
aplicações (GALIANI et al., 2007).
A borracha natural é polímero formado essencialmente pela unidade
estrutural cis-1,4-poliisopreno, mostrada na Figura 4 (PUSKAS et al., 2006).
Figura 4 – Microestrutura da borracha natural
Fonte: TANAKA, 1989 apud PUSKAS et al., 2006.
O termo "borracha (pencil eraser)” associado ao poli (cis-1,4-isopreno) foi
estabelecido por Edward Nairne e Joseph Priestley, devido a capacidade desse
material de apagar lápis (YIKMIS; STEINBÜCHEL, 2012).
Tem-se que a borracha natural é uma matéria-prima versátil com
propriedades químicas e físico-mecânicas peculiares (SHUBHRA et al., 2010). E é
indicado que nos dias de hoje, a borracha natural continue presente no nosso
desenvolvimento, alicerçando-o de forma sustentável (KOHJIYA; IKEDAY, 2014).
Estima-se que no ano 2020 o consumo de borracha natural será de 9,71 milhões de
toneladas e dessa forma, por ser imprescindível na manufatura de uma grande
quantidade de produtos, a borracha natural é apontada como indispensável na
produção de artigos essenciais para a humanidade, especialmente por ser um
material com boas propriedades isolantes e apresentar impermeabilidade tanto ao ar
quanto à água (MORENO et al., 2006).
A borracha (cis-1,4-poliisopreno) é um dos mais importantes polímeros
naturais produzidos pelos vegetais e é fonte para obtenção de mais de 40.000
produtos, incluindo mais de 400 utensílios médicos (MOOIBROEK; CORNISH, 2000
apud FORD, 2011).
11
2.2.1.1. Látex
O látex pode ser natural ou sintético e a partir dele se tem uma gama de
produtos, que são obtidos a partir da formação de filme de látex, que é o processo
pelo qual uma dispersão aquosa de partículas poliméricas forma um material
polimérico contínuo (KEDDIE, 1997). Esse característico filme de látex possui
propriedades físicas interessantes quanto à elasticidade e adesividade
(SIMCHAREON et al., 2012).
O látex natural é definido como uma emulsão aquosa presente nos vasos
laticíferos das células parenquimatosas, peculiares de plantas laticíferas (PUSKAS
et al., 2006).
O látex pode ser extraído de, aproximadamente, 2000 espécies de plantas,
sendo a Hevea brasiliensis (seringueira) a de maior destaque, pois é responsável
pela origem de cerca de 99% de toda a borracha natural produzida no mundo
(MORENO et al., 2006). Especialmente o látex extraído da espécie Hevea
brasiliensis, constitui-se na fonte comercial de borracha natural brasileira e é
composto por aproximadamente 59% de água, 36% de borracha e 5% de outros
componentes como proteínas, lipídios e açúcares (BONNER; GALSTON, 1947 apud
SANSATSADEEKUL et al., 2011).
Esse látex é coletado através de processo, ilustrado na figura 6, chamado
sangria, que influencia diretamente nas características do látex extraído, pois suas
características dependem da frequência (periodicidade) com que o corte é
executado (RIPPEL; BRAGANÇA, 2009).
Figura 5 – Extração de látex
Fonte: FAMASUL, 2015.
12
Polímeros de látex além de seus usos em formulações de tintas, adesivos,
aglutinantes, revestimentos de papel, acabamentos têxteis e produtos farmacêuticos,
(STEWARD et al., 2000) encontram aplicação mais diversas através de novas
combinação de materiais.
2.2.1.2. Vulcanização e cura da borracha
Materiais de borracha são amplamente usados em processos de produtos
de engenharia, entretanto, há pouca informação técnica, no que diz respeito aos
processos de cura da borracha, especialmente no ramo da engenharia térmica
(NOZU et al., 2008).
Para obter a formação de filme de látex existem várias técnicas, dentre as
quais, cita-se a secagem por evaporação e ordenação, assim como técnica não
invasiva, que inclui a transferência direta de energia não-radiativa e também tem-se
que vários fatores estão experimentalmente conhecidos por influenciar a formação
da película de látex: as condições ambientais; a presença de surfactantes,
plastificantes e pigmentos; e estrutura das partículas de látex (KEDDIE, 1997).
A formação de uma película de látex é proveniente da aglutinação
(coalescência; compactação; coesão por interdifusão de cadeia polimérica) de
partículas, que são normalmente mantidas afastadas por forças estabilizadoras
(eletrostática e/ou de repulsão), que resistem a forças e deformações internas,
estando em equilíbrio, o qual pode ser superado mediante a evaporação da parcela
de água (fase contínua) presente na composição do látex líquido (STEWARD et al.,
2000).
O látex de borracha natural (LBN) é utilizado industrialmente pelo processo
convencional de vulcanização que envolve adição de enxofre e calor (MARTINS,
2005).
O processo de vulcanização foi descoberto por Charles Goodyear e
tradicionalmente usa enxofre para alterar quimicamente a borracha, de forma que
promove ligações cruzadas entre cadeias de polímeros e dessa forma, melhora a
sua resistência a solventes e impede que a borracha se torne plástico e pegajoso
com o calor, ou frágil e inflexível com frio (GUISE-RICHARDSON, 2010).
Ou seja, a borracha em seu estado bruto tem característica de baixas
resistência e resiliência, o que lhe confere propriedades potencializadas são as
13
ligação cruzadas, utilizando enxofre durante o processo de vulcanização, que resulta
em um material termofixo, flexível e durável (SULLIVAN; KRIEGER, 2002).
Vale ressaltar que as estruturas químicas que vão se formando durante a
cura da borracha podem ao mesmo tempo, aumentar algumas propriedades e
diminuir outras (KLINGENSMITH et al., 1995 apud TELES, 2000).
O processo de fabricação de produtos de borracha envolve reticulação ou
vulcanização, que é um processo químico e, por isso, envolve necessariamente
caracterização de parâmetros cinéticos, e a cinética de vulcanização (ou de cura)
depende do composto de fórmula, da temperatura e em alguns casos a pressão
(ARRILLAGA et al., 2007).
A borracha em forma vulcanizada apresenta excelente flexibilidade,
elasticidade, resistência à propagação de trincas e é utilizada na produção de vários
produtos (ZHOU et al., 2015). Devido essas características, envolvendo a
combinação excelente de propriedades, houve esforços para realização de pesquisa
e progressão sustentável para desenvolvimento de processos visando a sintetização
da borracha natural, mas até agora, esse objetivo não foi alcançado (PUSKAS et al.,
2006).
De acordo com Nozu et al. (2008), a produção de artigos de borracha de
grandes dimensões, apresenta limitações devido a baixa condutividade térmica da
borracha, que gera uma grande distribuição de energia calorífica no produto e dessa
forma não há cura uniforme, então foi desenvolvido um estudo acerca dessa
temática e a partir desse estudo, foi constatado que após cessada a exposição da
borracha a um aquecimento constante, o processo de cura é melhorado.
2.2.2. Borracha sintética
A indústria da borracha sintética surgiu na década de 1940, com o
crescimento da indústria petroquímica e os avanços na tecnologia de polímero,
juntamente com a escassez de borracha natural durante a segunda guerra mundial
(SULLIVAN; KRIEGER, 2002).
Mas, efetivamente, as borrachas sintéticas só foram produzidas depois de
1950, após o desenvolvimento de catalisadores estereoespecíficos (TANAKA;
SAKDAPIPANICH, 2001 apud SHAH et al. 2013).
Shah et al. (2013) indicaram que a borracha sintética é feita de matéria-
prima derivada do petróleo, carvão, petróleo, gás natural, e acetileno.
14
Siemens (2013) indicou que a produção de borracha sintética ocorre
conforme processo genérico ilustrado na Figura 6.
Figura 6 – Processo genérico de produção da borracha sintética
Fonte: Adaptada de SIEMENS, 2013.
Na indústria da borracha sintética, se produz, por exemplo: a borracha
nitrílica (NBR), a borracha butílica (IIR), a borracha de butadieno estireno (SBR), a
borracha de polibutadieno (BR), a borracha de poliisopreno (IR), entre outras
(SIEMENS, 2013).
2.2.3. Compósitos de borracha
Nos últimos anos, os elastômeros reforçados com fibras têm recebido muita
atenção por parte da indústria de compósitos, devido à sua facilidade de
processamento e baixo custo juntamente com alta resistência (THAKUR, 2013).
Compósitos de borracha são amplamente utilizados em diversas aplicações, tais
como embalagens, mangueiras, pneus e correias (CHUNG et al., 2004).
Teles (2000) desenvolveu e avaliou compósitos de borracha com reforço de
cortiça e indicou que esse tipo de compósito é bastante empregado na indústria
automobilística.
Gwaily (2002) afirmou que compósitos de borracha são bem versáteis e
apresentam a vantagem de oferecer possibilidades variadas de fabricação em
diversas formas e produtos. E então, a partir dessa afirmação, desenvolveu e
constatou que compósito de borracha natural, com borracha de butadieno estireno e
15
galena (minério de chumbo) pode ser utilizado como uma forma de proteção
(escudo) à radiação gama.
Chung et al. (2004) estudaram através de ensaios mecânicos, a adesão
interfacial do compósito de borracha com cabos de aço como reforço, que é em
geral, o principal material que compõe os pneus.
Ford (2011) por sua vez, propôs uma alternativa sustentável para
reaproveitamento de rejeitos industriais, no caso, raspas de pneu, que compuseram
compósitos ao serem implementadas a matriz de látex. Esses compósitos
revelaram-se adequados para fins de isolamento térmico.
Semelhantemente, Abdel Kader et al. (2012) também realizaram
caracterização termo-física de compósitos de borracha natural e resíduos de
borracha em diferentes concentrações, e apresentaram, dessa forma, uma
alternativa para reaproveitamento de resíduos e redução de custos na concepção de
materiais de bom desempenho para aplicações de isolamento térmico.
Ghedan e Hamza (2011) constataram que compósitos cerâmicos, de
concreto com adição de borracha, podem ser usados com eficácia em aplicações
que necessitam de propriedades de isolamento térmico.
Muhammad et al. (2011) avaliaram que a adição de borracha natural em
argamassa de cimento em altas temperaturas melhora (aumenta) a resistência
térmica do concreto.
Muhammad e Ismail (2012) estudaram um material compósito de concreto
com a adição de borracha modificada em diferentes proporção e submetidas a
diferentes ambientes ácido e sulfatado.
Santos (2012) estudou o efeito de partículas de borracha nas propriedades
físico-mecânicas de compósitos de matriz cimentícia para aplicações não-
estruturais.
Aliabdo et al. (2015) realizaram a caracterização de compósitos cerâmicos
com resíduo de borracha e observaram que aumento de teor de borracha em
concreto melhora as propriedades de isolamento térmico e de som desses
compósitos.
Mendes e Marinho (2002) mostraram que compósitos de látex, resina da
seringueira, com fibra da casca do coco, em forma de mantas, são materiais que
demonstraram a capacidade de isolamento térmico para faixa de temperatura entre
0ºC e 130ºC.
16
Silva et al. (2009) revelaram que existem várias empresas brasileiras que
utilizam fibras de coco para a produção de materiais compósitos com látex.
Jacob et al. (2006) desenvolveram compósitos de borracha natural com
tecido de fibra de sisal e estudaram o desempenho desses compósitos, tendo a fibra
submetida a tratamentos superficiais.
Afiq e Azura (2013) indicaram que a adição de amido de sagu aumenta a
biodegradabilidade de compósito de película de borracha natural, em contrapartida,
provoca uma fragilidade nas propriedades físicas do material.
Pantamanatsopa et al. (2014) apresentaram caracterização mecânica de
compósitos-verdes de borracha com diferentes concentrações em massa de fibra de
juta tratadas e não-tratadas com ácido sulfúrico.
Também se tem que outros vários materiais lignocelulósicos já foram
associados à borracha para constituir novos compósitos (ZHOU et al., 2015), dentre
os quais, destacam-se os presentes na Figura 7, que segue:
Figura 7 – Quadro de informações com alguns compósitos de borracha
Enchimento Matriz Autores/Ano de
publicação
Madeira em pó
Borracha natural Borracha de etileno-propileno-dieno
Borracha de butadieno estireno Borracha de pneus inservíveis
Lin et al., 2004. Yamsaengsung e
Sombatsompop, 2009.
Pó de oliva Borracha nitrílica carboxilada Mousa et al., 2012.
Pó da casca de amendoim
Borracha natural Sareena et al., 2012.
Fibra de bambo Borracha natural Ismail et al., 2002.
Fibra de coco Borracha natural Haseena et al., 2007.
Geethamma et al., 2005.
Fibra de cânhamo Borracha natural
Borracha de partícula de pneu
Kakroodi et al., 2013. Osabohien e Egboh,
2008.
Fibra de sisal Borracha natural
Borracha de pneu Haseena et al., 2007.
Martins e Mattoso, 2004.
Fibra de juta Borracha natural Rahman et al., 2012.
Fibra de algodão Borracha natural Zeng et al., 2010.
Papel de jornal Borracha natural Borracha nitrílica
Nashar et al, 2004.
Celulose microcristalina
Borracha de butadieno estireno Borracha de polibutadieno
Bai e Li, 2009.
Fonte: Adaptada de ZHOU et al.,2015.
17
2.3. CARNAÚBA
A carnaubeira é uma palmeira, classificada como pertencente à família
Palmae, gênero Copernicia e espécie Copernicia prunifera (QUEIROGA, 2013). O
conjunto de carnaubeiras, ilustrado na Figura 8, consiste no carnaubal.
Figura 8 – Carnaubal
Fonte: MARQUES, 2013.
Também chamada de carnaúba, esta espécie é conhecida como a “árvore
da vida”, definição controversa atribuída a Alexandre Von Humboldt (CASCUDO,
1964). Esta definição foi popularizada, pois se diz que na carnaubeira tudo é
aproveitado (EVANGELISTA, 2005).
Isto é, a definição é comumente atribuída a carnaúba com a justificativa de
que a planta oferece uma gama ampla de uso: desde as raízes que têm uso
medicinal, passando pelos frutos que são ricos em nutrientes para a ração animal.
Incluindo, o tronco como madeira de qualidade para a construção, assim como as
palhetas secas que são usadas na produção artesanal, fertilizante do solo,
revestimento de casas. E ainda, o fornecimento de cera de folhas jovens que é
utilizada no fabrico de velas, filmes plásticos e fotográficos, vernizes, lubrificantes,
fósforos, isoladores, cosméticos (MOTTA, 2012).
18
No Rio Grande do Norte, o cultivo e exploração da carnaúba oferece
possibilidades de atividades econômicas mesmo durante o período de estiagem,
tratando-se, portanto de importante alternativa na composição da renda familiar das
comunidades rurais (CAVALCANTI, 2014).
2.3.1. Cera de carnaúba
O Brasil é o único país produtor de cera de carnaúba. Sendo o produto de
maior valor econômico da carnaúba, o material ceroso que reveste as folhas, é
usado na fabricação de cera, matéria-prima de inúmeros produtos industriais
(CARVALHO; GOMES, 2008). A cera de carnaúba é elemento de exportação para
vários países, sendo os principais: Estados Unidos, Japão, Alemanha, China,
Holanda e Itália. À título nacional, o consumo é estimado em torno de 20% da
produção e tem como os principais estados compradores: Rio Grande do Sul,
Paraná, São Paulo, Rio de Janeiro, Minas Gerais, Pernambuco e Bahia (LIMA,
2011).
A cera da carnaúba, a partir de 1950, é usada como desmoldante na
indústria de compósitos. E desde então, essa cera é largamente utilizada até hoje,
particularmente em aplicações de moldagem por contato (SCOTT BADER, 2005).
Além dessa aplicação em compósitos, pode-se dizer que a cera de carnaúba é
bastante versátil e apresenta aplicações desde alimentícias e farmacêuticas, até
aplicações mecânicas de lubrificação.
2.3.2. Palha de carnaúba
A fibra da palha da carnaúba é composta, em percentagem média, por 58,04
± 4,49% de celulose; 14,02 ± 0,64% de hemicelulose; 19,03 ± 1,02% de lignina; 7,53
± 0,63% de umidade e 1,80 ± 0,47% de cinzas (CARVALHO, 2011).
Embora a temática acerca da aplicação de fibras vegetais seja extensa,
atesta-se uma lacuna quando se pesquisa sobre a fibra da palha da carnaúba.
Encontram-se explanações predominantemente, envolvendo apenas o seu uso,
relacionadas à confecção de produtos artesanais (FERNANDES, 2011).
Dentre os usos artesanais, tem-se os objetos tradicionalmente produzidos
por comunidades rurais na região do Vale do Açú, ilustrados pela Figura 9, que
constituem diversos produtos, tais como: esteiras, cestas, caixas e enfeites
decorativos.
19
Figura 9 – Artesanato com palha de carnaúba
Fonte: CARNAÚBA VIVA, 2012.
Lavor et al. (2008) atestaram a eficiência de aplicação de esteiras da palha
da carnaúba in natura em revestimento de isolante térmico em galpões.
Santos (2010) revelou a importância da atividade extrativista de carnaúba
para confecção de vassouras e suas relações com a agricultura familiar,
especificamente no Piauí. A estrutura da produção artesanal de vassouras de
carnaúba foi analisada e constatou-se que suas relações com a agricultura familiar
contribuem para a comunidade local no que diz respeito a sustentabilidade
econômica, social e ambiental.
Góes (2013) propôs a utilização da palha da carnaúba in natura em
processos de adsorção de corantes como forma de agregar valores a este produto.
Neste estudo foi verificado que a palha é eficiente na remoção dos corantes têxteis
azul de metileno e cristal violeta, em de soluções aquosas.
O arquiteto Rosenbaum, em 2012, realizou o projeto “A Gente Transforma”,
uma iniciativa que usa o design para expor a alma brasileira, que tem como principal
objetivo inserir o artesanato no mercado de decoração e apresentar as
oportunidades para um novo negócio social. Este projeto foi apresentado, em 2013,
na São Paulo Fashion Week, principal semana evento de moda do país, e deu
visibilidade para o artesanato com a palha de carnaúba, através da criação de uma
coleção que estão presentes tabuleiros, bogoiós, tapetes, colchões e máscaras.
20
O interesse que a palha de carnaúba desperta em arquitetos e construtores
é uma constante, especialmente em localidades muito visitadas por turistas
estrangeiros. A decoração de ambientes cobertos por telhados de folhas de
carnaúba (Figura 10), representa caráter rústico marcante, além de apresentar
conforto, pois as folhas de carnaúba – graças à sua exclusiva cobertura de cera –
resistem à chuva e ao sol e garantem o frescor do ambiente (JOHN, 2013).
Figura 10 – Telhado de palha de carnaúba
Fonte: JOHN, 2013.
2.3.3. Compósitos com carnaúba
Ao estudar a fibra proveniente da palha de carnaúba, Oliveira (2003)
estudou a possibilidade de fabricar polpa para a produção de papel artesanal.
Evangelista (2005) relatou a importância dessa atividade para renovação da
consciência ecológica e promover a cultura de valorização do papel reciclado
artesanal com fibras de carnaúba, com aproveitamento desse papel para criação
artística. Essa atividade é realizada pela Fundação Felix Rodrigues, localizada no
município de Pendências/RN.
No Ceará, o papel artesanal, a base de folhas de carnaúba, é baseada na
tecnologia desenvolvida pela UFRN, que vem sendo difundida pelo Instituto
CENTEC. A produção do papel artesanal representa para populações de baixa
renda: terapia ocupacional, realização artística, incentivo a capacidade
empreendedora e, principalmente, oportunidade de emprego e renda. Os papéis
21
produzidos (Figura 11) possuem diferentes características e constituem-se em uma
alternativa promissora para o aproveitamento da palha de carnaúba, em novos
produtos como abajures, rosáceas, capas de agendas, caixas redondas e
quadradas, modelos de luminárias e arandelas, calendários, panôs, entre outros
(CÂMARA SETORIAL DA CARNAÚBA, 2009).
Figura 11 – Papéis de fibra de carnaúba
Fonte: CÂMARA SETORIAL DA CARNAÚBA, 2009.
A fim de reavivar a economia baseada no artesanato da palha da carnaúba e
obter uma nova forma de revestir dutos de vapor, foi desenvolvido o projeto de
compósito com a palha da carnaúba e obteve-se então, uma tecnologia
autenticamente norte-rio-grandense para revestir esses dutos (DUARTE, 2007).
Originalmente, os dutos eram revestidos com lâminas de alumínio, utilizadas para
fins de isolamento térmico, devido a ocorrência de temperaturas de até 200ºC
(FERNANDES, 2011).
A ideia do projeto constituiu-se na pintura de mantas (esteiras) da palha da
carnaúba, para protegê-las das intempéries e então aplicá-las nas linhas de vapor
como revestimento. Essa tecnologia é ilustrada na Figura 12. E a ideia foi aplicada e
já vem sendo útil à comunidade, em geral, há aproximadamente 11 anos
(PETROBRAS, 2014).
22
Figura 12 – Revestimento de dutos
Fonte: Silvio Bezerra em ARANHA, 2008.
Tavares e Santos (2013) comprovaram mais uma aplicação sustentável de
compósitos com insumos da carnaúba. Através de implementação e difusão de
tecnologias de adensamento lignocelulósico (briquete) em substituição ao uso da
lenha nativa visando a redução significativa do desmatamento do bioma caatinga na
microrregião do baixo Açu. Os briquetes oriundos das biomassas vegetais de palha
de carnaúba apresentam grandes potenciais para o uso na geração de energia
térmica nos fornos existentes das cerâmicas da região e essas biomassas podem
ser utilizadas na fabricação de briquetes, tanto de forma individual, como misturadas
em blendas de diferentes composições, visando a manutenção de fabricação de
briquetes ao longo de todo o ano agrícola, apresentando uma maior regularidade
das características físico-térmicas dos mesmos.
Carvalho (2011) e Melo et al. (2012) apresentaram a concepção de materiais
compósitos biodegradáveis a partir da utilização de fibras de carnaúba, tratadas
quimicamente, como reforço em matriz de polihidroxibutirato (PHB).
Marques (2012) por sua vez, estudou as características de compósitos
obtidos pelo par pó de palha de carnaúba e quitosana. Estabeleceu que a melhor
composição desse tipo de material seria sem a realização de tratamento de
superfície da palha, constituindo dessa forma, uma maneira simples e eficaz de
fabricação de compósitos, sendo assim, uma boa alternativa para biomateriais.
23
Costa et al. (2013) avaliou o desempenho de compósitos de matriz poliéster
reforçada com fibras aleatórias da palha da carnaúba, em diferentes concentrações
mássicas e constatou, através de ensaio de tração, que quanto menor o percentual
de fibra, melhor era a interface com a matriz e dessa forma, melhor era o
desempenho mecânico.
Souza (2014) apresentou um compósito polimérico com carga de fibra da
palha da carnaúba em resina ortoftálica. Esse material foi produzido para aplicação
estrutural de dispositivo (fogão) de concentração solar para o cozimento e
assamento de vários alimentos.
Batista (2014) promoveu avaliação da durabilidade das fibras de carnaúba
em compósitos cimentícios com adição de resíduo cerâmico.
Cavalcante et al. (2014) estudaram a curva de desidratação da fibra de
carnaúba para ser uma alternativa na preparação de compósitos destinados a
fabricação de pás eólicas, visto que um dos grandes problemas encontrados nos
dias atuais é o descarte após a vida útil das pás eólicas e uma alternativa para este
problema, é o desenvolvimento de compósitos provenientes de fibras vegetais e a
fibra de carnaúba se apresenta dentre as opções.
Praciano et al. (2014) seguindo a vertente de aplicação de compósitos nas
pás de geração de energia eólica, avaliaram as qualidades químicas e propriedades
mecânicas da fibra de carnaúba, visando substituir a fibra de vidro comumente
utilizada na produção das pás eólicas por compósitos de fibra de carnaúba e com
isso reduzir o impacto ambiental e o custo de produção.
2.4. ISOLANTES TÉRMICOS
Os isolantes térmicos são materiais utilizados em sistemas de climatização,
refrigeração, geração de vapor, tubulações, edificações, automóveis, equipamentos
de proteção, estufas e altos fornos, e que têm por finalidade economizar energia
através da minimização do processo de transferência de calor entre dois meios
(MENDES; MARINHO, 2002).
Borges (2009) relatou que o desperdício de energia é uma preocupação
contemporânea e a partir desse sentimento, partilhado entre os mais diversos
setores da sociedade, desenvolve-se a consciência da utilização racional da energia
e, portanto, ocorre a ampliação da demanda de aplicação de isolantes térmicos.
24
De acordo com Mendes e Marinho (2002), há uma variedade de tipos de
isolantes térmicos disponíveis no mercado e dentre os mais comuns, podem ser
citados: a lã de vidro e a lã de rocha (ambas à base de fibras sintéticas), tecido de
amianto (à base de fibra mineral), poliuretano (PUR - à base de poliol) e policloreto
de vinila (PVC).
Papadopoulos (2005) propôs que os materiais isolantes podem ser
classificados de acordo com sua composição química ou a sua estrutura física,
portanto os materiais isolantes mais amplamente utilizados podem ser classificados
conforme indica a Figura 13 abaixo.
Figura 13 – Classificação dos materiais isolantes mais utilizados
Fonte: PAPADOPOULOS, 2005.
Ford et al. (2010) indicaram que a escolha do material adequado para uma
aplicação de isolamento térmica é realizada através de análises de propriedades
mecânicas, físicas e térmicas. Como não existe um material isolante ideal, a
comparação entre as opções disponíveis possibilita a escolha daquele que melhor
satisfaz ao princípio fundamental da engenharia: relação custo versus beneficio.
25
Galvão (2012) ressaltou que existem muitos materiais classificados como
isolantes térmicos, e que para cada aplicação desses materiais, existem
especificações de acordo com o gradiente de temperatura, que pode ser, por
exemplo, o clima da região onde o isolante será utilizado.
Para estabelecer as especificações dos mais diversos isolantes térmicos,
embasa-se o fato de existir a necessidade de análises de desempenho térmico a
partir de protótipos experimentais, para constatar e quantificar a eficiência de
materiais isolantes, que tem o objetivo de reduzir ao máximo as trocas térmicas
indesejáveis, procurando manter constante a temperatura de um dado sistema
fechado (BORGES, 2009).
Neira (2005) evidenciou que as fibras vegetais vêm sendo consideradas
para fins de isolação térmica, uma vez que são leves, flexíveis, de baixo custo,
abundantes e apresentam uma estrutura micrográfica caracterizada por muitos
vazios, o que induz maior resistência térmica ao fluxo de calor.
Neira (2011) revelou que atualmente, o uso de esteiras de palha de
carnaúba, nos dutos da Petrobras que transportam vapor, é exemplo de aplicação
eficiente de fibras vegetais em sistemas de isolação térmica.
Segundo Gastão Cruls (1965) apud Seixas (2010), no Brasil, no século XIX,
blocos de gelo foram armazenados com serragem em depósitos subterrâneos e
conservados por aproximadamente cinco meses. Isto revela o potencial de
isolamento térmico da serragem (material lignocelulósico).
Dentro de faixas específicas de temperaturas, é possível utilizar fibras
naturais como isolante térmico em substituição ao produto convencional em diversas
aplicações na indústria e no comércio. As faixas de temperatura são limitadas pelo
tipo de fibra, sua resistência ao calor e aos esforços mecânicos (MENDES;
MARINHO, 2002).
Monteiro et al. (2012) ressaltaram que a estabilidade térmica de qualquer
compósito de fibra natural, do tipo lignocelulósica, pode impor limitações das
aplicações a temperaturas que provocam a degradação da estrutura orgânica das
fibras, portanto, em geral, as aplicações de recursos naturais em compósitos são
restritas termicamente a temperaturas em torno de 250ºC.
26
2.4.1. Propriedades/características
Para aplicações como isolantes térmicos, ou sob condições nas quais boa
resistência a tensões térmicas é requerida, as propriedades físicas que determinam
a sua utilização são aquelas propriedades diretamente relacionadas com mudanças
de temperatura. Essas propriedades são importantes para todos os materiais,
independentemente do seu uso, mas especialmente para isolantes térmicos, são
críticas (SANTOS et al., 2004).
Santos et al. (2004) indicaram que para aplicações de isolantes térmicos, do
ponto de vista de cálculos térmicos, a condutividade térmica, a difusividade térmica e
o calor específico são as propriedades mais importantes de um material
potencialmente isolante térmico. Estas três propriedades estão relacionadas entre si
pela expressão:
𝑎 =𝑘
𝜌 ∙ 𝑐 (1)
Onde: 𝑎 = difusividade térmica (𝑚 𝑠2⁄ /); 𝑘 = condutividade térmica (𝑊 𝑚 ∙ 𝐾⁄ ),
ρ = densidade (𝐾𝑔 𝑚3⁄ ) e 𝑐 = calor específico (𝐽 𝐾𝑔 ∙ 𝐾⁄ ).
A difusividade térmica é uma propriedade do material que denota a razão
entre a capacidade de transferência de energia no material pela sua capacidade de
armazenamento e para materiais isolantes térmicos, essa propriedade
essencialmente possui um baixo valor, na ordem de centésimos (MENDES et al.,
2012).
Para estabelecer condições de conforto térmico, a difusividade é uma
propriedade que é relevante associada à caracterização de um material construtivo
(BARBOSA, 2014).
A condutividade térmica é considerada a propriedade térmica mais
importante de um isolante, pois especifica a capacidade que um dado material tem
de transferir energia térmica (VAN WYLEN; SONNTAG, 1976 apud FORD, 2011).
São considerados como isolantes térmicos apenas materiais com
condutividade térmica menor que 0,25 𝑊 𝑚 ∙ 𝐾⁄ (WANG, 1988 apud CRAVO, 2013).
Porém ocorre exceção em relação aos isolantes refletivos, que é o caso do alumínio,
que tem alta condutividade térmica, mas que também pode ser enquadrado na
categoria de isolante térmico, exclusivamente quando aplicado sob a forma
geométrica tipo sanfona, pois essa configuração coíbe a perda de calor (FORD,
2011).
27
A condutividade térmica dos isolantes térmicos é afetada diretamente pela
espessura desse material, a sua massa especifica e tamanho das células do
material, assim como a umidade e temperatura do ambiente (MENDES, 2002 apud
GALVÃO, 2012).
A baixa condutividade térmica e o caráter fibroso da maioria dos materiais
orgânicos contribuem para aplicações de isolamento térmico, pois materiais
orgânicos naturais geralmente contêm uma capacidade de calor específico mais
elevada (KORJENIC et al., 2011).
O calor específico consiste na capacidade térmica específica e é a
propriedade característica do material que descreve a energia necessária para
induzir alteração na temperatura de uma unidade de massa do material (DAW,
2008).
28
3. MATERIAIS E MÉTODOS
A fim de investigar as propriedades do biocompósito e avaliar qual a forma
do material possuir melhor desempenho, foram fabricados, em moldes fechados,
protótipos com proporções em massa de 5%, 10%, 15% e 20% de fibra de carnaúba
em matriz de látex.
3.1. MATÉRIAS-PRIMAS
As palhas de carnaúba foram obtidas na região do Vale do Açu/RN.
Conforme indica a Figura 14, as palhas foram cortadas e em seguida, foram
moídas em moinho de facas, que pertence ao Laboratório de Nutrição Animal, da
UFRN e a partir de então foi obtida a fibra, que passou por uma peneira de 30 mesh.
Figura 14 – Processo de obtenção da fibra de carnaúba
(a) folha seca de carnáuba (b) palha cortada (c) fibra moída
O látex pré-vulcanizado fabricado pela empresa Kilatex, foi utilizado como
adquirido. Esse látex é definido como natural, concentrado com aditivos
vulcanizados e estabilizado com amônia; possui alta fluidez e seca a temperatura
ambiente; possui também índices de toxidez, pois antes de vulcanizado, o produto
exala vapores de amoníaco, que podem ser absorvidos por via respiratória.
29
3.1.1. Fabricação
Para obtenção dos compósitos, optou-se por utilizar método de mistura
manual, conforme indica a Figura 15:
Figura 15 – Etapa inicial do processo de fabricação dos compósitos
(a) componentes (b) adição (c) agitação (d) mistura uniformizada
Foram realizadas proporções em massa de látex e de fibra da palha da
carnaúba, nas concentrações de 5%, 10%, 15% e 20% em massa de fibra em
relação à massa da matriz. Esses materiais foram misturados, nas devidas
proporções, constituindo, dessa forma, a primeira fase de fabricação dos
compósitos.
Após a mistura de componentes, as formulações dos compósitos foram
submetidas à cura por moldagem com aceleramento térmico, através de estufa com
circulação de ar, à 70ºC por 72, 48, 36 e 24 horas, respectivamente para os
compósitos de concentração 5%, 10%, 15% e 20%. Esses parâmetros foram
estabelecidos por ensaios preliminares, que mostraram que quanto maior o
percentual de fibra, menor é o tempo de cura do compósito.
30
Ou seja, o material lignocelulósico, neste caso, pode ser apontado como um
agente acelerador de cura da borracha natural pré-vulcanizada.
Para que fossem realizados os ensaios de caracterização dos materiais,
foram necessários corpos-de-prova com duas formas. Então, foram fabricados dois
tipos de corpos-de-prova: cilíndricos e retangulares. Cilíndricos com 60 mm de
diâmetro e 80 mm de altura para viabilização de ensaio de caracterização térmica. E
retangulares, em forma de placas de 120 mm de comprimento por 100 mm de
largura e 4 mm de espessura, para realização dos ensaios físico-mecânicos.
A fim de estabelecer parâmetros comparativos, corpos-de-prova de borracha
natural sem adição de fibra também foram produzidos, em duas formas,
semelhantemente aos compósitos. Porém esses corpos-de-prova possuíram
particularidades no processo de fabricação, devido às características peculiares de
cura do látex pré-vulcanizado puro. Este processo de obtenção dos corpos-de-prova
de borracha natural foi realizado de forma lenta e gradual, através sucessivas
deposições de camadas, à medida que se obtinha a formação do filme contínuo e
firme de látex.
3.2. ENSAIOS
A realização da caracterização dos materiais se deu conforme requisitos
para se ter um bom isolante térmico. Então, o compósito foi caracterizado através da
investigação das propriedades de densidade, teor de umidade, condutividade
térmica, calor específico, difusividade térmica e resistência mecânica, através de
ensaios de tração e dureza Shore. Também foram empregadas as técnicas de
Termogravimetria (TG/DTG) e Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para
analisar os materiais.
Os ensaios de densidade, teor de umidade, condutividade, calor específico,
difusividade, dureza e resistência a tração foram determinados por valores médios, a
partir de pelo menos 5 repetições de medidas.
3.2.1. Caracterização térmica
Os materiais, no formato de 5 corpos-de-prova cilíndricos, foram
caracterizados termicamente, quanto às suas propriedades térmicas de
condutividade, difusividade e calor específico, em 10 medidas.
31
Além dessa caracterização, termicamente, os materiais foram submetidos a
ensaios para determinação da análise termogravimétrica.
As técnicas utilizadas para determinar as propriedades térmicas foram:
Ensaios térmicos de condutividade, difusividade e calor específico, no
Laboratório de Mecânica dos Fluidos/ UFRN, através de equipamento analisador
térmico (condutivímetro) KD2_Pro Decagon Devices, que possui sensor SH-1 de
agulhas térmicas duplas. Esse sensor funciona emitindo e recebendo calor da
amostra, proporcionando aquisição de dados referentes às propriedades térmicas,
em intervalo de tempo de 2 minutos e 30 segundos.
Especialmente, para esses ensaios de determinação de condutividade, calor
específico e difusividade, foram realizadas medidas relativas à fibra de carnaúba.
Termogravimetria: de acordo com os parâmetros indicados pela ASTM
E2550–11, através de equipamento de marca Netzsch STA 449F3, pertencente ao
Laboratório de Análise Térmica – DQ/CCET/UFRN. A faixa de temperatura utilizada
foi de 25 a 600°C e as razões de aquecimento na ordem de 10 ℃ ∙ 𝑚𝑖𝑛−1.
As análises de termogravimetria foram realizadas em amostras retiradas do
compósito após a fabricação. E esses ensaios termogravimétricos indicaram as
faixas de temperaturas em que os materiais sofrem degradação mássica.
3.2.2. Caracterização físico-mecânica
A caracterização físico-mecânica foi realizada, a partir dos corpos-de-prova
fabricados no formato de placas (Figura 16), que foram adaptados/ cortados, de
acordo com as devidas especificações de ensaio.
Figura 16 – Placas de borracha natural e do compósito em diferentes formulações
32
Ensaio de determinação da densidade relativa dos materiais foi
realizado através de densímetro digital (Figura 17), pertencente ao Laboratório de
Mecânica dos Fluidos, UFRN. Esse ensaio foi realizado em corpos-de-prova com
dimensões de 25 x 25 mm e foi realizado com base nas indicações técnicas contidas
na norma ASTM D2395−14.
Figura 17 − Densímetro Gehaka, modelo DSL 910
Ensaio de medição de teor de umidade, através do equipamento
ilustrado na Figura 18. E os corpos-de-prova submetidos a esses ensaios tiveram
dimensões de 25 x 25 mm.
Figura 18 − Determinador de umidade ID200 Marte
33
Esse ensaio foi realizado de forma análoga ao procedimento descrito na
norma ASTM D1348–94. E O cálculo para determinar o teor de umidade foi realizado
através da expressão:
% = [(M – D)/M] · 100 (2)
Onde: “M” é a massa inicial da amostra e “D” é a massa seca da amostra.
Ensaio de resistência mecânica à tração uniaxial ilustrado na Figura 19.
Este ensaio foi realizado no Laboratório de Metais e Ensaios Mecânicos (LABMEM-
DEMat-CT/UFRN), com base nas instruções técnicas da norma ASTM D412.
Figura 19 − Máquina universal Shimadzu
Ensaio de Dureza Shore A, fundamentado na norma ASTM D2240–05
e realizado através de durômetro mostrado na Figura 20, disponível no Laboratório
do Grupo de Estudos de Tribologia da UFRN. Esse ensaio foi realizado em corpos-
de-prova de dimensões de 60 x 50 mm
Figura 20 – Durômetro (Máquina de Ensaio de Dureza) Kori
34
Análises por MEV, para avaliar a estrutura dos materiais. Essas
análises foram efetuadas em equipamento ilustrado na Figura 21, pertencente ao
Laboratório de Microscopia Eletrônica de Varredura, UFRN – CT – DEMAT.
Figura 21 – Microscópio Hitachi TM3000
Essas análises foram realizadas em amostras do compósito após a
fabricação.
35
4. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A fim de quantificar a potencialidade do compósito para fins de isolamento
térmico, apresenta-se a caracterização dos materiais. Nesta caracterização, foram
utilizadas as siglas: BN (borracha natural); FC (fibra de carnaúba); BN+FC5,
BN+FC10, BN+FC15 e BN+FC20, para fazer referência ao compósito de borracha
natural e fibra de carnaúba nas proporções mássicas de 5%, 10%, 15% e 20% de
fibra em relação a matriz.
A caracterização é estabelecida e discutida/comparada à análise de
desempenho de materiais de origem semelhante, especialmente formados por
borracha e/ou materiais lignocelulósicos.
4.1. DENSIDADE
Foram realizadas medidas relativas à densidade dos materiais. Essas
medidas são mostradas na Tabela 1 e revelam que à medida que há aumento do
percentual de fibra, há uma diminuição proporcional da densidade para BN+FC5,
BN+FC10 e BN+FC15.
Tabela 1 – Dados relativos à densidade
Material Densidade/(Kg/m³)
BN 913
BN+FC5 872
BN+FC10 767
BN+FC15 694
BN+FC20 760
A partir da análise desses dados, observa-se que, conforme é previsto,
quando há adição de material lignocelulósico em matriz polimérica, tem-se a redução
da densidade do material. Porém, o compósito BN+FC20, não seguiu a tendência de
que quanto maior o percentual de fibra há diminuição proporcional da densidade do
compósito. Apenas ficou confirmada a característica comum dos compósitos
reforçados com fibra natural, de que a associação de fibra a matriz promove a
redução da densidade do material em relação à matriz sem reforços.
36
Ganjyal et al. (2004) constataram comportamento semelhante ao aumento
de densidade de compósitos de espuma de amido e fibra de milho. Observaram que
com o aumento no teor de fibra, em concentrações acima de 10% de massa em
relação a matriz, houve dificuldade em manter a distribuição uniforme das fibras na
matriz e isto pode ter resultado na agregação de fibras em diferentes locais que
promoveram descontinuidades na matriz e consequentemente houve leve aumento
da densidade, de forma equivalente ao comportamento do compósito BN+FC20.
4.2. TEOR DE UMIDADE
O método relativo à determinação do teor de umidade presente nos
materiais baseia-se na perda do percentual úmido devido aumento de temperatura.
Na Tabela 2 são observados os resultados referentes ao ensaio de
determinação do teor de umidade dos compósitos. A análise dos teores de umidade
dos compósitos permite indicar que à medida que o percentual de material
lignocelulósico aumenta, o material absorve um maior teor de umidade, isso se deve
ao potencial hidrofílico característico das fibras vegetais.
Tabela 2 – Dados relativos ao teor de umidade
Material Teor de umidade/(%)
BN 0,8
BN+FC5 1,1
BN+FC10 1,2
BN+FC15 1,6
BN+FC20 2,0
Jacob et al. (2006) estudaram a absorção de água em compósito de
borracha natural e tecido de sisal e constataram que a afinidade a umidade de fibras
lignocelulósicas consiste em uma desvantagem na sua utilização em compósitos e
isto ocorre devido à presença de grupos de hidroxila nas unidades de celulose das
fibras, que permite que se formem pontes de hidrogénio com moléculas de água.
37
Faruk et al. (2012) afirmaram que a natureza hidrofílica das fibras é uma
grande problema para os compósitos reforçados com fibras vegetais, devido a
natureza hidrófila das fibras naturais, porém ressaltaram que o teor de umidade
absorvido por um compósito de fibras naturais pode representar uma vantagem no
desempenho biológico do material. E desempenho biológico seria a característica de
relevância em relação ao potencial de biodegradação que o material possui.
Conforme foi definido por Brito et al. (2011): a degradação de um material orgânico
causada por atividade biológica, principalmente pela ação enzimática de micro-
organismos, consiste na sua capacidade de biodegradação.
Korjenic (2011) também afirmaram que materiais compósitos originários de
recursos orgânicos possuem uma maior sensibilidade à umidade, o que é
problemático se o material for exposto a um ambiente com umidade elevada, pois a
exposição excessiva à umidade pode causar corrosão biológica, isto é, degradação
por bactérias, fungos e bolores. Por esta razão, os materiais orgânicos fabricados
devem sempre ser separados de fontes de umidade, e se forem implementados, que
seja de forma em que haja a possibilidade de secagem rápida quando os materiais
absorverem muita umidade.
Mokhothu e John (2015) indicaram que a absorção de umidade em
compósitos de fibra natural é explicada principalmente pela ação capilar de
moléculas de água para dentro das aberturas e defeitos na fronteira entre as fibras e
a matriz por causa de ligação incompleta, ou pela existência de lacunas entre os
segmentos da matriz ou ainda devido a microfissuras do material ocasionadas pelo
processo de fabricação.
4.3. CONDUTIVIDADE TÉRMICA
Os dados relativos às medições da propriedade condutividade térmica dos
materiais são mostrados na Figura 22.
Esses dados revelaram que a adição de fibra de carnaúba em borracha
natural diminui a condutividade térmica e por isso incrementa o potencial de
isolamento térmico desse tipo de material.
38
Figura 22 – Relação de dados relativos à condutividade térmica
Observa-se a clara contribuição da fibra na potencialização da borracha
como isolante. Pois, houve uma tendência acentuada a diminuição dos valores de
condutividade no compósito à medida que houve aumento do teor de fibra,
entretanto esse comportamento não apresentou linearidade e BN+FC15 foi o
material que apresentou menor valor de condutividade. E BN+FC20 apresenta valor
discordante da tendência observada, assim como observado para os valores de
densidade.
Ressalta-se que os valores para condutividade térmica dos materiais
BN+FC10, BN+FC15 e BN+FC20 são próximos e, portanto o menor valor de
BN+FC15 não o faz significantemente mais isolante térmico do que os demais.
Os dados apresentados estão coerentes para indicação desse compósito
como isolantes térmicos, conforme já dito por Wang (1988) apud Cravo (2013), que
para ser isolante térmico, o material deve apresentar condutividade térmica menor
que 0,25 𝑊 𝑚 ∙ 𝐾⁄ .
Esses resultados ratificam o potencial de isolamento térmico das fibras
vegetais, sobretudo quando compõem materiais compósitos, conforme é indicado
por Neira (2005, 2011).
De acordo com Borges (2009), o valor da massa específica é fator
fundamental na relação entre o calor e a capacidade calorífica e, portanto, materiais
com baixa massa específica apresentam, também, uma baixa condutividade térmica,
o que representa uma característica fundamental para um bom isolante térmico.
0,1995
0,1340
0,1718
0,1457 0,1431 0,1463
0,000
0,020
0,040
0,060
0,080
0,100
0,120
0,140
0,160
0,180
0,200
Co
nd
uti
vid
ad
e t
érm
ica/
(W/m
· K
)
39
Essa relação é ratificada neste trabalho, pois o compósito BN+FC15 foi o que
apresentou menor valor de densidade e também menor condutividade térmica.
4.4. CALOR ESPECÍFICO
As medições relativas aos valores de calor específico dos materiais revelou
que essa propriedade não apresentou divergência significativa entre os valores, mas
observa-se, através da Figura 23, que por contribuição de FC, o calor específico do
compósito tem seu valor reduzido, quando comparado a BN.
Figura 23 – Relação de dados relativos ao calor específico
O calor específico é diminuído diretamente a medida que há o aumento no
percentual de fibra para BN+FC5, BN+FC10 e BN+FC15.
Já para BN+FC20, observa-se que o valor do calor específico não
acompanha a proporcionalidade de que quanto maior o percentual de fibra, menor o
calor específico.
Esse comportamento não acompanha a tendência, porém o valor relativo a
BN+FC20 é próximo aos demais valores do compósito nas outras
proporcionalidades. Tem-se ainda que esse comportamento é semelhante ao que
ocorre nas propriedades de densidade e condutividade térmica, onde constatou-se
que há relação entre tendência de proporcionalidade de quanto maior o aumento de
fibra, menor é o valor relativo a propriedade medida, apenas para BN+FC5,
BN+FC10 e BN+FC15.
1753
1484
1691 1647 1633 1662
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Calo
r esp
ecíf
ico
/ (J
/Kg
·K)
40
4.5. DIFUSIVIDADE TÉRMICA
Os valores medidos para difusividade térmica estão relacionados na Figura
24 e a partir deles é possível observar a não regularidade de valores das diferentes
formulações do compósito para essa propriedade.
Figura 24 – Relação de dados relativos à difusividade térmica
Mendes et al. (2012) indicaram que a difusividade térmica é uma
propriedade do material que denota a razão entre a capacidade de transferência de
energia no material pela sua capacidade de armazenamento, sendo característico
um baixo valor da mesma para os materiais isolantes térmicos. Então, seguindo
essa linha de pensamento e considerando essa propriedade isoladamente para o
compósito desenvolvido neste trabalho, tem-se que as formulações BN+FC10 e
BN+FC20 são os que apresentam melhores valores para serem indicados como os
que têm o maior potencial de isolamento térmico. Porém essa propriedade isolada
não define um isolante térmico.
Dada a irregularidade nos valores medidos para a difusividade térmica. E
tendo que a essa propriedade pode ser calculada pela relação entre a condutividade
térmica, a densidade e o calor específico, apresenta-se a Figura 25, mostrando os
valores calculados para essa propriedade, levando em consideração os valores
médios medidos neste trabalho. A partir dos diagramas de valores das Figuras 24 e
25, indica-se que não há exatidão, mas há concordância/coerência entre os valores
medidos e os calculados.
0,0E+00
2,0E-08
4,0E-08
6,0E-08
8,0E-08
1,0E-07
1,2E-07
1,4E-07
1,6E-07
Dif
usiv
idad
e t
érm
ica/
(m²
· s)
1,2X10−7
1,0X10−7 9,8 X10−8
1,1 X10−7
9,6 X10−8
0
1,2X10−7
1,6X10−7
1,0X10−7
8,0X10−8
6,0X10−8
4,0X10−8
2,0X10−8
1,4X10−7
1,6 X10−7
41
Figura 25 – Relação de valores calculados para difusividade térmica
4.6. TERMOGRAVIMETRIA
A análise termogravimétrica de compósitos, que possuem fins de isolamento
térmico, é necessária para indicar a faixa de temperatura em que os materiais
podem ser aplicados sem sofrer degradação mássica. Essa análise se deu através
da relação entre o percentual de massa do compósito versus o aumento gradativo
de temperatura.
Analisando as curvas TG/DTG dos compósitos (Figuras 26 e 27), observa-se
que para todas as formulações, o comportamento termogravimétrico se assemelha.
Figura 26 – Curvas termogravimétricas
0,00E+00
2,00E-08
4,00E-08
6,00E-08
8,00E-08
1,00E-07
1,20E-07
1,40E-07
1,60E-07
Dif
usiv
idad
e t
érm
ica/
(m²
· s) 1,2X10−7
1,0X10−7 1,0X10−7 1,1X10−7 1,2X10−7
0
1,2X10−7
1,6X10−7
1,0X10−7
8,0X10−8
6,0X10−8
4,0X10−8
2,0X10−8
1,4X10−7
1,5X10−7
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 50 100150200250300350400450500550600
Massa %
Temperatura/(ºC)
BN
BN+FC5
BN+FC10
BN+FC15
BN+FC20
42
Figura 27 – Curvas de termogravimetria derivada
Há discrepância no comportamento dos materiais BN+FC15 e BN+FC20,
inicialmente na faixa de 60ºC. Este fato pode ser justificado devido a maior
concentração de fibra e, portanto indica-se que essa perda de massa é devido à
característica hidrofílica, que em geral as fibras lignocelulósicas possuem.
A partir de 200ºC, observa-se que ocorre um comportamento comum a todas
as formulações, representando, dessa forma, uma tendência acentuada a perda de
massa. BN acompanha essa tendência, porém de forma mais sutil. Dessa forma,
tendo como referência o comportamento da BN, indica-se que a degradação sofrida
pelos compósitos nesse estágio, ocorre devido à contribuição do material
lignocelulósico da fibra nos compósitos.
À aproximadamente 350ºC, nota-se um declínio acentuado, especialmente,
na curva referente ao comportamento da BN, e também declínios mais amenos nas
curvas dos demais materiais. Em torno de 450ºC e 500ºC, na Figura 27, são
observados dois momentos de perda significativa de massa, por possível
contribuição do percentual de borracha natural que compõe o compósito.
Conforme relatam Monteiro et al. (2012), o ensaio termogravimétrico de
compósitos com fibras naturais revela essencialmente em etapas de decomposição:
a primeira inicia-se à temperaturas abaixo de 200ºC e essa sensível perda de massa
é atribuída à liberação de umidade, principalmente da superfície da fibra. Em torno
de 250°C e 365ºC, observa-se um declínio na curva, significando, respectivamente,
a degradação da hemicelulose e da celulose da fibra.
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100150200250300350400450500550600
Deri
vad
a_m
assa/
%
Temperatura/ºC
BN
BN+FC5
BN+FC10
BN+FC15
BN+FC20
43
Semelhantemente, observa-se que há familiaridade entre os resultados
termogravimétricos aqui apresentados e as curvas TG/DTG apresentadas por Osmar
et al. (2010), que analisaram o comportamento termogravimétrico de compósito com
borracha natural. Eles constataram as ocorrências de um primeiro grande pico de
perda de massa em torno de 390ºC e um segundo pico em 480ºC, significando
essencialmente a degradação do material por contribuição da borracha natural e
tendo assim, a representação do limite de resistência térmica da borracha.
Xue et al. (2010) avaliaram a modificação de borracha natural através de
processo envolvendo adição de bromo e relataram que através de análise
termogravimétrica, as curvas TG/DTG para borracha natural apresentam dois picos,
um em 360ºC e outro em 520ºC. Esse resultado é compatível com o apresentado na
Figura 27 para BN, significando que os resultados que foram obtidos aqui possuem
coerência e estão em concordância com outros trabalhos.
Azwa et al. (2013) indicaram que o ensaio termogravimétrico é amplamente
utilizado para estudar a degradação térmica de materiais compósitos de fibras
naturais e revelam que há ocorrência de decomposição precoce, observada por uma
baixa temperatura de início da degradação, o que implica numa menor estabilidade
térmica de desempenho térmico dos compósitos desse tipo.
4.7. TRAÇÃO UNIAXIAL
Conforme indica os valores da Tabela 3, o aumento na porcentagem de fibra
adicionada a matriz diminui a resistência à tração. Observa-se ainda que a adição de
fibra na borracha diminui a sua capacidade de deformação.
Tabela 3 – Dados relativos a resistência a tração dos materiais
Material Tensão de ruptura/(MPa) Deformação/(%)
BN 4,38 458
BN+FC5 3,03 343
BN+FC10 2,64 267
BN+FC15 2,30 164
BN+FC20 1,80 91
44
De forma semelhante, Pantamanatsopa et al. (2014) relataram que a
resistência à tração foi diminuída a medida em que o teor de fibra foi aumentado em
compósitos de borracha reforçada com fibra de juta.
Afiq e Azura (2013) também indicaram que a resistência a tração dos
compósitos de matriz de látex (borracha natural) reforçados com carga de amido de
sagu, foram diminuídas à medida que foi aumentada a incorporação de sagu, em
relação às películas de látex natural.
4.8. DUREZA
As medidas de Dureza Shore realizadas revelam que a borracha natural sem
adição de esforços apresenta dureza 32±2 ShA.
A Tabela 4 indica os valores relativos à dureza dos materiais e a partir daí, é
possível observar-se a ocorrência de um aumento gradativo da dureza, à medida
que se aumenta a proporção em massa de fibra. Esse aumento não apresenta
linearidade, apenas tendência ao acréscimo de valor. Então, em relação a
resistência a penetração de material, BN tem o menor valor e o compósito BN+FC20
tem o maior valor.
Tabela 4 – Dados relativos a resistência a tração dos materiais
Material Dureza ShA
BN 32
BN+FC5 35
BN+FC10 40
BN+FC15 44
BN+FC20 53
Rattanasom et al. (2009) relataram que conforme esperado, a dureza é
aumentada notavelmente quando tem-se compósito de borracha natural com adição
de carga, que no caso foi de argila.
Abdel Kader et al. (2012) indicaram que a dureza de compósitos de borracha
natural reforçados com resíduos de borracha aumenta a medida em que aumento do
percentual de reforço.
45
Pantamanatsopa et al. (2014) também indicaram que a dureza aumenta
significativamente com o aumento do teor de carga em compósito de borracha, isto
é, existe uma relação direta, que significa que quanto maior a quantidade de reforço
no compósito, maior será a dureza do material.
Semelhantemente, Garcia et al. (2015) observaram que o aumento de
aglomerado de couro incorporado a espuma de borracha natural,
melhora/incrementa a dureza do compósito.
4.9. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA
A análise morfológica dos materiais, por intermédio da microscopia
eletrônica de varredura é realizada, a partir das imagens que foram obtidas dos
materiais que deram origem aos compósitos de látex reforçado com partículas de
fibra da palha da carnaúba, assim como, do compósito em si.
A superfície da palha de carnaúba, mostrada na Figura 28, apresenta leves
marcas irregulares e depressões amenas.
Figura 28 – Superfície da palha da carnaúba
Fernandes (2011) apresentou imagem semelhante e verificou que a
ocorrências de fibrilas, representadas por reentrâncias sutis, se deve a camada de
cera que é característica da folha da espécie.
A superfície da borracha, conforme mostra a Figura 29, é lisa, contínua e
apresenta transparência.
46
Figura 29 – Superfície do filme de látex/borracha natural
De acordo com Steward et al. (2000), a transparência é característica do
filme formado pelo látex. E a partir dessa transparência, é possível observar que
existem pequenas e dispersas bolhas formadas no processo de cura do látex. Essas
bolhas estão sinalizadas por setas, na Figura 29.
Para o compósito em diferentes proporções, tem-se a Figura 30, onde são
apresentadas as imagens, que identificam os materiais através de suas
particularidades morfológicas.
Figura 30 – BN+FC5(a), BN+FC10(b), BN+FC15(c) e BN+FC20(d)
(a)
47
Para BN+FC5, em detalhe na Figura 30(a), observa-se que a morfologia é
regular e permite identificação da fibra imersa na matriz.
(b)
(d)
(c)
48
Para a amostra BN+FC10, em detalhe na Figura 30(b), tem-se que além da
identificação da fibra na matriz, há também irregularidade na formação da matriz.
Para BN+FC15, em detalhe na Figura 30(c), o compósito apresenta uma
estrutura em que nota-se a maior concentração/ dispersão de fibra.
E para BN+FC20, em detalhe na Figura 30(d), observa-se que a maior
agregação de fibras provoca imperfeições no material, devido pouca molhabilidade
da matriz para alta concentração de fibra. Isso é constatado através da Figura 31.
Figura 31 – Interface fibra/matriz BN+FC20
Observa-se que há irregularidade na estrutura e não há total adesão entre
os componentes. Portanto, pode-se indicar que houve saturação de fibra na matriz.
E essa estrutura irregular e sem homogeneização, reflete o comportamento
discrepante dessa formulação em relação às demais.
49
5. CONCLUSÃO
A caracterização termo-física do biocompósito de fibra de carnaúba e
látex (borracha natural) demonstrou o potencial do compósito para ser indicado
como isolante térmico.
O processo de cura/fabricação de materiais com borracha natural
vulcanizada envolve a necessidade de implementação de energia ou de
aceleradores de processo. Para tanto, a adição de material lignocelulósico (fibra de
carnaúba) funcionou como acelerador de cura do látex e observou-se que o
compósito com maior percentual de fibra foi o que apresentou menor tempo de cura,
já a borracha natural e o compósito com menor percentual de fibra foram os
materiais que demandaram mais gasto de energia e tempo.
A adição de fibra de carnaúba incrementa a borracha natural,
reduzindo sua densidade;
À medida que houve aumento na concentração de fibra na matriz,
houve aumento da capacidade do compósito de absorver umidade.
O aumento de teor de fibra, até concentrações mássicas a 15%,
promove a melhoria na potencialidade de isolação térmica que a borracha natural
possui. E, portanto, o compósito com concentração a 15% de fibra foi o que
apresentou propriedades mais regulares, podendo ser indicado como um bom
isolante térmico;
Conforme análise termogravimétrica, o compósito demonstrou que
possui boa aplicabilidade em faixas de temperaturas até 200ºC, pois a partir dessa
temperatura, ocorre degradação de material;
Em relação ao ensaio de tração, o compósito apresentou menor
resistência a medida que houve aumento de teor de fibra;
Em relação à dureza, o compósito teve essa propriedade incrementada
proporcionalmente ao aumento de concentração da fibra na matriz;
As imagens de MEV revelaram que o compósito com concentração a
20% de fibra, apresenta maiores irregularidades morfológicas.
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Dadas estas constatações, indica-se que o compósito de látex com fibra de
carnaúba com concentração mássica a 15% de fibra em relação a matriz, é o que
apresenta comportamento mais razoável e melhor viabilidade para fins de
isolamento térmico.
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6. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS
Desenvolvimento de estudo do aspecto de biodegrabilidade dos
compósitos para confirmar se a adição de fibra na borracha promove a
implementação do caráter biodegradável da borracha natural;
Confecção de compósito com manta da fibra de carnaúba;
Estudo da influência da granulometria da fibra na fabricação do
compósito e nas suas propriedades físicas, térmicas e mecânicas.
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