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ESTUDO DA INFLUÊNCIA DE TRATAMENTOS NA PROMOÇÃO

DA DURABILIDADE E ADERÊNCIA DE FIBRAS DE CURAUÁ E

SISAL EM MATRIZES À BASE DE CIMENTO PORTLAND

Renata Daniel dos Santos

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Civil da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientadores: Romildo Dias Toledo Filho

Saulo Rocha Ferreira

Rio de Janeiro

Dezembro de 2016





PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA CIVIL DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO CIVIL.

Examinado por:

Prof. Romildo Dias Toledo Filho,D.Sc.- Orientador

Prof. Saulo Rocha Ferreira, D.Sc.- Orientador

´ Prof. Elaine Garrido Vazquez

Prof. Wilson Wanderley da Silva

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

DEZEMBRO de 2016

Santos, Renata Daniel

Estudo da influência de tratamentos na promoção da durabilidade e

aderência de fibras de curauá e sisal em matrizes à base de cimento

Portland / Renata Daniel dos Santos - Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola

Politécnica, 2016.

xii, 128 p.: il.; 29,7 cm. Orientadores: Romildo Dias Toledo Filho

Saulo Rocha Ferreira

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso

de Engenharia Civil, 2016. Referencias Bibliográficas: p. X

1. Fibras Vegetais 2.Durabilidade 3. Tratamentos

I. Toledo Filho, Romildo Dias et al. II. Universidade

Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia Civil. III

Estudo da influência da umidade no comportamento

mecânico de fibras vegetais e tratamentos para promoção da

durabilidade.

i

AGRADECIMENTOS

Antes de tudo, quero agradecer a Deus por todas as conquistas alcançadas ao longo

da minha vida. Sem Ele, nada seria possível.

Valter e Mara, meus grandes amores e melhores pais que alguém poderia ter. A

simplicidade e bondade imensas do meu pai e a força e coragem inigualáveis da minha

mãe me fizeram ser quem eu sou hoje. Não tenho palavras para dizer o quanto eu amo

vocês e o quanto me sinto orgulhosa de ser filha de vocês.

À Escola Politécnica da UFRJ, por todos esses anos de aprendizado e crescimento

pessoal, e em especial a coordenadora Michèle Pfeil, por acreditar em mim e por me

motivar em momentos difíceis da minha vida.

Ao professor Romildo Dias Toledo Filho, por me ensinar grande parte do que

aprendi na faculdade de engenharia civil, por toda atenção e carinho durantes os 3 anos e

meio de iniciação científica. Obrigada por ter aceitado me orientar. Sua didática, sabedoria

e humildade me encantaram e espero levar comigo para sempre tudo que aprendi com o

senhor.

Aos professores da Escola Politécnica, em especial os professores Eduardo

Qualharini, Henrique Longo, Ana Catarina Evangelista, Elaine Garrido, Michèle Pfeil,

Fernando Danziger, Wilson Wanderley, Luis Otávio Cocito, Leonardo Becker, Bruno

Jacovazzo, José Antônio Santiago, Sandra Oda, Respício Espírito Santo, Otto Rotunno

filho, Fernando Gomes e ao decano Fernando Ribeiro. Todos foram muito importantes ao

longo desse caminho e só tenho a agradecer pela consideração, carinho e excelente

didática.

Às secretárias de departamento Rosane e Luzia. Obrigada por toda ajuda e

compreensão.

ii

Ao Laboratório de Estruturas e Materiais (LABEST), ao Núcleo de Materiais e

Tecnologias Sustentáveis (NUMATS) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento

Científico e Tecnológico (CNPq), por todo o apoio e suporte à minha pesquisa. Sou

imensamente grata por tudo.

Aos funcionários do LABEST e NUMATS, Luzidelle, Carmen, Flávio, Márcia,

Adailton, Jean, Clodoaldo, Alessandro, Thales, Anísio e Paulinho. Em especial, ao Renan,

Rosângela, Sandra, Claudinha e Jô, por todo carinho e atenção, e ao Anderson e Márcio

por sempre animarem meus dias de ensaios e rirem das minhas brincadeiras bobas (rs).

Aos companheiros de NUMATS, Fabrício, Otávio, Samantha, Camila, Vanessa,

Tina, Andrielli, Oscar, Aline, Nina, Iolanda, Daniele, Adriana, Alfredo, Dimas, Karyne,

Bruna Britto, Gabriel, Ana, Pedro Duda, Clarice Sipres, Carol Sermarini, Carol Goulart,

Jessica Beatriz, Thaiane Maciel, Lívia Chaves, Lucas, Thais, Nina Zonis, Lucas Cecilio,

Luini, Carol, Mayara, Vivian, Barthos, Mazza, Anile, Liuskilla, Tamara e em especial aos

orientadores da iniciação científica, juntamente com o professor Romildo, Thiago Grabois

e Saulo Rocha. Obrigada a todos, aprendi muito com todos vocês.

Aos grandes amigos e companheiros de NUMATS, Pedro Ribeiro, Anne Beatris,

Raphael Rodrigues, Kathelyn Gandra, Mostafa Galal, Vanessa Andreola e Vinicius

Krausz. Adorei conhecer todos vocês e espero tê-los em minha vida sempre.

À Nathalia Rodrigues Julião, por estar sempre ao meu lado, em todos esses anos de

iniciação científica, me ajudando nos ensaios ou só me apoiando, fofocando (rs),

brincando. Obrigada mesmo por todo carinho e atenção que você sempre teve comigo.

Sem você ao meu lado, não teria sido tão bom.

Ao M’hamed Yassin Rajiv da Gloria, por todo carinho, ajuda, afeto, atenção e

compreensão. Obrigada por todas as noites que tive que ficar no laboratório até mais tarde

e você ficou comigo. Obrigada por sempre me deixar em segurança antes de ir embora.

Obrigada por corrigir meus textos, sem ter obrigação nenhuma de fazer isso. Obrigada por

iii

me mandar estudar e mandar eu não me atrasar para a aula (rs)! Enfim, obrigada por ser

meu grande amigo. Espero um dia poder retribuir tudo que você já fez por mim.

Aos meus amigos de graduação, Adriano Rosário, Fernanda Coutinho, Alice

Ferman, Pedro Garrido, Meggie Araújo, Marcelo Ferrantini, Maurício Ferraro, Ricardo

Benzecry, Filipe Ribeiro, Édipo Ázaro, Allexley Pacheco, Rodrigo Muniz, Gustavo

Medina, Julia Gimenes, Jacssone Alerte, Camilla Abreu, Mariana Silva, Pedro Ribeiro,

Guilherme Messeder, Leonardo Santos, Plínio Santiago, Luiz Henrique, dentre outros, que

fizeram com que esses anos fossem inesquecíveis.

Ao Rodrigo Muniz, por ter sido um grande amigo nesses últimos períodos de

faculdade, me ajudando em trabalhos, provas ou simplesmente almoçando e discutindo

nosso futuro promissor de engenheiros. Sem você não teria sido a mesma coisa.

Aos meus grandes amigos, Guilherme Leal, Thiago Palma, Tomaz Rocha,

Fernanda Coutinho, Priscila, Ricardo Benzecry, Luiz Felipe, Alessandro, Lucas, Gabriel

Freitas, Ivan, Mariana Palma, Roberta Borges, Carla Gomes, Nathalie Gomes, Nathalia

Gustafson, Carlinha Araújo, Rodrigo Muniz, Medina, Julia e Adriano Rosário. Obrigada

por fazerem meus dias e noites mais animados e por serem parceiros para todas as

ocasiões. Sair sem vocês não teria graça nenhuma!

À minha grande amiga Fernanda Coutinho, por ter me apoiado desde o início da

faculdade e por ter sido a melhor amiga que eu poderia ter. Obrigada por sempre acreditar

em mim, por me ouvir e por estar sempre ao meu lado. Um dos melhores presentes da

UFRJ foi você!

Por ultimo, não poderia deixar de agradecer à melhor pessoa que já conheci em

toda a minha vida, Adriano Rosário de Lima e Silva. Obrigada por sempre estar ao meu

lado, em todos os momentos da minha vida. Obrigada por me ajudar quando eu mais

precisei. Obrigada por ser chato e me mandar estudar sempre. Obrigada por ser tão

educado, gentil e atencioso. E o principal, obrigada por me amar incondicionalmente. Não

iv

tenho palavras para dizer o quanto eu te amo e o quanto sou grata por você ter feito tudo o

que fez por mim até hoje. Espero poder retribuir todo o seu amor e te fazer a pessoa mais

feliz do mundo.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Civil.





Dezembro/2016

Orientadores: Romildo Dias Toledo Filho Saulo Rocha Ferreira

Curso: Engenharia Civil

O presente trabalho tem como objetivo investigar a influência de tratamentos superficiais no

comportamento microestrutural, mecânico, durabilidade e adesão de fibras vegetais em matrizes à

base de cimento. Fibras de curauá e sisal foram submetidas a modificações superficiais: tratamento

com cationização e síntese de nanopartículas de ferro e manganês em fibras previamente cationizadas

e hornificação alcalina com hidróxido de cálcio (um, cinco e dez ciclos). Visando estudar a

durabilidade, fibras naturais foram submetidas à intemperismo natural (durante o período do verão) e

a imersões em água destilada e em solução de hidróxido de cálcio por um mês. Com o mesmo

objetivo, fibras tratadas com nanopartículas também foram submetidas a imersões em água destilada

e em solução de hidróxido de cálcio por um mês. As modificações intrínsecas na estrutura das fibras

bem como em suas características físicas, químicas e propriedades mecânicas foram avaliadas. A

adesão fibra-matriz foi avaliada através dos ensaios de arrancamento (fibras naturais e tratadas) em

matriz livre de hidróxido de cálcio. Os resultados apontam que mesmo tratadas, as fibras são

sensíveis à fotodegradação e a ambiente alcalino, contudo, em uma visão geral, os tratamentos

aplicados tendem a modificar a morfologia das fibras (reduzindo área de lúmens, aumentando a

rugosidade, etc.) e reduzindo a capacidade de absorção das fibras, aumentando seu comportamento

mecânico e a adesão com a matriz.

Palavras-chave: Fibras vegetais, tratamentos superficiais, durabilidade, matriz cimentícia

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of

the requirements for degree of Materials Engineer.

STUDY OF THE INFLUENCE OF TREATMENTS IN THE

PROMOTION OF DURABILITY AND BOND BEHAVIOR OF

CURAUA AND SISAL FIBERS IN MATRIXES BASED ON

PORTLAND CEMENT


December/2016

Advisors: Romildo Dias Toledo Filho Saulo Rocha Ferreira

Course: Civil Engineering

The present work investigated the influence of surface treatments on the microstructural,

mechanical, durability and adhesion properties of vegetal fibers in cement-based matrices. Curaua and

sisal fibers were submitted to superficial modifications: treatment with cation and synthesis of iron and

manganese nanoparticles in previously cationized fibers and alkaline hornification with calcium hydroxide

(one, five and ten cycles). In order to study durability, natural fibers were subjected to natural weathering

(during the summer period) and immersed in water and calcium hydroxide solution for one month. With

the same objective, fibers treated with nanoparticles were also immersed in water and calcium hydroxide

solution for one month. The modifications in the structure of the fibers as well as their physical, chemical

and mechanical properties were evaluated. The fiber-matrix bond behavior was evaluated by pullout tests

(natural and treated fibers) in a calcium hydroxide free matrix. The results indicate that even treated, the

fibers are sensitive to photodegradation and alkaline environment, however, in general, the applied

treatments tend to modify the fiber morphology (reducing lumens area, increasing roughness, etc.) and

reducing the absorption capacity of the fibers, increasing its mechanical behavior and adhesion with the

matrix.

Key-words: Natural fibers, superficial treatments, durability, cement-based matrices

vii

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ................................................................................................... 1

SUMÁRIO ....................................................................................................................... 7

ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................. 13

ÍNDICE DE TABELAS ................................................................................................ 16

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

1.1 JUSTIFICATIVA ..................................................................................................... 3

1.2 OBJETIVO ............................................................................................................... 4

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................. 4

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 6

2.1. FIBRAS VEGETAIS ................................................................................................ 6

2.1.1. MICROESTRUTURA DAS FIBRAS VEGETAIS ............................................ 7

2.1.2. CONSTITUINTES DAS FIBRAS VEGETAIS .................................................. 8

2.1.3. FIBRAS DE CURAUÁ .......................................................................................... 9

2.1.4. FIBRAS DE SISAL ............................................................................................. 12

2.1.5. APLICAÇÃO DE FIBRAS VEGETAIS ........................................................... 14

2.1.6. COMPORTAMENTO MECÂNICO DAS FIBRAS VEGETAIS ................... 17

2.2. MATERIAL COMPÓSITO .................................................................................. 19

vii

i

2.3. MATRIZ CIMENTÍCIA ....................................................................................... 20

2.4. COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS VEGETAIS .......................... 20

2.5. ADESÃO FIBRA-MATRIZ .................................................................................. 21

2.6. DURABILIDADE DE FIBRAS VEGETAIS ....................................................... 29

2.6.1. EFEITO DE ÁCIDOS SOBRE FIBRAS VEGETAIS ..................................... 30

2.6.2. EFEITO DE AGENTES BIOLÓGICOS SOBRE FIBRAS VEGETAIS ....... 30

2.6.3. EFEITO DO ATAQUE ALCALINO SOBRE FIBRAS VEGETAIS ............. 31

2.6.4. UTILIZAÇÃO DE FIBRAS VEGETAIS EM MATRIZES CIMENTÍCIAS

LIVRES DE HIDRÓXIDO DE CÁLCIO .................................................................... 33

2.6.5 ANÁLISE DE FATORES DE DEGRADAÇÃO DE FIBRAS VEGETAIS..... 36

3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ................................................................ 39

3.1. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS .......................................................... 41

3.1.1. CIMENTO PORTLAND, METACAULINITA E CINZA VOLANTE .......... 41

3.1.2. AREIA .................................................................................................................. 43

3.1.3. SUPERPLASTIFICANTE ................................................................................. 43

3.1.4. FIBRAS DE CURAUÁ E SISAL ........................................................................ 45

3.2. TRATAMENTOS NAS FIBRAS .......................................................................... 45

3.2.1.TRATAMENTO COM CATIONIZAÇÃO E SÍNTESE DE

NANOPARTÍCULAS DE FERRO E MANGANÊS EM FIBRAS PREVIAMENTE

CATIONIZADAS .......................................................................................................... 45

ix

3.2.1.1. CATIONIZAÇÃO DE FIBRAS ...................................................................... 46

3.2.1.2. SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS ............................................................. 46

3.2.2. HORNIFICAÇÃO ALCALINA ........................................................................ 47

3.3. DURABILIDADE: IMERSÕES PROLONGADAS ........................................... 47

3.4. DURABILIDADE: INTEMPERISMO NATURAL NAS FIBRAS................... 47

3.5. DURABILIDADE: IMERSÕES PROLONGADAS EM FIBRAS TRATADAS

COM NANOPARTÍCULAS ........................................................................................ 49

3.6. ENSAIOS ................................................................................................................ 50

3.6.1. AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE ABSORÇÀO DAS FIBRAS .............. 50

3.6.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA ............................................................ 50

3.6.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X ................................................................................ 51

3.6.4. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA ..................................... 53

3.6.5. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS .............................................. 53

4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS ......................................... 58

4.1. INFLUÊNCIA DE TRATAMENTOS COM CATIONIZAÇÃO E SÍNTESE DE


CATIONIZADAS NAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DAS FIBRAS

VEGETAIS .................................................................................................................... 58

4.1.1. MORFOLOGIA E AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE ABSORÇÃO DAS

FIBRAS .......................................................................................................................... 58


x

4.1.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X ............................................................................... 63


4.1.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................. 67

4.2. INFLUÊNCIA DA HORNIFICAÇÃO ALCALINA NAS PROPRIEDADES

FÍSICAS E MECÂNICAS DAS FIBRAS VEGETAIS .............................................. 69

4.2.1. MORFOLOGIA E AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE ABSORÇÀO DAS

FIBRAS .......................................................................................................................... 69




4.2.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................. 78

4.3. DURABILIDADE: EFEITO DO INTEMPERISMO NATURAL E IMERSÕES

PROLONGADAS NAS FIBRAS VEGETAIS ............................................................ 79

4.3.1. ANÁLISE MORFOLÓGICA ............................................................................. 79





4.4. DURABILIDADE: 1 MÊS EM H2O: FIBRAS TRATADAS COM

NANOPARTÍCULAS ................................................................................................... 88


xi





4.5. DURABILIDADE: 1 MÊS EM CA(OH)2: FIBRAS TRATADAS COM

NANOPARTÍCULAS ................................................................................................... 95




4.5.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS ............................................ 101

4.5.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ........................................................................... 102

4.6. INFLUÊNCIA DOS TRATAMENTOS NA ADERÊNCIA FIBRA-MATRIZ103

4.6.1 FIBRAS TRATADAS COM NANOPARTÍCULAS: ANÁLISE ADESIONAL

4.6.1.1. ENSAIO DE ARRANCAMENTO ............................................................... 103

4.6.1.2. CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 106

4.6.2. HORNIFICAÇÃO ALCALINA: COMPORTAMENTO ADESIONAL ..... 106

4.6.2.1. ENSAIO DE ARRANCAMENTO ............................................................... 106

4.6.2.2. CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 111

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS ................................ 112

xii

6. BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 115

xii

i

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 – Estrutura das fibras de (a) coco e (b) juta (FIDELIS, 2014)......................................................8

Figura 2 - Curvas TG/DTG da fibra de sisal. Atmosfera de nitrogênio, razão de aquecimento de

10°C/min............................................................................................................................................................9

Figura 3 – Plantação de curauá (CEAPAC,2013)........................................................................................10

Figura 4 – Fibras de curauá (Monteiro et. al,2006) ....................................................................................11

Figura 5 – Seção transversal da fibra de curauá (esquerda) e superfície da fibra de curauá (direita)

obtidas através de microscopia eletrônica de varredura............................................................................11

Figura 6 – Processo de beneficiamento das fibras longas de sisal: (a) corte das folhas; (b)

desfibrilamento mecânico; (c) secagem e (d) enfardamento para venda (FERREIRA,

2012)........................................................................................................................................................... ......13

Figura 7 – Seção transversal da fibra de sisal (esquerda) e superfície da fibra de sisal (direita), obtidas

através de microscopia eletrônica de varredura..........................................................................................14

Figura 8 – Tensão x deslocamento (LIMA, 2004). ......................................................................................22

Figura 9 – Diferentes morfologias da fibra de sisal: (a) ferradura, (b) arco e (c) arco retorcido (Silva,

2009)...................................................................................................................... ...........................................24

Figura 10 - Variação do índice de absorção de água das fibras de sisal após os ciclos de molhagem e

secagem (FERREIRA, 2012)....................................................................................... ...................................27

Figura 11 – Seção transversal e detalhe nas fibrocélulas de fibras tratadas (a) e não tratadas .............28

Figura 12 - Desenho esquemático da decomposição alcalina da fibra de sisal (GRAM,

1988)................................................................................................................................................. ...............32

Figura 13 – Gráfico de análise térmica de uma matriz sem material pozolânico (a) e uma matriz com

material pozolânico (b)...................................................................................................................................33

Figura 14 – Organograma do programa experimental...............................................................................40

Figura 15 – Curva granulométrica do CP II F-32 e adições: cinza volante e metacaulinita

(FERREIRA, 2012). .................................................................................................... ...................................41

Figura 16 – Análise termogravimétrica do CP II F-32 (FERREIRA, 2012).............................................42

Figura 17 - Curva granulométrica da areia utilizada (a); comparativo das curvas dos materiais finos

com a areia (b) . ................................................................................................................ ..............................43

Figura 18 – Curva do ponto de saturação do dispersante Glenium 51....................................................44

xiv

Figura 19 - Painel com inclinação de 45° para realização do teste............................................................48

Figura 20 - Dados meteorológicos do período de exposição Janeiro-fevereiro 2015 (umidade,

temperatura, precipitação e radiação) .........................................................................................................49

Figura 21 – Máquina de ensaios mecânicos Shimadzu AGX-100kN.........................................................54

Figura 22 – Configuração do ensaio de arrancamento (a); garras e molde de papel (b) detalhe da fibra

submetida à tração direta (c) (FERREIRA, 2012) .....................................................................................55

Figura 23 – Moldagem dos corpos-de-prova para ensaio de arrancamento (FERREIRA, 2012)..........57

Figura 24 – Molde utilizado no ensaio de arrancamento (esquerda); detalhe do rebaixamento para

encaixe do molde de PVC; Corte e dos elementos do molde para corpo-de-prova do ensaio de

arrancamento (direita) (FERREIRA, 2012) ................................................................................................57

Figura 25 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá cátion (b),

curauá Fe2O3 (c), curauá MnO (d)...............................................................................................................59

Figura 26 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal cátion (b), sisal

Fe2O3 (c), sisal MnO (d)..................................................................................................... ...........................59

Figura 27 – EDS das fibras de curauá Fe2O3 (a), sisal Fe2O3 (b), curauá MnO (c) e sisal MnO (d)...60

Figura 28 – Curva de absorção de fibras de curauá e sisal, tratadas e não tratadas..............................61

Figura 29 – TG/DTG de fibras de curauá e sisal naturais e com diferentes tratamentos.......................62

Figura 30 – Difração de raios –X para fibras de curauá (esq) e sisal (dir) tratadas e não

tratadas....................................................................................................................................... ....................64

Figura 31 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras tratadas com mg, ferro e cátio.....66

Figura 32 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá 1 ciclo (b),

curauá 5 ciclos (c), e curauá 10 ciclos (d) .....................................................................................................70

Figura 33 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal 1 ciclo (b), sisal 5

ciclos (c), e sisal 10 ciclos (d) .................................................................................................... .....................70

Figura 34 – Curva de absorção de fibras de curauá e sisal, tratadas e não tratadas...............................71

Figura 35 – TG/DTG de fibras de curauá e sisal com diferentes tratamentos.........................................73

Figura 36 - Difração de raios –X para fibras de curauá (esq) e sisal (dir) tratadas e não tratadas......74

Figura 37 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal

(direita) tratadas e não tratadas. ................................................................. ...............................................76

Figura 38 - Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá 1 mês em

H2O (b), curauá 1 mês em Ca(OH)2 (c) e curauá submetido ao intemperismo (d) ................................80

xv

Figura 39 - Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal 1 mês em H2O

(b), sisal 1 mês em Ca(OH)2 (c) e sisal submetido ao intemperismo (d) ...................................................80

Figura 40 - TG/DTG de fibras de curauá( esquerda) e sisal (direita) com diferentes tratamentos........82

Figura 41 - Difração de raios –X para fibras de curauá (esq) e sisal (dir) tratadas e não tratadas........83


(direita) tratadas e não tratadas. ...............................................................................................................85


curauá Fe2O3 (c), curauá MnO (d)............................................................................. ..................................88


Fe2O3 (c), sisal MnO (d)..................................................................................................... ...........................89

Figura 45 - TG/DTG de fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita) com diferentes tratamentos........90

Figura 46 – Difração de raios –X para fibras de curauá (esq) e sisal (dir) tratadas e não tratadas.....91


(direita) tratadas e não tratadas. ................................................................................................................93


curauá Fe2O3 (c), curauá MnO (d) .................................................................................. ...........................96


Fe2O3 (c) e sisal MnO (d) .................................................................................................... .........................96

Figura 50 – TG/DTG de fibras de curauá e sisal com diferentes tratamentos........................................98

Figura 51 – Difração de raios –X para fibras de curauá (esq) e sisal (dir) tratadas e não tratadas.....99


(direita) tratadas e não tratadas. .............................................................................................................101

Figura 53 - Influência dos tratamentos na força de arrancamento das fibras de curauá e sisal.........104

Figura 54 - Superfície de fibras de curauá ferro (esquerda) e sisal manganês (direita) tratadas após

ensaio de arrancamento.............................................................................................................................105

Figura 55 - Influência dos tratamentos na força de arrancamento das fibras de curauá e sisal........107

Figura 56 - Superfície de fibras de curauá tratadas após ensaio de arrancamento. Sisal Natural (a),

sisal 1 ciclo (a), sisal 5 ciclos (c) e sisal 10 ciclos (d).................................................................................108

Figura 57- Influência dos tratamentos na força de arrancamento das fibras de sisal.........................109

Figura 58 - Superfície de fibras de curauá tratadas após ensaio de arrancamento. Sisal Natural (a),

sisal 1 ciclo (a), sisal 5 ciclos (c) e sisal 10 ciclos (d) ................................................................................110

xvi

ÍNDICE DE TABELAS Tabela 1 - Valores de referência de algumas fibras (FIDELIS, 2014)......................................................18

Tabela 2 - Composição e propriedades físicas do CP II F-32, metacaulinita e cinza volante

(FERREIRA, 2012) .............................................................................................................. ..........................40

Tabela 3 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas...............................................65

Tabela 4 – Resultados dos ensaios de tração direta para fibras de curauá e sisal..................................67





Tabela 9– Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas................................................92

Tabela 10 – Resultados dos ensaios de tração direta para fibras de curauá e sisal................................94

Tabela 11 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas...........................................100

Tabela 12 – Resultados dos ensaios de tração direta para fibras de curauá e sisal..............................102

Tabela 13 - Resultados do ensaio de arrancamento de fibras de curauá e sisal.....................................105

Tabela 14 – Resultados do ensaio de arrancamento de fibras de curauá e sisal.....................................111

1

1 INTRODUÇÃO

A engenharia, através de avanços tecnológicos, promove construções

arquitetônicas cada vez mais elaboradas, com foco na sustentabilidade, no impacto ao

meio ambiente e na durabilidade das edificações. Imprescindivelmente, materiais à base de

cimento seguem em constante evolução e estudos têm sido realizados com objetivo de

desenvolver novas tecnologias, seja incorporando novos materiais, como aprimorando

técnicas existentes. Matrizes à base de cimento, apesar de boa resistência aos esforços de

compressão, são frágeis e rompem quando submetidas a pequenas deformações sob

esforço de tração. Para compensar esta deficiência, materiais alternativos são utilizados

como reforço destas matrizes.

Sob esta ótica, muitos estudos indicam que a adição de fibras em compósitos

cimentícios mostra-se eficiente, conferindo melhoria nas propriedades mecânicas, porém

diversas características podem influenciar este desempenho. Segundo Melo Filho (2012),

as fibras mais utilizadas com esta finalidade são as de aço, vidro, PVA (poliálcool

vinílico) e o polipropileno (PP) e carbono. Além destas, sob a perspectiva da

sustentabilidade, uma grande variedade de fibras vegetais também têm sido utilizada como

sisal, coco, juta, bambu, cana de açúcar, curauá, entre outras. Em comparação com as

fibras sintéticas, as fibras vegetais são biodegradáveis, abundantes, provenientes de fontes

renováveis, possuem baixo custo, baixo risco à saúde, além de trazerem benefícios

econômicos para regiões onde seu cultivo é relevante, contribuindo para o rápido

desenvolvimento da infra-estrutura do país.

O uso de fibras vegetais se dá desde a pré-história para diversas finalidades como

vestuário, tapeçaria, adornos, alimentos, dentre outras. Fibras vegetais também possuem

diversas aplicações industriais e comerciais que se expandem através de novas pesquisas e

descobertas. Sarkar, a.k et al (2009), realizou tratamentos contra raios ultravioleta e

2

antibacteriano em fibras de bambu para fabricação de tecidos. Salazar et al (2006) efetuou

um estudo referente à biodegradabilidade das fibras de coco e sisal utilizadas na indústria

automobilística. De acordo com Melo Filho (2012), na construção civil, as fibras vegetais

são utilizadas em matrizes cimentícias na produção de elementos de cobertura e

revestimento, painéis divisórios, telhados verdes, reforço e reabilitação de paredes de

alvenaria e diversos componentes habitacionais.

As fibras vegetais são obtidas de diferentes partes de uma determinada planta.

Podem ser provenientes do caule, folha e sementes ou frutos das plantas. São constituídas,

principalmente, por celulose, hemicelulose, lignina e pectina. De acordo com Silva (2010),

o conhecimento da estrutura interna das fibras lignocelulósicas e da composição química é

importante para compreensão de como ela pode influenciar nas características dos

compósitos onde serão empregadas. Condições climáticas, idade e absorção não só

influenciam a estrutura das fibras, mas também a composição química.

Contudo, em fibras vegetais usadas como reforço em compósitos cimentícios,

algumas desvantagens do desempenho das fibras demandam mais estudos, principalmente

a baixa aderência à matriz, alta absorção de água e a durabilidade em meios alcalinos,

devido principalmente à degradação da hemicelulose e lignina seguida pela mineralização

das fibras. Modificações nas matrizes e pré-tratamentos nas fibras têm sido eficazes na

solução destes problemas.

Diversos autores observaram melhorias ao substituir parte do cimento por aditivos

minerais com atividade pozolânica, desenvolvendo assim, matrizes livres de hidróxido de

cálcio ou com baixa alcalinidade. Toledo filho et al (2003) substituiu parte do cimento

Portland por sílica ative e escória. Lima (2004) e Melo filho (2012) utilizaram

metacaulinita e resíduos calcinados de tijolos moídos para consumir Ca(OH)2 gerado

durante a hidratação do cimento. Ferreira (2012) e Fidelis (2014) substituíram

parcialmente o cimento por metacaulinita e cinza volante.

3

A fim de melhorar a aderência da fibra com a matriz de cimento e a capacidade de

absorção de água, diversa estudos propuseram tratamentos que, através de modificações

químicas, alteram a superfície das fibras como a acetilação, hornificação, lavagem com

soluções alcalinas, impregnação de polímeros e tratamentos térmicos (ANGRIZANI et al.,

2006; LOPES et al., 2010; FERREIRA 2012; FIDELIS 2014; WEI 2014).

Ainda que os tratamentos citados demonstrem ser eficientes quanto à promoção de

modificações na superfície das fibras, ainda faltam diversas informações que estabeleçam

de forma mais abrangente as suas devidas melhorias e o mecanismo de degradação das

fibras vegetais.

1.1 JUSTIFICATIVA

Ainda que diversas pesquisas tenham sido publicadas ao longo dos últimos anos, e

resultados satisfatórios tenham sido alcançados, existe uma lacuna a ser preenchida no que

diz respeito ao entendimento dos efeitos dos tratamentos na estrutura e composição

química das fibras vegetais. A presente pesquisa propõe novas técnicas no estudo de

compósitos cimentícios reforçados com fibras vegetais com ênfase no uso de

nanopartículas que têm mostrado grande eficácia em fibras vegetais destinadas a áreas

como a indústria têxtil e indústria automotiva, além de aplicações de engenharia como

suportes usados como estruturas na construção civil e compensados de pequena espessura.

Especificamente, pretende-se:

Investigar o comportamento físico-mecânico de fibras submetidas à ação de

tratamentos químicos, bem como a combinação dos mesmos (cationização e

síntese de nanopartículas de ferro e manganês em fibras previamente

cationizadas), na superfície das mesmas;

4

Avaliar a influência do tratamento de molhagem e secagem, em soluções de

hidróxido de cálcio, sobre as propriedades físicas e mecânicas das fibras;

Analisar a durabilidade de fibras expostas ao intemperismo natural;

Estudar a influência dos tratamentos na aderência fibra-matriz

1.2 OBJETIVO

O objetivo geral desta pesquisa é analisar o comportamento e aderência com a matriz

cimentícia de fibras de curauá e sisal quando submetidas a diversas condições,

correlacionando às propriedades mecânicas, aspectos microestruturais, estrutura

química das mesmas, além da busca por tratamentos que mitiguem a degradação em

ambiente alcalino.

1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO

O presente trabalho será composto por 5 capítulos:

Capítulo 1: Introdução - No presente capítulo é feita uma breve introdução,

ressaltando a relevância da utilização de fibras vegetais na construção civil, seguindo a

conjuntura da sustentabilidade. Apresenta também a motivação do estudo, os objetivos da

pesquisa e a estrutura do trabalho.

Capítulo 2: Revisão Bibliográfica – Apresenta uma revisão sobre os principais

desenvolvimentos que estão ocorrendo voltados para a utilização de fibras vegetais em

materiais compósitos como também características da matriz cimentícia. Apresenta

também as técnicas e tratamentos utilizados nas fibras com objetivo de melhorar seu

desempenho em matrizes cimentícias.

Capítulo 3: Materiais e Procedimentos Experimentais - Apresentação das

características dos materiais a serem empregados, a metodologia das condições a que as

5

fibras de curauá e sisal foram submetidas bem como os ensaios físicos e mecânicos

realizados.

Capítulo 4: Apresentação e Análise dos resultados - Neste capítulo são

apresentados resultados obtidos para cada tratamento realizado nas fibras e as respectivas

análises.

Capítulo 5: Considerações Finais e Trabalhos Futuros– São apresentadas

conclusões obtidas dos resultados encontrados para cada condição analisada e sugestões

para pesquisas futuras.

Bibliografia – Bibliografia utilizada como base no presente estudo.

6

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Na construção civil, fatores como a sustentabilidade, durabilidade e qualidade têm

sido muito considerados, não só pela influência no custo total do empreendimento como

pela questão ambiental. Através do avanço de estudos voltados às estruturas e materiais na

construção civil, novos materiais vêm sendo desenvolvidos com características superiores

às dos tradicionais, como maior resistência, maior durabilidade e maior leveza. Nos

últimos anos, destacam-se os avanços no estudo dos materiais compósitos cimentícios, que

apesar de boa resistência aos esforços de compressão, rompem com grande facilidade

quando submetidos à tração. Para compensar esta deficiência, fibras vegetais são utilizadas

como reforço destas matrizes.

2.1. FIBRAS VEGETAIS

As fibras vegetais são obtidas de diferentes partes das plantas. Podem ser

provenientes do caule, folhas, sementes ou frutos das plantas. As fibras obtidas do caule

são formadas por feixes de fibras, cada um contendo fibrocélulas individuais ou

filamentos. Fibras de juta, linho, cânhamo são exemplos desse tipo. Fibras das folhas,

como o sisal e a banana, possuem diâmetro superior aos das fibras provenientes do caule.

O algodão é um exemplo de fibra de sementes e a fibra de coco de fibra proveniente do

fruto. Há ainda outras fontes de lignocelulose, que pode ser obtida através de resíduos

agrícolas, como a casca de arroz, casca da semente de girassol e do bagaço da cana de

açúcar (THOMAS et al., 2011; FIDELIS, 2014).

Condições climáticas, idade e absorção de alimento não só influenciam a estrutura

das fibras, mas também a composição química. São apresentados no Quadro 1, alguns

fatores que afetam o desempenho das fibras vegetais.

7

Quadro 1 – Fatores que influenciam no desempenho das fibras vegetais, adaptado por FIDELIS et al., 2014

Estágio Fatores que afetam a qualidade da

fibra

O crescimento das

plantas

Espécie da planta;

Cultivo;

Localização do cultivo;

Localização da fibra na planta;

Clima local.

Colheita

Maturação fibra, obtida através da:

Espessura da parede celular;

Aspereza das fibras.

Extração da fibra Processo de decortificação;

Método de maceração.

Fornecimento

Condições de transportes;

Condições de armazenamento;

Idade da fibra.

2.1.1. MICROESTRUTURA DAS FIBRAS VEGETAIS

Os principais componentes das fibras vegetais são a celulose, hemicelulose,

lignina, pectina, ceras e água solúvel (Bledzki, 1999). Quanto à morfologia, as fibras

vegetais são feixes constituídos por células individuais, que por sua vez são compostas por

microfibrilas, que são polímeros vegetais com grau de polimerização na ordem de 25.000

e alto teor de celulose. As microfibrilas são compostas pela parede primária, secundária,

terciária e uma cavidade central, denominada lúmen (Figura1). As fibrocélulas estão

ligadas umas as outras pela lamela central, constituída de hemicelulose e lignina. O lúmen

possui tamanho variado, porém sua geometria é bem definida. As paredes celulares são

formadas por várias camadas de estrutura fibrilar a qual é constituída por fibrilas

conectadas por lignina. Na parede primária, as fibrilas possuem uma estrutura reticulada.

Na parede secundária exterior (S1), as fibrilas são arranjadas em espirais com um ângulo

de 40° em relação ao eixo longitudinal da fibra. As fibrilas na parede secundária interna

8

(S2) possuem uma inclinação de 18 a 25°. A parede terciária (S3) possui estrutura fibrilar

paralela e engloba o lúmen. As fibrilas são formadas por microfibrilas, que são compostas

de celulose conectadas por hemicelulose (TOLEDO FILHO, 2007; SILVA, 2009).

(a) (b)

Figura 1 – Estrutura das fibras de (a) coco e (b) juta (FIDELIS, 2014)

2.1.2. CONSTITUINTES DAS FIBRAS VEGETAIS

As fibras são compostas por filamentos individuais que são constituídos por

microfibrilas unidas por componentes químicos orgânicos não cristalinos (hemicelulose e

lignina). Estas microfibrilas são compostas por moléculas de celulose e estão orientadas

em ângulos distintos, formando diversas camadas que compõem a macrofibra. Esta

composição química pode determinar as propriedades e a durabilidade das fibras vegetais

(SILVA, 2002).

Para evidenciar constituintes químicos, a caracterização térmica da fibra vegetal é

se suma importância. Na Figura 2 demonstra-se uma curva de análise térmica da fibra de

sisal.

9

Figura 2 - Curvas TG/DTG da fibra de sisal. Atmosfera de nitrogênio, razão de aquecimento de 10°C/min

De acordo com a Figura 2, podemos observar que na faixa de temperatura de 30 a

220 °C há um pico que foi atribuído à perda da água presente nas fibras (reações de

desidratação intra e intermoleculares). A degradação da fibra de sisal inicia-se em

aproximadamente 250 °C e continua rapidamente com o aumento da temperatura,

apresentando perda de massa de 72% até cerca de 420 °C. Na curva DTG, evidenciam-se

dois picos distintos com máximos em cerca de 310 e 375 °C, indicando que ocorrem duas

etapas na degradação térmica da fibra. O primeiro pico é atribuído à decomposição de

componentes da hemicelulose faixa de temperatura de 220 a 330 °C, nesta ocorre

degradação lenta com perda de massa de 18%. A degradação da celulose ocorre em

temperaturas mais altas em relação à hemicelulose, inicia-se em 330 °C e finaliza em cerca

de 420 °C (SILVA, 2010).

2.1.3. FIBRAS DE CURAUÁ

O curauá (Ananas erectifolius) é uma fibra originada da planta Ananas comosus,

pertencente ao gênero das bromélias ou bromeliáceas (Figura 3). Originalmente brasileira,

10

possui folhas de 5 cm de largura em média, podendo atingir um comprimento de 1,5 m.

Sendo inicialmente encontrada na região da região amazônica, apresenta potencial para o

uso de suas fibras lignocelulósicas, com excelente comportamento mecânico, tendo

aproveitamento na área da construção civil ( ERENO, 2004; MONTEIRO et al., 2006;

BILCATI, 2015).

Figura 3 – Plantação de curauá (CEAPAC,2013)

O cultivo do curauá teve início no Lago Grande de Curuaí, no município de

Santarém, localizado no estado do Pará, e vem sendo cultivada em larga escala na região

amazônica. Pode ser encontrada também na região Centro–Oeste do Brasil (MONTEIRO

et al., 2006; SILVA, 2010; BILCATI, 2015).

De acordo com Barros (2006), a colheita da planta curauá é feita manualmente e no

primeiro ano posterior ao replantio, o curauá rende 24 folhas por planta, sendo equivalente

a dois quilos de fibra em média, tendo um rendimento de fibra seca de aproximadamente

6% independente da variedade do curauá.

As fibras de curauá utilizadas na presente pesquisa foram fornecidas pela empresa

Pematec (Santarém, Pará), sendo extraídas da folha da planta pelo processo de

decortificação, semelhante ao utilizado no sisal (Figura 4).

11

Figura 4 – Fibras de curauá (Monteiro et. al,2006)

A fibra de curauá possui uma seção transversal irregular e tem área média de 0.008

mm2 (Figura 5). Em comparação com a fibra de sisal, a fibra de curauá apresenta uma

área de seção transversal mais uniforme. A fibra possui uma média de 300 filamentos,

atingindo uma resistência de 310 MPa e um módulo médio de 48,1 GPa. Tomczak et al.

(2007) relatam que, de acordo com seus estudos, a fibra de curauá possui índice de

cristalinidade de 66% de celulose, o que justificaria seu elevado módulo. Cordeiro et al.

(2011), relatam valores de cristalinidade de 56,7%. De acordo com estes autores, as fibras

de curauá possuem vários defeitos na sua superfície e ruptura frágil quando solicitados à

tração, apresentando desfibrilamento das células, o que poderia mostrar a fraca adesão

entre as fibrocélulas.

Figura 5 – Seção transversal da fibra de curauá (esquerda) e superfície da fibra de curauá (direita) obtidas

através de microscopia eletrônica de varredura

12

2.1.4. FIBRAS DE SISAL

O sisal é uma planta de origem mexicana, que faz parte da família Agavaceae. De

acordo com a literatura, o nome sisal tem como origem a cidade de Sisal, localizada no

estado mexicano Yucatán, cujo porto foi o primeiro na exportação destas fibras no mundo.

Apesar de ser de origem mexicana, os três principais produtores mundiais de sisal são o

Brasil, a China e a Tanzânia (DA GLORIA, 2015).

As fibras de sisal são localizadas dentro das folhas da Agave no sentido

longitudinal, e podem medir entre 1,0 e 1,5 m de comprimento, com um diâmetro em

torno de 0,1 - 0,3 mm, rendendo de 2 a 5,5% de fibras secas em relação a seu peso verde.

Normalmente não frutifica, apenas floresce entre cinco e oito anos, morrendo em seguida.

Para obtenção das fibras, como mostra a Figura 6, as folhas precisam ser golpeadas e

lavadas repetidas vezes para retirada da polpa e mucilagens ou através de raspadeiras ou

desfibradeiras. Em seguida, as fibras são centrifugadas para a retirada do excesso de água

ou colocadas para secar ao sol, que possui ação branqueadora. Após secas, as fibras são

escovadas, classificadas, enfardadas e transportadas até a unidade de beneficiamento, onde

são removidas as impurezas aderidas às fibras. Uma secagem apropriada é essencial já que

a qualidade da fibra depende do teor de umidade reduzido. Após essa etapa, as fibras são

organizadas em fardos de aproximadamente 250 kg, identificados segundo normas do

Ministério de Agricultura e Abastecimento (MAPA) e comercializados para as indústrias

da Bahia, para outros estados ou o mercado internacional. No presente estudo foram

utilizadas fibras de sisal provenientes do município de Valente, Bahia, que possuíam

comprimentos situados na faixa de 90 cm a 100 cm. (MEDINA, 1954; LI et al., 2000;

FERREIRA, 2012; SANTOS et al., 2015; DA GLORIA, 2015).

13

Figura 6 – Processo de beneficiamento das fibras longas de sisal: (a) corte das folhas; (b) desfibrilamento

mecânico; (c) secagem e (d) enfardamento para venda (FERREIRA, 2012).

A fibra de sisal possui uma sessão transversal irregular (Figura 7) e apresenta

forma retorcida, lembrando uma ferradura ou um arco, como apontado por Silva (2009);

possui também área média da seção transversal de 0.023 mm2 e uma média de 144

fibrocélulas, podendo atingir uma resistência à tração de 453, 23 MPa, com um módulo de

20GPa (SANTOS et al, 2015).

Em sua pesquisa, Mwaikambo et al. (2002) relataram que a fibra de sisal é

composta por 73% de celulose, 13% hemiceluloses, 11% de lignina e 2% de pectina. Para

o índice de cristalinidade, o valor determinado foi de 70,9% para a fibra de sisal estudada.

CORDEIRO et at. (2011) relataram o valor de 49,5% para o índice de cristalinidade.

14

(

Figura 7 – Seção transversal da fibra de sisal (esquerda) e superfície da fibra de sisal (direita), obtidas

através de microscopia eletrônica de varredura

Toda essa complexidade da estrutura das fibras vegetais transforma o seu estudo

em um desafio, diante da irregularidade da seção transversal de cada fibra, dificultando o

calculo da área da seção transversal. Como a resistência à tração é diretamente ligada à

forma da fibra, o mecanismo de ancoragem com a matriz pode ser prejudicado (SILVA,

2009).

2.1.5. APLICAÇÃO DE FIBRAS VEGETAIS

As fibras vegetais, comparadas às fibras sintéticas, são de baixo custo, fáceis de

manusear, têm boas propriedades mecânicas e requerem menos energia no processo de

produção, além de serem biodegradáveis e de fontes renováveis. O desenvolvimento de

materiais compósitos reforçados por fibras de origem natural é em grande parte motivado

por uma maior consciência ambiental, devido aos problemas de eliminação de resíduos e

o esgotamento dos recursos naturais. A utilização de materiais naturais acoplada a

modernas técnicas de construção pode reduzir os resíduos de construção, aumentar a

eficiência de energia e ao mesmo tempo promover o conceito de sustentabilidade

(DITTENBER et al., 2012; FIDELIS, 2014).

15

Dentre as fibras vegetais que podem ser utilizadas na construção civil tem-se: sisal,

rami, juta, malva, curauá e fibra de coco, entre outras. A fibra de sisal se destaca entre as

fibras foliares, em termos de qualidade e de aplicação comercial, e também por possuir um

dos maiores valores de módulo de elasticidade (SILVA, 2010).

De acordo com Lopes (2009), em países como o Brasil, o emprego na indústria de

fibras de culturas como sisal, cana-de-açúcar, juta, caroá e curauá, pode levar a melhoria

de vida das comunidades produtoras que têm, em sua maioria, nessas culturas uma forma

de sobrevivência.

Segundo Savastano Junior et al (1997), em comparação ao cimento-amianto, a

utilização de fibras vegetais tem como vantagens a baixa quantidade de energia necessária

para sua extração, atingindo-se um menor preço no mercado industrial e a redução do risco

à saúde dos trabalhadores, devido ao desenvolvimento de doenças respiratórias causadas

por inalação do amianto. Além das vantagens citadas, as fibras vegetais são capazes de

gerar benefícios econômicos para regiões onde seu cultivo é relevante.

Segundo Lima (2004), a importância real da cultura da fibra de sisal na economia

do Brasil é a sua capacidade de tornar produtivas regiões semiáridas, sem alternativas

econômicas, sendo um fator de sobrevivência para a população rural. Como exige um

grande volume de mão-de-obra, essa cultura abre mercado de trabalho para

aproximadamente 800 mil pessoas em mais de 40 municípios dos estados da Bahia e mais

de uma dezena de municípios nos estados da Paraíba e do Rio Grande do Norte, desde o

processo produtivo até o beneficiamento, fixando assim, o homem do campo e evitando o

êxodo rural e a desertificação daquela região. Considerando-se as tendências

ambientalistas globais, esta é uma grande oportunidade de agregação de valor das fibras

vegetais e de desenvolvimento tecnológico para países produtores agrícolas, como o

Brasil.

16

Com o avanço da tecnologia, a demanda por materiais reforçados com fibras

vegetais tem crescido e sua empregabilidade tem sido útil em diversos setores da

economia, como industrial, comercial, têxtil e construção civil. Fibras vegetais como juta,

algodão, sisal e coco podem ser utilizadas como reforço para plásticos, especialmente para

aplicações cujas condições de uso são menos severas, para substituir parcialmente e até

totalmente as fibras sintéticas, tais como na indústria automotiva para revestimentos

internos, de portas, painéis e teto. Fibras de celulose como reforço já está bem estabelecido

em alguns países do mundo, sobretudo naqueles que dispõem dos produtos chamados

asbestosfree, caso da Austrália que, já há algum tempo, comercializa produtos de

qualidade comprovada reforçados com fibras de celulose e empregam técnicas como o uso

de fibras em formato de polpa (SILVA, 2002). Tratamentos superficiais com

nanopartículas de ouro em fibras de gravatá-açu (furcraea foetida), mostram-se

promissores para a indústria têxtil e indústria de embalagens (L. J. CASTELLANOS et al.,

2012).

De acordo com Silva (2010), muitos produtos podem ser fabricados a partir de

fibras vegetais, desde suportes usados como estruturas na construção civil, compensados

de várias espessuras, aglomerados para fabricação de móveis e também em misturas com

concreto e argamassa, como está demonstrado as suas potencialidades no Quadro 2.

17

Quadro 2 - Potencialidade das fibras vegetais (Adapt. de SAVASTANO JÚNIOR, AGOPYAN; OLIVEIRA,

1997)

Fibra Produto Principal Aproveitamento para outros fins

Sisal

Fibra verde antes da

secagem

Uso potencial para produção de

celulose

Sisal Fibra beneficiada

Reforço de gesso, produção de fios e

celulose

Sisal Fios Produção de celulose (uso total)

Sisal Cordas Combustível e adubo

Sisal Tapetes

Uso potencial para produção de

celulose

Piaçava Fibra limpa e penteada Nenhum

Piaçava

Fibra para produção de

Vassouras Reprocessamento (parcial)

Algodão Fios para tecelagem Enchimento para almofadas e colchões

Coco Fibras longas e médias

Parcial: filtros, mantas, tapetes e

substrato agrícola

Rami Fibra bruta de tecelagem Substrato de uso agropecuário

Malva Fibra bruta limpa

Tecelagem e fiação, com baixo

rendimento

A utilização de fibras vegetais para reforço em compósitos cimentícios contribui

consideravelmente para evitar fissuras, tornando as construções mais resistentes aos

impactos.

2.1.6. COMPORTAMENTO MECÂNICO DAS FIBRAS VEGETAIS

O comportamento mecânico das fibras vegetais apresenta grande variação, pois

depende de diversos fatores como: diâmetro da fibra, estrutura, grau de polimerização,

estrutura cristalina, origem (caule, folha, fruto e semente) e das condições de crescimento.

Além das características citadas, condições climáticas, idade, forma de obtenção da área e

condições dos ensaios também afetam os resultados. Parâmetros como: precisão da

instrumentação, taxa de deformação, tipo de garra, comprimento e flexibilidade da

máquina são exemplos de fatores que influenciam os resultados de resistência mecânica

18

(THOMAS et al., 2011, SILVA et al., 2008, FIDELIS, 2014). A Tabela 1 apresenta

valores de referência para algumas fibras.

Tabela 1 - Valores de referência de algumas fibras (FIDELIS, 2014)

Fibra Densidade

(g/cm³)

Resistência

à tração

(Mpa)

Módulo de

Elasticida

de (Gpa)

Deformação

(%) Referência

Coco 1,25 192+-37 3,44 42,4+-14 DEFOIRT et al., 2010;

SYMINGTON et al., 2009

Bambu 1,38 +-0,05 813+- 94 33,37 2,9+-0,7 DEFOIRT et al., 2010

Juta 1,39+- 0,05 399+- 100 26,25 1,6+-0,3 DEFOIRT et al., 2010;


Piaçava - 131,1+- 27,1 2,58+-0,39 11,9+-4,3 D'ALMEIDA et al., 2006

Sisal 1,33 546,31+-

318,55

17,37+-

8,42 2,82+-1,182

SILVA et al., 2008;


Curauá - 131 - 310 48,7 4,49 - 4,57 TOMCZAK et al., 2009

Cânhamo 1,14 - 1,48 677 - 786 30-60 1,6

PICKERING et al., 2007;

SYMINGTON et al., 2009;

DHAKAL et al., 2006

PP 0,95 400 - 550 5,6 30 FELEKOGLU et al., 2009

PVA 1,3 1200 - 1600 31,4 - 42 7

SCHWARTZENTRUBER

et al., 2004; FELEKOGLU

et al., 2009;

MAGALHÃES, 2010.

Aço 7,85 1050 - 2000 210 - SAHIN e KOKSAL, 2011

Carbono 1,81 3800 242 - GINER et al., 2012

Vidro 2,68 1700 - 2500 75 4,7 WEI et al., 2010;

SOYLEV, 2011

Ao longo dos últimos anos, diversos autores estudaram os fatores que influenciam

a resistência à tração das fibras vegetais. Defoirdt et al. (2010), relataram que o teor e

celulose é o principal constituinte responsável pela resistência à tração, enquanto o ângulo

microfibrilar é proporcional à capacidade de deformação. Os mesmos acreditam que

módulo de elasticidade é proporcional ao teor de celulose e inversamente proporcional ao

ângulo microfibrilar. Tomczak et al. (2007) correlacionaram as propriedades mecânicas de

fibras de curauá com o diâmetro, comprimento e taxa de deformação. No estudo de Silva

et al. (2008), foi relatado que o comprimento parece não influenciar no módulo e na

19

resistência à tração. A variabilidade no módulo, para um dado comprimento, é

provavelmente devido à variabilidade na microestrutura das fibras e possíveis danos

ocorridos durante o processo de extração. Roy et al. (2012) investigaram a influência de

tratamento alcalino na resistência à tração da fibra de juta e observaram que com o

aumento da concentração de hidróxido de sódio, ocorreu maior perda de massa das fibras,

provavelmente devido a remoção gradual de hemicelulose e lignina. A resistência à tração

da fibra aumentou 82% em relação à fibra não tratada e a capacidade de deformação 35%.

2.2. MATERIAL COMPÓSITO

Materiais compósitos são aqueles que possuem pelo menos dois componentes ou

duas fases, com propriedades físicas e químicas nitidamente distintas em sua composição.

Separadamente, os constituintes do compósito mantém suas características, porém, quando

misturados, formam um composto com propriedades impossíveis de se obter com apenas

um deles.

Os materiais compósitos podem surgir de combinações entre metais, material

cimentício, cerâmicas, polímeros e outros. As possíveis combinações dependem das

condições de processamento e das prováveis incompatibilidades entre os componentes.

Compósitos, para aplicações estruturais, geralmente utilizam fibras – metálicas, sintéticas,

e naturais – como agentes de reforço. As fibras podem ser contínuas ou descontínuas,

alinhadas ou com distribuição aleatória, podendo ser obtidas em uma variedade de formas,

como mantas e estruturas têxteis de diferentes arquiteturas (SILVA, 2003).

http://pt.wikipedia.org/wiki/Propriedades_f%C3%ADsico-qu%C3%ADmicas

20

2.3. MATRIZ CIMENTÍCIA

As matrizes cimentícias são compostas de aglomerantes minerais, podendo conter

agregados, que dão origem a pastas, argamassas ou concretos. As matrizes mais utilizadas

são aquelas à base de cimento Portland e, em menor escala, a cal e o gesso. A adição de

fibras nas matrizes pode melhorar as suas propriedades mecânicas, como a resistência à

tração, à flexão e ao impacto. Além disso, altera seu comportamento após fissuração

diminuindo os efeitos de uma ruptura brusca da matriz cimentícia (AGOPYAN &

SAVASTANO JUNIOR, 2007).

2.4. COMPÓSITOS REFORÇADOS COM FIBRAS VEGETAIS

Diversos autores desenvolveram pesquisas visando o entendimento de questões

relativas à durabilidade e comportamento mecânico de compósitos reforçados com fibras

vegetais. Apesar dos avanços nas pesquisas, o desenvolvimento de produtos compósitos

reforçados com fibras vegetais ainda é incipiente, não sendo comercializado ainda, no

Brasil, nenhum produto reforçado com as mesmas. Considerando a abundância de tipos de

fibras naturais, sua disponibilidade e o baixo custo na produção, percebe-se um grande

potencial ainda inexplorado. Aliado aos estudos experimentais é preciso investigar mais

profundamente os mecanismos internos de desenvolvimento de tensões e deformações

entre fibra e matriz, de forma a entender o comportamento mecânico dos produtos quando

submetidos a situações de serviço. Os mecanismos de deterioração do material ao longo

do tempo precisam também ser compreendidos, de forma a se manter a integridade do

produto por um tempo compatível com a vida útil daqueles ora utilizados. Somente desta

21

forma e possível a utilização de compósitos de cimento reforçados com fibras vegetais em

elementos estruturais e produtos para construção civil. (LIMA, 2004).

2.5. ADESÃO FIBRA-MATRIZ

Em materiais compósitos, as tensões solicitantes são resistidas por uma ação

composta, onde parte da força é resistida pela matriz e parte é resistida pelas fibras. A

transmissão de forças entre a fibra e a matriz é obtida por aderência que é definida como

uma tensão cisalhante na interface entre a fibra e a matriz que a envolve (LIMA, 2004).

A natureza da aderência fibra-matriz é resultante da ação combinada de muitos

componentes, que incluem: adesão físico-química entre a fibra e a matriz; uma

componente mecânica de ancoragem; e atrito fibra-matriz, que é influenciado pelo

confinamento. Cada uma dessas componentes é influenciada pelas características da fibra

(volume, geometria, absorção, tipo de material, orientação, condição superficial) e da

matriz (composição, propriedades físicas e mecânicas e condição de fissuração)

(NAAMAN et al., 1991; LIMA,2004).

As principais tensões de aderência identificadas numa matriz cimentícia são:

tensões de aderência por cisalhamento, tensões de aderência por tração e tensões de

aderência mecânica.

A aderência por cisalhamento é o principal mecanismo estudado no caso da

interação fibra-matriz. A determinação da aderência por cisalhamento é feita através de

ensaios de arrancamento de fibra (pull-out), onde uma força P é aplicada na fibra até seu

completo arrancamento da matriz cimentícia. A partir da análise das cargas e

deslocamento desenvolvido é possível definir, com a utilização de modelos analíticos, as

22

tensões correspondentes ao fim da aderência (decoesão) por cisalhamento elástico e ao fim

da tensão por cisalhamento friccional, que corresponde à ruptura ou arrancamento da fibra.

A partir da Figura 8, é possível observar que a curva tensão x deslocamento inicia-

se de forma linear elástica, onde as deformações entre a fibra e a matriz são compatíveis e

as tensões de cisalhamento são proporcionais às deformações. A tensão desenvolvida na

interface fibra-atriz é uma tensão cisalhante τ, necessária para distribuir a carga externa P

entre a fibra e a matriz. A transição de tensão elástica para tensão friccional ocorre quando

a tensão cisalhante na interface excede a resistência ao cisalhamento fibra-matriz (tensão

cisalhante de aderência τau, ou resistência de aderência τmax) devido ao carregamento. A

carga correspondente é denominada carga crítica Pcrit A resistência última cisalhante na

interface fibra-matriz, denominada τfu, acontece quando a carga aplicada atinge a carga

máxima, Pmax. O desenvolvimento de tensões friccionais implica no surgimento de um

descolamento entre a fibra e a matriz, em um fenômeno denominado decoesão. Este

fenômeno pode causar a perda total de aderência e falha do compósito.

Figura 8 – Tensão x deslocamento (LIMA, 2004).

23

Toledo filho (1997) avaliou a aderência entre a fibra de sisal e a matriz cimentícia

através do ensaio de arrancamento. O autor observou melhoria na aderência devida, entre

outros fatores, à substituição de cimento Portland por microssílica e escória, os quais

conferiram ao compósito um aumento na carga máxima de arrancamento em cerca de 9 a

20%. Também foi observado um aumento de 24% na carga de decoesão. O autor atribuiu

estas melhorias à finura e reatividade da escória e da microssílica, pois os mesmos foram

responsáveis pela redução da porosidade da zona de transição, contribuindo para um

melhor desempenho da interface fibra-matriz.

Silva et al., (2010; 2011), relatou em sua pesquisa que a fibra de sisal apresenta

excelente resistência à tração, porém baixa aderência fibra-matriz a qual, de acordo com

Toledo filho (1997) e Silva (2011), varia entre 0,32 e 0,72 MPa.

As fibras de aço, comumente aplicadas em matrizes de cimento Portland, possuem

elevada adesão com valores variando entre 1,49 a 2,24 MPa (GOKOZ et al., 1981;

BOSHOFF et al., 2009). A ancoragem das fibras de aço é indispensável para a eficiência

da adesão fibra-matriz, pois a aderência química é fraca e a carga é transferida da matriz

para a fibra basicamente por adesão mecânica (BRANDT, 2009).

Já as fibras sintéticas como nylon, kevlar e polipropileno apresentam tensões

máximas de arrancamento de 0,051, 0,19 e 0,32 MPa, respectivamente (BENTUR &

MINDESS, 2007). As fibras de PVA possuem tensão adesional entre 2,2 e 5,9 MPa

(KANDA et al., 1998; REDON et al., 2001).

WANG (2003) e LI (2004) avaliaram a influência do tratamento de fibras de PVA

com a aplicação de revestimento oleoso, com objetivo de analisar a perda de adesão da

fibra com a matriz. A aplicação do agente oleoso se mostrou eficiente para diminuição da

adesão fibra-matriz, observada em ensaios de arrancamento. A aplicação de 1,2% de

agende oleoso permitiu a redução de 2,5 para 1 MPa na adesão friccional, de 4,5 para 1,5

MPa na adesão química, e promoveu uma elevação de 1 para 4,5% na capacidade de

24

deformação dos compósitos. A modificação da superfície das fibras melhorou as

propriedades entre fibra e matriz (FERREIRA, 2012).

Alterações no desempenho mecânico dos compósitos podem ser observadas através

da variação do comprimento da fibra, ou através do uso de tratamentos superficiais nas

fibras, de modo que ambos contribuem para as propriedades mecânicas do compósito.

No caso das fibras naturais, Silva et al. (2009) constatou que a morfologia da fibra

de sisal, como mostra a Figura 9, interfere diretamente na resistência a adesão. De acordo

com o autor, três diferentes geometrias de seções transversais foram avaliadas: ferradura

(a), arco (b) e arco retorcido (c). Os maiores valores de adesão foram atribuídos a última

forma, com média de 0,92 e 0,42 MPa para resistências adesional e friccional,

respectivamente.

Figura 9 – Diferentes morfologias da fibra de sisal: (a) ferradura, (b) arco e (c) arco retorcido (Silva,

2009)

De acordo com Li et al., 2008, mesmo com valores de tensão de adesão próximos

aos das fibras sintéticas, a alta capacidade de absorção de água das fibras de sisal, que

provocam variações em seu volume, e a baixa adesão química conferem menor aderência

com a matriz.

A fibra de pinus apresenta adesão de 1,5 MPa (SIERRA BELTRAN, 2011), a da

fibra de coco está em torno de 0,07 a 0,118 MPa (ASASUTJARIT et al., 2007) e a da fibra

de cânhamo, sob a forma de cordão, com comprimento de embebimento de 40 e 10 mm,

25

apresenta 1,02 e 2,20 MPa para as fibras sem tratamento, respectivamente, enquanto que

para as fibras tratadas, a adesão foi de 1,68 e 2,06 MPa (ASPRONE et al., 2011).

2.5.1. TRATAMENTOS PARA MELHORIA DA ADERÊNCIA FIBRA-MATRIZ

Além da variação do comprimento da fibra afetar o desempenho mecânico dos

compósitos, o uso de tratamentos superficiais nas fibras contribui para as propriedades

mecânicas, removendo impurezas na superfície e melhorando a estabilidade volumétrica

da fibra resultando em melhoria na aderência da fibra com a matriz cimentícia.

Ao longo dos últimos anos, diversos autores desenvolveram diferentes métodos de

tratamentos superficiais visando à melhoria da aderência fibra-matriz, seja por estabilidade

dimensional ou por processos físicos de alteração na estrutura da fibra.

Angrizani et al. (2006) utilizou tratamento em fibras de sisal com água destilada,

imergindo as fibras por uma hora. Após o tratamento, as mesmas foram secas em estufa

com circulação de ar por 2 horas a 60°C. Os compósitos com as fibras tratadas

apresentaram maiores valores de resistência à tração direta, flexão e módulo.

Machado (2008) utilizou fibras de sapé em um tratamento com solução de

hidróxido de sódio, 15% m/v, imergindo as fibras por 90 minutos em temperatura de 80ºC,

sem agitação mecânica, e depois lavadas com água corrente, com objetivo de remover suas

impurezas e substancias solúveis provenientes do tratamento químico. Após o tratamento,

as fibras foram secas em estufa pelo mesmo período, finalizando assim um ciclo. O

processo provocou danos às fibras, mas a limpeza superficial promoveu melhor adesão da

fibra com a matriz.

Lopes et al., (2009) também utilizou tratamentos em fibras vegetais. O tratamento

aplicado foi denominado de Acetilação. Anterior ao tratamento de acetilação as fibras

26

foram embebidas em uma solução aquosa de Na(OH)2 a 1% por 1 h; em seguida, foram

repetidamente lavadas até que apresentassem pH neutro na solução de lavagem final e

secas em estufa a 60 °C, durante 24 h. Para a realização dos tratamentos de acetilação a

metodologia adotada foi adaptada de D’Almeida et al. (2005), onde as amostras de fibras

foram acondicionadas em um reator de condensação, sob agitação e em a cada 200 mL de

solução foram adicionadas 5 gotas de ácido sulfúrico, como catalisador da mistura . Os

tempos reacionais (contato entre fibras e solução) foram de 1 e 3 h, a temperaturas de 100

e 120 °C. Decorrido o tempo de reação, as amostras foram lavadas inicialmente com água

corrente e, finalmente, com destilada, onde permaneceram por 1h, apresentando ph entre

5-6 na solução de lavagem final; em seguida, foram secadas em estufa a 60 °C, durante 24

h, e armazenadas em dessecador com sílica gel até o momento dos ensaios. O tratamento

de acetilação promoveu redução da hidrofilicidade nas fibras de sisal, em todas as

condições estudadas, principalmente na acetilação a 120°C por 1 h. As fibras acetiladas

por 3 h apresentaram reduções mais acentuadas na resistência mecânica, principalmente

quanto à força e alongamento máximos suportados até a ruptura, demonstrando

enrijecimento na estrutura das fibras.

Tonoli et al. (2012) analisou a aderência através de tratamento da superfície da

fibra de pinus (Pinus elliottii). Fibras em forma de polpa foram utilizadas. As fibras foram

separadas em branqueadas (processo químico de remoção da lignina) e não branqueadas.

De acordo com os autores, os compósitos com fibras branqueadas apresentaram menor

ductilidade devido à elevada adesão interfacial entre a fibra e matriz e elevada taxa de

mineralização da fibra. As fibras sem tratamento são mais resistentes e rígidas e

apresentam uma fina camada de lignina e extrativos, a qual reduz a entrada de água e age

como uma barreira física e química aos produtos de hidratação dentro dos lumens. Como

resultado, são menos suscetíveis à mineralização (FIDELIS, 2014).

27

A aplicação de ciclos de molhagem e secagem nas fibras também é um tipo de

tratamento, cujo processo é conhecido como hornificação. A hornificação causa às fibras

redução na capacidade de retenção de água, além de modificações no comportamento

mecânico (BRANCATO, 2008). Ferreira (2012) realizou o processo denominado de

hornificação (ciclos de molhagem e secagem, responsáveis pelo enrijecimento da estrutura

polimérica das fibrocélulas) nas fibras de sisal para analisar a aderência da fibra-matriz.

As fibras possuíam comprimentos de embebimento de 25 e 50 mm. Os resultados de

tensão adesional da fibra não tratada foram de 0,30 e 0,32 MPa, respectivamente. Após o

tratamento esses valores passaram para 0,42 e 0,43 MPa. De acordo com o autor, a adesão

fibra-matriz melhorou devido às modificações promovidas pela hornificação na estrutura

da fibra. Os resultados de adesão aumentaram após 10 ciclos de molhagem e secagem,

como mostra a Figura 10. O aumento na adesão está relacionado à menor capacidade de

absorção de água das fibras tratadas, o qual foi comprovado através dos ensaios de

absorção e análises microestruturais.

Figura 10 - Variação do índice de absorção de água das fibras de sisal após os ciclos de molhagem e

secagem (FERREIRA, 2012).

28

As seções das fibras sofreram variações menores quando saturadas, devido às

modificações nas fibrocélulas com alargamento da lamela média e diminuição da área do

lúmen, como mostra a Figura 11.

(a) (b)

Figura 11 – Seção transversal e detalhe nas fibrocélulas de fibras tratadas (a) e não tratadas (b)

Fidelis (2014) realizou um tratamento por impregnação com polímero estireno

butadieno em tecido de juta. Para definir o tempo de impregnação do tecido com polímero,

foi realizado ensaio de absorção no tecido concluindo que, para o polímero, o tempo de

impregnação máximo gira em torno de 50 minutos. Após o período de imersão, as fibras

foram secas em um aparelho para secagem, a uma temperatura média de 38°C por 24

horas. O filamento sem tratamento apresentou tensão adesional nominal entre 0,20 e 0,51

MPa e o filamento tratado entre 0,37 e 1,02 MPa.

Processos físicos como mercerização e despolpamento também são aplicados para

tentar melhorar a adesão das fibras de sisal. Ambos os tratamentos, atuam na melhoraria

da adesão fibra-matriz através do aumento da área superficial de contato promovida pela

desfibrilação das fibras vegetais (KIM et al. ,2007; ZHANG et al., 2004).

29

Independente da aplicação de soluções químicas ou processos físicos, ainda existe

uma falta de informações sobre como que esses tratamentos modificam a estrutura e

morfologia das fibras vegetais e afetam a aderência fibra-matriz. O objetivo do presente

estudo é a avaliação de diferentes tratamentos superficiais nas fibras na aderência da fibra-

matriz e nas propriedades mecânicas das mesmas.

2.6. DURABILIDADE DE FIBRAS VEGETAIS

Uma das grandes preocupações com relação ao uso de fibras vegetais como reforço

em matrizes cimentícias está relacionada com a durabilidade das mesmas que, em contato

com ambiente alcalino, fazem com que os compósitos percam resistência e tenacidade

com o tempo. Como foi dito anteriormente, a migração de hidróxido de cálcio da matriz

para o lúmen e paredes das fibrocélulas ocasiona ataque dos álcalis à lignina e

hemicelulose, e posterior mineralização das fibras. Além disso, o material cimentício é

considerado bioreceptivo ao ataque microbiológico, devido às características da

microestrutura, tais como: condições de rugosidade, porosidade, umidade e composição

química, as quais, associadas às condições ambientais, como a presença de água,

temperatura e luminosidade adequada, podem promover o crescimento microbiano no

material (GUILLITE, 1995).

Com relação ao desenvolvimento de materiais reforçados com fibras vegetais,

muitos pesquisadores têm obtido resultados promissores com relação à durabilidade e

resistência de compósitos cimentícios, não só através da utilização de matrizes livres de

hidróxido de cálcio como também com estudos voltados para análise dos fatores de

degradação das fibras (TOLEDO FILHO et al., 2003; LIMA, 2004; FERREIRA et al.,

2012).

30

Além da degradação em ambiente alcalino, as fibras vegetais também estão sujeitas

a deterioração por ataque de ácidos e agentes biológicos, pelo fato das mesmas serem

biodegradáveis.

2.6.1. EFEITO DE ÁCIDOS SOBRE FIBRAS VEGETAIS

Fibras vegetais podem sofrer desintegração e separar-se longitudinalmente em

contato com soluções ácidas por tempo de exposição maior que 4 minutos, tendo seu

desempenho mecânico reduzido e sua morfologia alterada. Para pouco tempo de

exposição, resultados indicam que fibras vegetais são totalmente resistentes à ação dos

ácidos (CHAUDRI et al., 1972; SILVA, 2010).

2.6.2. EFEITO DE AGENTES BIOLÓGICOS SOBRE FIBRAS VEGETAIS

Agentes biológicos (bactérias, fungos, entre outros), afetam a durabilidade das

fibras vegetais através da biodeterioração. De acordo com Videla (2003), esta é definida

como uma mudança indesejável nas propriedades do material causada por

microrganismos, sendo um processo de modificação química causada por atividade

biológica, sob certas condições de calor, umidade, luz, nutrientes minerais e orgânicos

adequados, pois cada constituinte da fibra (celulose, lignina e hemicelulose) apresenta uma

característica de degradação em determinados ambientes (SALAZAR et al., 2006; SILVA

2010).

Segundo Ferreira (2015), a degradação dos principais constituintes das fibras em

um ambiente externo é influenciada por fatores como a radiação ultravioleta, temperatura,

31

umidade e atividades de micro-organismos. De acordo com BEG et al. (2008) a lignina

aparece como o constituinte que mais sofre degradação à radiação ultravioleta. Sua

oxidação é a principal responsável pela mudança de cor nas fibras vegetais. Segundo

Methacanon (2010), a hemicelulose é o principal componente da fibra que é responsável

pela absorção de umidade. Maior teor de hemicelulose provoca maior absorção e adsorção

de umidade e a biodegradação. O teor de umidade da fibra influencia o grau de

cristalinidade, resistência à tração e porosidade das fibras. Maior absorção de umidade

influencia no aumento da capacidade de biodegradação. Logo, umidade e biodegradação

estão diretamente ligadas. Maior absorção de umidade aumenta a facilidade de ataque

microbiano. Segundo Medina (1959), a hemicelulose também é responsável pela

degradação térmica, biológica e inflamabilidade.

2.6.3. EFEITO DO ATAQUE ALCALINO SOBRE FIBRAS VEGETAIS

Um grande problema na utilização de fibras vegetais como reforço em matrizes

cimentícias está relacionado à durabilidade do compósito, pois a perda de resistência dos

mesmos ao longo do tempo se deve, em parte, à alcalinidade da matriz.

Gram (1988) desenvolveu um dos mais completos trabalhos referentes à

durabilidade de fibras naturais como reforço em matrizes cimentícias, com ênfase

particular nas fibras de sisal. De acordo com o autor, as fibras de sisal podem sofrer

diferentes graus de degradação quando exposto a um ambiente alcalino. A extensão do

ataque, determinado pela perda da capacidade de deformação e da força das fibras,

depende do tipo de solução alcalina. As possíveis causas da deterioração de fibras de sisal

em soluções alcalinas estão associadas a dois mecanismos diferentes. O primeiro

mecanismo é a decomposição química da lignina e hemicelulose na lamela média que

32

quebra a ligação entre as fibras individuais (GRAM, 1988). O segundo ocorre devido à

mineralização da fibra pela deposição do CH nas suas paredes celulares (TOLEDO

FILHO, 1997).

De acordo com os autores, a água presente nos poros da matriz é altamente

alcalina, ocasionando uma dissolução da hemicelulose e lignina, e hidrólise alcalina das

moléculas de celulose, reduzindo o grau de polimerização e resistência das fibras. A

lignina, quando tratada com soluções alcalinas, sofre uma série de reações que resultam na

sua dissolução. A decomposição da lignina e da hemicelulose presentes na lamela média

promove a segregação das células individuais que compõem a fibra, reduzindo sua

resistência e capacidade de reforço, de acordo com a Figura 12.

Figura 12 - Desenho esquemático da decomposição alcalina da fibra de sisal (GRAM, 1988).

Além disso, os produtos de hidratação, principalmente o hidróxido de cálcio,

migram para as paredes, lúmens e vazios das fibras, ocasionando mineralização das fibras,

fazendo com que as mesmas percam sua flexibilidade.

Muitos estudos vêm sendo realizados a fim de diminuir a degradação de fibras

vegetais melhorando assim a durabilidade de compósitos com fibras. Muitos autores

observaram que modificações nas matrizes, como substituição parcial do cimento por

material pozolânico (material silicioso ou silico-aluminoso, natural ou artificial, que

33

contém um elevado teor de sílica em forma reativa (SiO2), capaz de reagir com

o hidróxido de cálcio (Ca(OH)2), na presença de água, dando origem a silicatos de cálcio

hidratados (C-S-H), responsáveis pela resistência mecânica do cimento), têm sido

realizadas com objetivo de se obter uma matriz livre de hidróxido de cálcio, como mostra

a Figura 13 de análise térmica, a matriz utilizada no presente estudo, onde o pico referente

à presença de hidróxido de cálcio desaparece quando obtemos uma matriz com material

pozolânico (GRAM, 1983; TOLEDO FILHO et al., 2003; LIMA, 2004; AGOPYAN et

al., 2005; SAVASTANO et al., 2009; SILVA et al., 2010; CLARAMUNT et al., 2011;

FIDELIS, 2014).

(a) (b)

Figura 13 – Gráfico de análise térmica de uma matriz sem material pozolânico (a) e uma matriz

com material pozolânico (b)

2.6.4. UTILIZAÇÃO DE FIBRAS VEGETAIS EM MATRIZES CIMENTÍCIAS

LIVRES DE HIDRÓXIDO DE CÁLCIO

Toledo filho et al. (2000), observaram redução na resistência e tenacidade de

compósitos reforçados com fibras vegetais devido ao enfraquecimento das fibras,

resultado do ataque alcalino da matriz e da mineralização das fibras.

https://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADlica

https://pt.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3xido_de_c%C3%A1lcio

34

Bergström e Gram (1984) observaram que a durabilidade de compósitos reforçados

com fibras de sisal é melhorada pela redução da alcalinidade da água dos poros da matriz.

Os autores realizaram substituição de 45% do cimento por sílica ativa, de granulação fina,

o que provocou redução no valor do pH.

Toledo filho et al. (2003) apresentam um estudo de durabilidade em compósitos

com fibras vegetais de coco e sisal. Os autores realizaram carbonatação da matriz em um

ambiente rico em CO2; imersão das fibras em uma solução de sílica ativa antes de serem

incorporadas à matriz; substituição parcial do cimento por sílica ativa ou escória de alto-

forno e combinação de imersão da fibra em sílica com substituição parcial do cimento, a

fim de se avaliar os efeitos na durabilidade. Houve melhoria na durabilidade dos

compósitos através da redução da alcalinidade da matriz, devido à adição de sílica. A

substituição de 40% de cimento por escória não reduziu a fragilidade do compósito.

Em estudo proposto por Lima (2004), o autor desenvolveu uma matriz livre de

hidróxido de cálcio usando metacaulinita produzida em laboratório, conseguindo consumir

100% de hidróxido de cálcio com substituição parcial do cimento por 30% e 40% de

metacaulinita.

Velasco et al., (2004), utilizaram uma metacaulinita comercial, menos reativa que a

utilizada por Lima (2004), e observaram que, devido a menor reatividade, seria necessário

a substituição do cimento por teores ainda mais altos de metacaulinita o que

comprometeria ainda mais a reologia da mistura. Melo Filho (2005) utilizou em seu estudo

uma matriz livre de hidróxido de cálcio com substituição parcial de cimento por 30% de

metacaulinita e 20% de tijolo moído.

Farias Filho et al., (2006) analisou uma matriz composta por 50% de cimento

Portland, 30% de metacaulinita e 20% de tijolo cerâmico moído como material cimentício.

Ciclos de molhagem e secagem foram efetuados e foi observado que 94 ciclos não

afetaram a resistência à flexão e a tenacidade do compósito. Este comportamento se deve

35

ao consumo efetivo do hidróxido de cálcio presente na matriz, demonstrando não haver

deterioração da matriz.

A fim de se obter uma matriz livre de hidróxido de cálcio, Toledo Filho et al.

(2009) substituíram parte do cimento por metacaulinita e resíduo de tijolo moído. Os

compósitos foram submetidos a envelhecimento acelerado, através de hornificação (ciclos

de molhagem e secagem, sendo 25, 50, 75 e 100 ciclos). Os resultados do ensaio de flexão

mostraram que a ductilidade dos compósitos sofreu redução com o processo de

envelhecimento. Em compósitos onde a matriz era livre de hidróxido de cálcio (CH) foi

observado aumento de até 65% na tensão de primeira fissura após 100 ciclos. Foi realizada

análise microestrutural onde observaram que as fibras de sisal, em compósitos livres de

CH, não sofreram processo de mineralização, sendo um indicativo que a utilização de

matrizes livres de CH pode ser uma alternativa promissora para aumentar a durabilidade

de compósitos reforçados com fibras naturais.

Fidelis (2014) utilizou uma matriz com baixo teor de hidróxido de cálcio, a fim de

evitar o processo de mineralização das fibras. Foi realizada substituição parcial do

cimento por 40% de metacaulinita e 10 % de cinza volante. A durabilidade dos

compósitos foi investigada através de processos de envelhecimento acelerado (5, 10, 15,

20 e 25 ciclos de molhagem e secagem) e natural (4, 8 e 12 meses de exposição ao

intemperismo). Os compósitos com pozolanas, apresentaram bom comportamento

mecânico até 20 ciclos de molhagem e secagem e 8 meses de exposição ao

envelhecimento natural: tensão última de 5 MPa e deformação última de 4%.

Resolvendo o problema de durabilidade alcalina com a substituição parcial de

cimento Portland por material pozolânico, faz-se necessário ainda compreender os outros

mecanismos de degradação das fibras vegetais, uma vez que cada fibra, por possuir

concentrações diferentes de seus constituintes principais (celulose, hemicelulose e

lignina), apresenta diferentes intensidades de degradação aos diferentes agentes externos.

36

2.6.5 ANÁLISE DE FATORES DE DEGRADAÇÃO DE FIBRAS VEGETAIS

Com relação aos fenômenos de degradação das fibras vegetais a diferentes agentes

relatados, faz-se necessário um estudo do processo de degradação, pois os principais

componentes químicos das fibras sofrem decomposições específicas em diferentes

condições avaliadas.

Em seu estudo, Gram (1983) observou uma redução na resistência à tração das

fibras de sisal quando imersas em água natural (pH 8,3). Este fato foi atribuído à ação

microbiológica pelo fato da fibra de sisal ser um composto orgânico e a umidade ser um

fator determinante para a proliferação de microrganismos.

De acordo com Lewin et al. (1985), ao estudar o efeito de ácidos em fibras de sisal,

o autor constatou que as fibras em solução de 60% de ácido sulfúrico incham após 4

minutos de exposição, e que as mesmas tendem a separar-se longitudinalmente. Com

solução de 65% as fibras começam a desintegrar-se após 3,5 minutos. Para pouco tempo

de exposição, as fibras de sisal são totalmente resistentes à ação dos ácidos. Após 24 h

embebidas em solução decinormal de HCl e em água destilada, as fibras de sisal reduziram

sua carga de ruptura em 33,4% e 30,4%, respectivamente (CHAUDRI et al., 1972;

SILVA, 2010).

Como forma de proteger as fibras da agressão do meio alcalino, Guimarães (1990)

em que submeteu fibras de sisal à impregnação com acetato de polivinila (PVA). A

impregnação das fibras não só permite o isolamento de ataque químico como reduz a

absorção de água pelas mesmas, minimizando o efeito adverso do inchamento da fibra e

da consequente variação dimensional do compósito.

Em estudo proposto por Toledo Filho et al. (1999), fibras de coco e sisal foram

expostas à soluções alcalinas de hidróxido de cálcio e hidróxido de sódio. A possibilidade

de ataque biológico nas fibras foi investigada através de imersão em água por 420 dias. As

37

fibras de coco e sisal que foram expostas à solução de hidróxido de cálcio perderam,

respectivamente, 58,7% e 33,7% das suas resistências originais após 210 dias, perdendo

completamente sua flexibilidade e resistência após 300 dias de imersão. As fibras de coco

e sisal que foram expostas à solução de hidróxido de sódio perderam, respectivamente,

60,9% e 72,7% das suas resistências originais após 420 dias. O maior dano foi gerado pelo

hidróxido de cálcio devido provavelmente à cristalização do cal nos poros das fibras. Isto

pode ser explicado considerando a menor perda de resistência para as fibras imersas em

água após 420 dias. No caso da imersão em água, a redução da resistência foi entre 17 e

23% para ambas as fibras, que foi atribuído à ação microbiológica.

Em seu estudo, Silva (2010) analisou a biodegradação de fibras de sisal devido à

ação de linhagens fúngicas. O programa experimental foi subdividido em isolamento e

caracterização das linhagens fúngicas, avaliação da atividade enzimática afim de seleção

de uma linhagem e a análise da biodeterioração através de ensaios mecânicos, físico-

químicos e morfológicos. Inicialmente, foram isolados 6 (seis) linhagens fúngicas, das

quais apenas três tiveram o gênero identificado através da análise dos esporos, sendo

Penicilium sp a linhagem selecionada devido a atividade lignocelulítica. Na avaliação

térmica, observou-se uma redução dos picos referentes à decomposição térmica de

constituintes químicos, sugerindo que parte dos constituintes das fibras foram degradados.

Na microscopia, foram observadas alterações morfológicas nas superfícies decorrentes dos

tratamentos submetidos. No ensaio de tração das fibras, foi significativa a redução da

resistência a tração das fibras expostas ao agente biológico, podendo chegar à 53,44% de

redução em relação a fibra natural. Concluiu-se que o Penicilium sp possui uma ação

deletéria sobre a fibra de sisal, tanto na sua microestrutura, quanto no desempenho

mecânico.

A influência da remoção parcial de componentes de fibras devido à aplicação de

tratamento com cal foi avaliada por Marques et al. (2014). Segundo os autores, as fibras

38

de coco tratadas com cal apresentaram uma melhor manutenção da resistência à tração

após 3 meses de exposição, em comparação com as fibras naturais de coco. Os autores

apontam esse resultado para a alta quantidade de celulose nas fibras tratadas. Os autores

também afirmam que o tratamento com cal melhorou as propriedades da fibra de coco nos

primeiros 3 meses de exposição, porém, após 12 meses, o tratamento não apresentou

diferença significativa.

39

3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

O procedimento experimental foi organizado nas seguintes etapas:

Caracterização dos materiais: Etapa baseada em estudo proposto por Ferreira

(2012), onde aglomerantes, agregados e fibras vegetais (curauá e sisal) foram

utilizados, através de ensaios de acordo com os padrões normativos;

Avaliação do efeito de dois tratamentos superficiais no comportamento mecânico

de fibras vegetais de curauá e sisal: tratamento de cationização, bem como sua

combinação com a síntese de nanopartículas de ferro e manganês e hornificação

alcalina (ciclos de molhagem e secagem em solução alcalina);

Avaliação da influencia dos tratamentos aplicados na adesão fibra-matriz;

Durabilidade das fibras submetidas às imersões prolongadas em água e solução de

hidróxido de cálcio (1 mês);

Durabilidade ao intemperismo natural. As fibras de curauá e sisal foram expostas

a mudanças de temperatura, vento, chuva, dentre outras condições climáticas (1

mês);

Durabilidade das fibras tratadas com nanopartículas. Fibras foram submetidas às

imersões prolongadas em água e solução de hidróxido de cálcio (1 mês).

Afim de melhor compreensão sobre a durabilidade das fibras aos determinados

ambientes e melhoria da sua aderência na matriz cimentícia, as fibras de curauá e sisal

foram submetidas a análises físico-químicas e morfológicas.

40

Figura 14 – Organograma do programa experimental

41

3.1. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS

3.1.1. CIMENTO PORTLAND, METACAULINITA E CINZA VOLANTE

No presente trabalho, foi utilizado o cimento CP II F-32, composto com fíler

calcário. Sua granulometria foi determinada através do equipamento Malvern MasterSizer

2000, do laboratório de Técnicas Analíticas do Labest/COPPE/UFRJ. Também foi

utilizada metacaulinita adquirida da empresa Metacaulim do Brasil Indústria e Comércio

LTDA enquanto que a cinza volante foi fornecida pela POZOFLY. Os materiais foram

analisados no Laboratório de análises físico-químicas – LabEST/COPPE/UFRJ para

determinação da composição química (Tabela 2). A curva granulométrica dos materiais é

mostrada na Figura 15.

Tabela 2– Composição e propriedades físicas do CP II F-32, metacaulinita e cinza volante (FERREIRA, 2012)

Propriedades Químicas e

Físicas CP II F-32 Metacaulinita Cinza Volante

CaO 73,090% 2,62 1,94

SiO2 13,64% 51,20 51,58

SO3 3,968% 0,09 1,51

Al2O3 3,776% 35,30 28,24

K2O 0,386% 0,97 3,39

SrO 0,299% - -

TiO2 0,299% 0,41 1,30

MnO 0,064% 0,16 1,51

ZnO 0,050% - -

CuO 0,019% - -

Densidade (g/cm³) 3,18 2,65 1,41

Área superficial (m²/Kg) - 22,60 420

42

Figura 15 – Curva granulométrica do CP II F-32 e adições: cinza volante e metacaulinita (FERREIRA, 2012)

Foram realizadas análises termogravimétricas no equipamento modelo SDT Q600

TGA/DTA/DSC Simultâneo da TA Instruments. O equipamento operou com taxa de

aquecimento de 10 °C/min com temperatura ambiente até aproximadamente 1000 °C em

atmosfera de nitrogênio e fluxo do registrador de 100 mL/min (Figura 16).

Figura 16 – Análise termogravimétrica do CP II F-32 (FERREIRA, 2012)

43

Os resultados mostram uma matriz com presença de hidróxido de cálcio, evento

apresentado em temperaturas próximas a 400 ºC, bem como facilidade de cabornatação,

evento em temperaturas próximas a 600 ºC.

3.1.2. AREIA

Foi utilizada uma areia quartzosa de rio, com massa específica de 2,67 g/cm3.

Foram utilizadas partículas menores que 0,84 mm (ABNT Peneira nº 20), de acordo com a

Figura 17:

Figura 17 – Curva granulométrica da areia utilizada (esquerda); comparativo das curvas dos materiais finos

com a areia (direita) (FERREIRA, 2012)

3.1.3. SUPERPLASTIFICANTE

Foi utilizado um dispersante do tipo PA (Poliacrilato, Glenium 51) com teor de

sólidos de 31,20 %, massa específica de 1.073 kg/m³ e pH 6,2. Para avaliar a

compatibilidade e o ponto de saturação do dispersante sobre as partículas finas foi

44

utilizado o ensaio de fluidez de pastas através do uso do funil de Marsh, utilizado por

Aïtcin (2000).

O método consiste em medir o tempo que 1 litro de pasta leva para fluir através do

funil com um diâmetro pré-determinado, que no presente estudo foi de 5 mm. As

medições do tempo de escoamento são feitas em intervalos de tempo pré-estabelecidos,

com objetivo de observar variações no tempo de fluxo de pastas. Os resultados apontam

que para a mistura utilizada na pesquisa, o ponto de saturação dos materiais finos

(cimento, metacaulinita e cinza volante) é de 0,75%.

Na Figura 18 apresentam-se os resultados do ensaio de compatibilidade e ponto de

saturação executados na mistura com cimento CPII F-32 e o dispersante apresentado.

Estas pastas foram produzidas com uma relação água/cimento constante de 0,4. Na

imagem abaixo se apresentam os tempos de fluxo versus teor de dispersante Glenium 51.

O ponto de saturação apresentou-se bem definido (0,75%). O dispersante mostrou-se

compatível com o cimento CPII F-32. É possível observar que o tempo de fluxo da pasta

produzida permanece próximo para os intervalos de 5, 10, 30 e 60 minutos, mostrando a

compatibilidade entre os dois materiais. Desta forma, o ponto de saturação correspondeu à

dosagem de 0,75% de sólidos do dispersante em relação ao peso dos materiais finos

(cimento, cinza colante e metacaulinita).

Figura 18 – Curva do ponto de saturação do dispersante Glenium 51(FERREIRA, 2012)

45

3.1.4. FIBRAS DE CURAUÁ E SISAL

As fibras utilizadas tinham um comprimento original variando de 40 cm a 100 cm,

dependendo do tipo e de acordo com a sua extração. Para fibras que apresentam resíduos

de superfície (isto é, gorduras, ceras e mucilagem), provenientes do processo de extração,

efetuou-se um pré-tratamento, um processo de lavagem em água quente (80-100 ° C).

A fibra de sisal foi fornecida pela Associação de Desenvolvimento Sustentável e

Solidário da Região Sisaleira (APAEB), do município de Valente, Bahia.

A fibra de curauá foi fornecida pela empresa Pematec (Santarém, Pará). A fibra de

curauá, produzida na região Amazônica, é extraída da folha da planta Ananas Erectifolius,

por um processo semelhante ao utilizado no sisal.

Estas fibras foram caracterizadas mecanicamente por Silva et al. (2009).

3.2. TRATAMENTOS NAS FIBRAS

Como apresentado no início do capítulo, dois tratamentos foram aplicados nas

fibras: Cationização e Síntese de nanopartículas de ferro e manganês em fibras

previamente cationizadas e hornificação alcalina.

3.2.1.TRATAMENTO COM CATIONIZAÇÃO E SÍNTESE DE


CATIONIZADAS

Para a presente pesquisa, o tratamento foi realizado na Universidade

Industrial de Santander, Colômbia. L.J. Castellanos et. al. (2012), descreve o tratamento

46

realizado. Antes da aplicação do tratamento, as fibras passaram por um processo de

lavagem (pré-tratamento) cujo objetivo é a eliminação dos carbonatos, realizado através

de um processo de limpeza em banho ultrassônico, utilizando para tal um banho

Bransonic (40 kHz, 130 W). A lavagem foi realizada em água destilada durante uma hora

em temperatura ambiente, e, após tal lavagem, as fibras passaram pelos seguintes

tratamentos:

3.2.1.1. CATIONIZAÇÃO DE FIBRAS

Cloreto de amônia trimetil 2,3 epoxipropil (EPTAC) foi utilizado para aderir

grupos de amônia na superfície das fibras. Devido à alta reatividade do EPTAC, a solução

foi feita adicionando uma solução de NaOH com 6% da solução 3 - Cloro - 2 - hidroxi

propil trimetil cloreto de amônio (CHTAC). Após a imersão, as fibras são lavadas em

água deionizada e secas em temperatura ambiente (21°C ± 1°C).

3.2.1.2. SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS

Após a fase de cationização, segue a etapa de síntese das nanoparticulas. As fibras

são imersas em soluções aquosas contendo ânion dos elementos ferro ou manganês

(elementos não são misturados) por 24h, o que permite que os ânions se fixem na

superfície das fibras por interações Couloumbianas. Após esse tempo, as fibras são

removidas, lavadas em água para eliminação do excesso de ânions e então imersas em

NaBH4 (50 mM) por 10 minutos, para reduzir o metal. Depois da redução, as fibras

modificadas foram novamente lavadas com água deionizada e secas em temperatura

ambiente.

47

3.2.2. HORNIFICAÇÃO ALCALINA

As fibras naturais foram imersas em uma solução de 0,73% de Ca (OH) 2 à uma

temperatura controlada (21 ° C) durante 50 min. De acordo com Sasha P et al. (2010), os

tempos de imersão entre 30 e 60 minutos, em solução de baixa concentração alcalina

(0,5-1%) não degrada a fibra natural. As fibras foram secas numa estufa a 40 ° C durante

24 h. Foram realizados 1, 5 e 10 ciclos do procedimento citado.

3.3. DURABILIDADE: IMERSÕES PROLONGADAS

A fim de analisar a degradação de fibras vegetais naturais de curauá e sisal em

diferentes condições, imersões de um mês foram realizadas:

Imersão alcalina: As fibras foram imersas em solução de 0,73% de Ca (OH)2 à

temperatura de laboratório de 21 ° C;

Imersão em água: As fibras foram imersas em água corrente (pH: 8).

Para ambos os casos, a solução de água e alcalina não foram renovadas. Para evitar a

evaporação, os béqueres utilizados foram selados com plásticos.

3.4. DURABILIDADE: INTEMPERISMO NATURAL NAS FIBRAS

Para avaliar a influência do envelhecimento natural das fibras naturais uma

adaptação dos padrões normativos atuais foi realizada, proposta por Ferreira (2016). De

acordo com diversos autores, a posição das fibras durante o estudo pode influenciar na

dosagem de energia solar, umidade e temperaturas das amostras.

48

Foi utilizada uma montagem de um painel com ângulo de inclinação de 45°, de

acordo com a Figura 19. De acordo com a literatura, 45º é utilizado durante os meses de

outubro a fevereiro.

Figura 19 - Painel com inclinação de 45° para realização do teste

Com o objetivo de avaliar a influência do intemperismo no verão (devido às

temperaturas mais elevadas) as fibras foram expostas, durante um mês, entre janeiro e

fevereiro de 2015. Aa fibras foram expostas em uma área da UFRJ, localizada no

Laboratório de Estruturas COPPE/UFRJ (Latitude: -22,8613; Longitude: - 43,4114).

Os dados meteorológicos foram realizados pelo INMET (Instituto Nacional de

Meteorologia) da estação mais próxima ao local (Latitude: -22,8613 e Longitude: -

43,4114) 20 km próximo do ponto de exposição. De acordo com os dados meteorológicos,

a Figura 20 foi gerada, indicando a umidade, temperatura, precipitação e radiação do

período em estudo.

49

Figura 20 - Dados meteorológicos do período de exposição Janeiro-fevereiro 2015 (umidade, temperatura,

precipitação e radiação)

3.5. DURABILIDADE: IMERSÕES PROLONGADAS EM FIBRAS

TRATADAS COM NANOPARTÍCULAS

Fibras tratadas com nanopartículas na Universidade Industrial de Santander,

Colômbia, foram submetidas a imersões prolongadas a fim de analisar sua durabilidade

após a aplicação dos tratamentos citados anteriormente.

Imersão alcalina: As fibras foram imersas em solução de 0,73% de Ca (OH) 2 à

temperatura de laboratório de 21 ° C;

Imersão em água: As fibras foram imersas em água corrente (pH: 8).

Para ambos os casos, a solução de água e alcalina não foram renovadas. Para evitar a

evaporação, os béqueres utilizados foram selados com plásticos.

50

3.6. ENSAIOS

Logo após os procedimentos descritos, os seguintes ensaios foram realizados nas

fibras de curauá e sisal, incluindo fibras sem tratamentos, para posterior comparação:

3.6.1. AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE ABSORÇÀO DAS FIBRAS

O procedimento para a obtenção do índice de absorção de água (Iabs) seguiu

metodologia proposta por Toledo Filho (1997). A Equação 1 foi utilizada para medir a

capacidade de absorção d’água das fibras, onde: “Pest” representa o peso da fibra seca em

estufa e “Pum” o peso úmido (após saturação).

𝑰𝑎𝑏𝑠 =𝑷𝑒𝑠𝑡−𝑷𝑢𝑚

𝑷𝑒𝑠𝑡 Equação 1

Esta metodologia de análise da capacidade de absorção de fibras é similar à

utilizada pela indústria de papel, que denomina a capacidade de absorção de água.

3.6.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA

Realizou-se a Termogravimetria (TG) no Laboratório de análises físico-químicas –

LabEST/COPPE/UFRJ, em equipamento modelo SD 2960, da TA instruments, com razão

de aquecimento 10°C/min, desde 35°C à 800ºC, em presença de corrente de gás de arrasto

100mL/min de N2, massa inicial em torno de 10mg.

51

A termogravimetria é uma técnica da análise térmica na qual a variação da massa

da amostra é determinada em função da temperatura e/ou tempo, enquanto a amostra é

submetida a uma programação controlada de temperatura. Esta técnica possibilita

conhecer as alterações que o aquecimento pode provocar na massa das substâncias,

permitindo estabelecer a faixa de temperatura em que elas adquirem composição química

fixa, definida e constante, à temperatura em que começam a se decompor, e acompanhar o

andamento de reações de desidratação, oxidação, combustão, decomposição (SILVA,

2010).

Algumas variações de massa não são observadas pela curva de TG. Fazendo-se a

termogravimetria derivada (DTG) a partir das curvas de TG, que corresponde à derivada

primeira da variação de massa em relação ao tempo (A) ou temperatura (B), a curva

resultante é a derivada primeira da curva TG.

A partir das curvas obtidas pela TG foram traçadas as curvas DTG. Estas

evidenciam as inflexões da TG e, portanto, sutis variações da massa são realçadas. Devido

às sutilezas das curvas TG serem enfatizadas pelas curvas DTG, estas, de maneira geral,

podem servir como características para um material novo, desconhecido ou padrão.

3.6.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X

As análises de difração de raios - x (DRX), foram efetuadas no difratômetro da

marca Bruker, modelo D8 Focus, com radiação de cobre (Cu-kα, λ= 1,5418 Å), operando

a 30 kV e 35 mA, do Laboratório de Técnicas Analíticas (Labest/COPPE/UFRJ). As

amostras foram picoadas em partículas de tamanho menor que 1 mm e compactadas em

porta amostra. Para determinação das fases, foram realizadas varreduras com velocidade

angular de 0,05º por segundo e intervalo de medida entre os ângulos de Bragg (2θ) de 10º

52

e 40°. Duas formas de determinação do índica de cristalinidade foram empregadas. Uma

forma bastante utilizada na determinação do índice de cristalinidade (IC) é através da

equação empírica de Segal et al. (1959) apud Roncero et al. (2003), utilizando os valores

de intensidade correspondentes à difração da estrutura cristalina e amorfa:

Equação 2

Onde o índice de cristalinidade é uma relação entre os picos de intensidade máxima

(Imax), atribuída à região cristalina (2θ = 22,5°), e o pico de intensidade mínima (Imin),

referente à região não cristalina (2θ = 18°).

A outra forma utilizada foi a do índice de cristalinidade (CRL), que foi calculo

utilizando os valores de intensidade correspondentes da difração da estrutura cristalina e a

fração amorfa, de acordo com o método proposto por MULLER et al. (2009):

Equação 3

Onde Cri é o índice cristalino; Acryst é a soma das áreas cristalinas; e Atotal é a

área total sob o gráfico formado. A área cristalina corresponde à área sob picos localizados

em 2θ = 16º e 22,9º.

A celulose é um constituinte importante na resistência da fibra. É importante o

conhecimento da cristalinidade da fibra, que está diretamente relacionada à celulose.

53

3.6.4. MICROSCOPIA ELETRÔNICA DE VARREDURA

A microestrutura eletrônica de varredura (MEV) das fibras de curauá e sisal foi

investigada utilizando um SEM Hitachi TM3000, no Laboratório de Técnicas Analíticas

(Labest/COPPE/UFRJ). A análise foi realizada num ambiente de baixo vácuo. O

microscópio foi operado sob uma tensão de aceleração de 15kV. A fim de medir a área em

corte transversal da fibra, para cada fibra individual utilizada no teste de arrancamento e

de tração, uma parte adjacente da fibra (imediatamente ao lado da parte analisada) foi

mantida para a medição futura e caracterização morfologia utilizando o MEV. As imagens

obtidas foram pós-processadas usando IMAGEJ, um programa de processamento de

imagem baseado em Java.

3.6.5. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS

Os ensaios de tração direta das fibras foram realizados na máquina de ensaios

mecânicas Shimadzu AGX-100kN (Figura 21), Laboratório de Ensaios Mecânicos

(Labest/COPPE/UFRJ), utilizando uma célula de carga de 1kN e velocidade do travessão

de 0.1 mm/min.

54

Figura 21 – Máquina de ensaios mecânicos Shimadzu AGX-100kN

Foram utilizadas fibras com comprimento de medida de 50 mm presas a um molde

de papel para alinhamento na máquina e aderência entre às garras superior e inferior

(Figura 22). Foram utilizados na preparação dos corpos-de-prova: papel 90g/m², fita crepe

e fita metálica de alumínio. A preparação do corpo de prova foi feita conforme a norma

ASTM C1557.

Figura 22 – Configuração do ensaio de arrancamento (a); garras e molde de papel (b) detalhe da fibra

submetida à tração direta (c) (FERREIRA, 2012)

55

Para o cálculo da seção transversal da fibra foi utilizado microscópio de varredura

(MEV). As medições da área de contorno da seção transversal da fibra foram realizadas

com o auxílio do software IMAGEJ. O MEV foi operado sob uma tensão de aceleração de

20 kV e uma distância de trabalho de aproximadamente 30 mm.

A tensão de tração foi determinada utilizando a seguinte equação:

Equação 4

Onde “Pmax” é a carga máxima de tração, “A” é a área da seção transversal.

3.6.6. ENSAIO DE ARRANCAMENTO

Com o objetivo de verificar a aderência das fibras naturais e tratadas com a matriz

cimentícia, testes de arrancamento foram realizados. Para o ensaio, uma matriz livre de

hidróxido de cálcio foi utilizada. Uma matriz de argamassa, no traço 1:0,5:0,4

(aglomerante : areia : fator água/cimento), em massa. Como aglomerante foi utilizado 30%

de cimento Portland CP II F-32, 30% de metacaulinita e 40% de cinza volante. A matriz

acima foi escolhida por ser livre de hidróxido de cálcio, de acordo com estudo proposto

por FERREIRA (2012).

Os ensaios de arrancamento foram realizados no equipamento Shimadzu AG-X,

com uma célula de carga de 1kN, no Laboratório de Ensaios Mecânicos

(Labest/COPPE/UFRJ). Os testes foram realizados utilizando uma velocidade de

deslocamento de 0,1 mm / min. As amostras foram fixadas nas garras da máquina por

56

meio de um sistema articulado com condições de contorno-fixos. Vinte e um testes foram

realizados para cada comprimento de encaixe (5, 10, 25 e 50 mm) para compreender a

influência do comprimento sobre o comportamento de embebimento de arrancamento.

Para avaliar a eficácia dos diversos tratamentos estudados, foi escolhido o comprimento de

fibra de embebimento de 25 mm (FERREIRA, 2012).

A moldagem consistiu no preenchimento manual, com a ajuda de uma palheta,

similar ao processo de confeitaria, como apresentado na Figura 23.

Figura 23 – Moldagem dos corpos-de-prova para ensaio de arrancamento (FERREIRA, 2012)

Para preparar os corpos de prova, um molde especial foi desenvolvido, de acordo

com a Figura 24. Após o enchimento do molde com a matriz, um tampão superior foi

fixado e a fibra estirada ligeiramente para o alinhamento. A argamassa foi colocada em

sacos de plástico antes de ser colocada no molde de forma a facilitar o processo de

fundição. Após 24 horas, as amostras foram desmoldadas e colocadas em uma câmara

úmida durante sete dias para o teste de arrancamento.

57

Figura 24 – Molde utilizado no ensaio de arrancamento (esquerda); detalhe do rebaixamento para encaixe

do molde de PVC; Corte e dos elementos do molde para corpo-de-prova do ensaio de arrancamento

(direita) (FERREIRA, 2012)

58

4. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DOS RESULTADOS

4.1. INFLUÊNCIA DE TRATAMENTOS COM CATIONIZAÇÃO E

SÍNTESE DE NANOPARTÍCULAS DE FERRO E MANGANÊS EM

FIBRAS PREVIAMENTE CATIONIZADAS NAS PROPRIEDADES

FÍSICAS E MECÂNICAS DAS FIBRAS VEGETAIS

Neste capítulo, fibras de curauá e sisal foram submetidas a tratamentos com

nanopartículas de ferro e manganês. Foram realizadas análises morfológicas,

termogravimétricas e difrações de raios-x. Para avaliar o desempenho mecânico, ensaios

de tração direta foram realizados.

4.1.1. MORFOLOGIA E AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE ABSORÇÃO DAS

FIBRAS

Através da microscopia eletrônica de varredura, Figura 25 e Figura 26, é possível

observar a superfície das fibras de curauá e sisal sem tratamento e com os tratamentos.

59

(a) (b)

(c) (d)

Figura 25 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá cátion (b), curauá

Fe2O3 (c), curauá MnO (d)

(a) (b)

(c) (d)


Fe2O3 (c) e sisal MnO (d)

60

A partir das Figuras 25 e 26, observa-se os elementos dos tratamentos distribuídos

na superfície das fibras. Também são observadas alterações morfológicas nas superfícies.

De acordo Martin et al.,(2009), as fibras são formadas por um feixe composto de

células individuais denominadas microfibrilas, unidas entre si pela lignina e hemicelulose

presentes na lamela média de maneira a formar filamentos contínuos em todo o sentido do

comprimento da fibra e proporcionando, desta forma, uma certa rigidez a mesma.

No caso das fibras de curauá ferro e manganês, observa-se uma possível remoção

parcial de hemicelulose e lignina, expondo a estrutura externa das fibras. O mesmo ocorre

em todas as fibras de sisal. Também pode ser observado o deslocamento das microfibrilas,

podendo gerar redução das propriedades mecânicas.

De acordo com os resultados da EDS (Figura 27), a síntese de nanopartículas foi

eficaz, sendo observada pelas cores vermelha, azul e verde. Somente na superfície da fibra

que foram observados as nanoparticulas. Os pontos em cor representam as respectivas

nanopartículas sintetizadas.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 27 – EDS das fibras de curauá Fe2O3 (a), sisal Fe2O3 (b), curauá MnO (c) e sisal MnO (d)

61

A Figura 28 mostra os resultados da capacidade de absorção de fibras de curauá e

sisal, naturais e com diferentes tratamentos, em função do tempo. Em todos os casos é

possível observar uma variação da capacidade de absorção após duas horas de imersão em

água.

De acordo com Ferreira (2012), a menor capacidade de absorção de água de

determinadas fibras tratadas está relacionada ao aumento da adesão fibra-matriz, o qual foi

comprovado através dos ensaios de absorção e análises microestruturais.

Para as fibras de curauá, todos os tratamentos aplicados resultaram numa

diminuição na absorção de água. No caso das fibras de sisal, somente as fibras tratadas

com nanopartículas de ferro tiveram sua capacidade de absorção reduzida, enquanto que as

fibras tratadas com cátion e nanopartículas de manganês tiveram um aumento na

capacidade de absorção.

Como o ensaio de absorção foi realizado com o mesmo feixe de fibras durante o

tempo, estas fibras foram então submetidas a um processo constante de molhagem e

secagem com toalha de papel antes de serem medidas suas massas. De acordo com

Ferreira (2012), após vários ciclos de molhagem e secagem, existe um aumento de

empacotamento das células de fibra e uma redução do lúmen após a submissão ao

tratamento, o que consequentemente reduz a capacidade de absorção de água da fibra.

Figura 28 – Curva de absorção de fibras de curauá e sisal, tratadas e não tratadas

62


A Figura 29 mostra resultados termogravimétricos das fibras de curauá e sisal,

respectivamente, em uma atmosfera inerte. De acordo com as curvas é possível ver quatro

intervalos de degradação, onde a primeira fase ocorre entre 250 e 350 ºC, onde ocorre a

decomposição simultânea de hemicelulose, celulose e pectina, de acordo com Arbelaiz et.

al. (2006). O segundo pico ocorre em intervalos entre 350 e 400 ºC e é característico da

degradação da celulose. O terceiro pico (600-700 ºC) é relativo à degradação final do

carbonato de cálcio. Para as fibras de curauá e sisal, os resultados indicam que após os

tratamentos houve uma remoção parcial da estabilidade térmica, principalmente lignina e

hemicelulose.

Figura 29 – TG/DTG de fibras de curauá e sisal naturais e com diferentes tratamentos

Com os resultados, observou-se uma diferença significativa da degradação das

fibras de curauá e sisal à temperaturas menores, em função dos tratamentos. Inicialmente,

estes resultados refletem a indução na resistência térmica.

63

Para as fibras de curauá tratadas com nanopartículas de ferro, é possível observar

na curva DTG (derivada da massa), a maior redução de hemicelulose (250° a 350ºC).

Também houve redução do pico de celulose (350° a 400°C) para as fibras cationizadas e

tratadas com nanopartículas de manganês. Já no caso do tratamento com nanopartículas de

ferro, apesar da possível redução da resistência térmica, houve um aumento no pico da

celulose (350° a 400°C).

A fibra de sisal apresenta uma alta redução no pico de hemicelulose (250-350ºC),

principalmente para as fibras tratadas com nanopartículas de ferro. Também ocorreu

redução dos picos de celulose (350° a 400°) para todos os tratamentos.

A redução da faixa de hemicelulose está diretamente ligada à degradação da lamela

média, que provoca a separação das células individuais das fibras, conferindo, na maioria

das vezes, menor resistência mecânica, segundo Gram (1983).

A concentração de celulose presente nas fibras confere resistência às mesmas. A

diminuição dessa concentração pode conferir redução da resistência mecânica para as

fibras (FERREIRA, 2012).


A Figura 30 apresenta a difração de raios-X para as fibras de curauá e sisal naturais

e as tratadas. O gráfico apresenta picos representando os planos cristalinos característicos

dos materiais lignocelulósicos: 15º, 23º e 34º. A lignina e a hemicelulose são

macromoléculas amorfas e as moléculas de celulose são distribuídas aleatoriamente, com

tendência a formar ligações de hidrogênio intra e intermoleculares.

Através da Figura 30 pode-se observar que as fibras de curauá tratadas com

nanopartículas de ferro e nanopartículas de manganês apresentam uma redução da

cristalinidade, enquanto que as fibras de curauá cationizadas apresentam um aumento da

64

cristalinidade, de acordo com a metodologia de Segal et al. (1959). Através da

metodologia de Muller et al. (2009), pode-se observar que a cristalinidade das fibras de

curauá tratadas com nanopartículas de ferro e de manganês apresenta uma diminuição de

aproximadamente 44% e 19%, respectivamente, enquanto que a cristalinidade das fibras

cationizadas aumentou em aproximadamente 23% após o tratamento (Tabela 3).

Figura 30 – Difração de raios –X para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita) tratadas e não tratadas

A partir da metodologia de SEGAL et al.(1959), todas as fibras de sisal apresentam

uma diminuição da cristalinidade. De acordo com a metodologia de MULLER et al.

(2009), a fibra de sisal tratada com nanopartículas de ferro obteve uma redução de

aproximadamente 8% na cristalinidade, enquanto que as fibras tratadas com cátion e

nanopartículas de manganês tiveram um aumento de aproximadamente 17% e 13%,

respectivamente.

65

Tabela 3– Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas

Fibras Condições Icr FIcr

Curauá

Sem

Tratamento 40.88 41.28

Fe2O3 26.9 35.82

Cátion 51.32 43.26

MnO 33.33 38.56

Sisal

Sem

Tratamento 42.15 33.44

Fe2O3 29.11 30.67

Cátion 39.16 40.36

MnO 35.82 38.41

Pode-se observar também um alargamento do pico em torno de 2θ = 23º das fibras

de sisal, indicando um aumento nos cristalinos da celulose. Além desta fase, os

difratogramas apresentaram uma fase amorfa caracterizada principalmente por lignina (2θ

= 15º) que não foi modificada por nenhum tratamento.

De acordo com Ferreira (2012), o aumento na cristalinidade está diretamente

relacionado ao aumento da resistência mecânica, uma vez que a celulose cristalina

confere resistência mecânica às fibras vegetais.


Na figura 31 são apresentados os resultados das curvas tensão x deformação para

as fibras de curauá e sisal naturais e tratadas com nanopartículas de manganês, ferro e

cationização. Os valores médios de resistência à tração, módulo de elasticidade e

deformação de ruptura, com desvio padrão entre parênteses, são apresentados na Tabela

4.

66

Figura 31 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras tratadas com manganês, ferro e cátion.

Verificou-se que após o tratamento com nanopartículas de manganês, as fibras de

curauá apresentaram uma redução de aproximadamente 38% na resistência à tração, bem

como uma redução no seu módulo de elasticidade da ordem de 44 %. Nota-se ainda que as

fibras de curauá cationizadas também apresentaram redução na sua resistência à tração,

que foi em torno de 17%, e módulo elástico (redução de cerca de 47%). No caso do

tratamento com nanopartículas de ferro, as fibras de curauá apresentaram aumento na

resistência à tração de cerca de 28% e uma redução de cerca de 29% do módulo de

elasticidade.

No caso das fibras de sisal, as fibras tratadas com nanopartículas de manganês

mantiveram valores próximos de resistência à tração e deformação de pico das fibras não

tratadas. Observou-se também uma pequena redução do valor médio do módulo de

elasticidade da mesma (3,4%). As fibras se sisal cationizadas apresentaram maior

resistência à tração direta (acréscimo de 12%) e módulo elástico (acréscimo de 9%). Para

as fibras tratadas com nanoparticulas de ferro observou-se uma redução de

respectivamente, 39% e 31% nos valores de resistência à tração e módulo de elasticidade.

67

Nota-se que o tratamento com ferro melhora o comportamento tensão-deformação

do curauá e que o tratamento de cationização resulta em melhor desempenho das fibras de

sisal.

Tabela 4 – Resultados dos ensaios de tração direta para fibras de curauá e sisal

Fibras Condições Carga

Máxima (N) Tensão (MPa)

Deformação

(mm/mm)

Módulo de

Elasticidade

(Gpa)

Curauá

Sem Tratamento 2.54 (0.46) 632 (138) 0.02 (0.01) 38.1 (18)

Cationização 2.25 (0.88) 527.55

(236.68) 0.03 (0.007) 20.36 (1.14)

Cationização +

Ferro 3.40 (0.26)

808.68

(114.11) 0.03 (0.003) 26.96 (8.10)

Cationização +

Manganês 2.28 (0.26)

390.91

(114.11) 0.02 (0.006) 21.33 (4.09)

Sisal

Sem Tratamento 10.28 (3.43) 484 (135) 0.03 (0.01) 19.5 (4.5)

Cationização 12.66 (3.12) 549.53

(136.06) 0.03 (0.005) 21.46 (5.86)

Cationização +

Ferro 7.74 (3.81)

334.12

(116.90) 0.03 (0.003) 13.36 (5.32)

Cationização +

Manganês 18.83 (3.39) 454.81 (60.16) 0.03 (0.005) 18.83 (3.39)

4.1.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A partir dos resultados apresentados, pode-se chegar às seguintes conclusões:

A partir da caracterização morfológica, é possível observar modificações na

estrutura das duas fibras estudadas. De acordo com os resultados da EDS, a síntese de

nanopartículas foi eficaz. Somente na superfície da fibra que foram observados as

mesmas.

Com relação às fibras de curauá, todos os tratamentos promoveram redução na

absorção das fibras. Através dos resultados da análise térmica, no caso do tratamento com

nanopartículas de ferro, apesar da possível perda de estabilidade térmica, houve um

aumento no pico da celulose, que está diretamente ligada à resistência mecânica. A partir

68

do ensaio de difração de raios-x, pode-se concluir que as fibras de curauá cationizadas

tiveram um aumento no índice de cristalinidade e as fibras com nanopartículas de ferro

apresentaram melhor desemprenho mecânico (acréscimo de 28%). Portanto, para o

tratamento de cationização + nanopartículas de ferro, a redução da absorção de água pode

estar associada com a perda de hemicelulose (observada na análise térmica), pois a

hemicelulose tem capacidade de absorção de água. Também através da análise térmica,

pode-se observar um aumento no pico de cristalinidade, que está associado com o

aumento da resistência mecânica, como observado no ensaio de tração.

Com relação às fibras de sisal, somente as fibras de sisal tratadas com

cationização + ferro promoveram redução da absorção. Através da análise térmica pode-

se observar uma redução dos principais componentes químicos para o sisal cationizado e

cationizado com nanopartículas de manganês. A partir do ensaio de difração de raios-x,

pode-se concluir que as fibras de sisal cationizadas tiveram um aumento no índice de

cristalinidade através da metodologia de Muller et al., (2009) e aumento na resistência à

tração em 12% e módulo de elasticidade (9%). Portanto, para o tratamento de

cationização, a redução da capacidade de absorção de água pode estar associada com a

perda de hemicelulose (observada na análise térmica), pois a hemicelulose tem

capacidade de absorção de água. Através da difração de raios-x, podemos observar um

aumento do índice de cristalinidade, que é diretamente ligado à melhorias nas

propriedades mecânicas, comprovada pelo aumento da resistência à tração observado.

Para melhor compreensão sobre a eficácia dos tratamentos, a aderência das fibras

com a matriz cimentícia foi analisada no tópico 4.6.

69

4.2. INFLUÊNCIA DA HORNIFICAÇÃO ALCALINA NAS

PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DAS FIBRAS VEGETAIS

Nesta etapa, fibras de curauá e sisal foram submetidas a tratamentos de

hornificação alcalina, que consiste em ciclos de molhagem e secagem em solução de

Ca(OH)2, como já citado anteriormente. Foram realizadas análises morfológicas,



As fibras foram imersas em 0,73% de solução de Ca (OH)2 a uma temperatura

controlada por laboratório (21 ° C) durante 50 min. De acordo com Sasha et al. (2010), os

períodos de imersão variando de 30 a 60 min, em baixas concentrações alcalinas (0,5-1%)

não degradam a fibra vegetal. As fibras tratadas não foram lavadas para manter o excesso

de álcali na superfície. Posteriormente, as fibras foram secas ao ar, numa câmara térmica a

40ºC durante 24h.

4.2.1. MORFOLOGIA E AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE ABSORÇÀO DAS

FIBRAS

As Figuras 32 e 33 mostram as modificações da seção transversal observadas nas

fibras estudadas após diferentes ciclos do tratamento de hornificação em solução alcalina

de hidróxido de cálcio.

70

(a) (b)

(c ) (d)

Figura 32 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá 1 ciclo (b), curauá 5

ciclos (c), curauá 10 ciclos (d)

(a) (b)

(c) (d)

Figura 33 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal 1 ciclo (b), sisal 5 ciclos

(c) e sisal 10 ciclos (d)

71

De acordo com as imagens, o tratamento tende a promover uma redução dos

lúmens das fibras de curauá. Um comportamento particular foi o aumento da camada de

S2 na célula de fibra. Isto também está diretamente correlacionado ao fenômeno da

hornificação. A mesma modificação morfológica foi observada nas fibras de sisal. Foi

observado um fecho completo do lúmen seguido pelo aumento da camada S2 também.

Durante a análise da seção transversal é possível observar uma formação de crosta na

camada externa da parede. Esta camada contrasta facilmente com as outras camadas de

secção transversal. Somente nas fibras curauá, essas camadas parecem ser destacadas,

apresentando também uma fibrilação parcial. A fibrilação também é observada em fibras

de sisal após tratamento alcalino.

A Figura 34 mostra os resultados da capacidade de absorção de fibras de curauá e

sisal, naturais e com diferentes tratamentos, em função do tempo.

Figura 34 – Curva de absorção de fibras de curauá e sisal, tratadas e não tratadas

Após cada 1, 5 e 10 ciclos, cada fibra apresenta uma variação diferente na absorção

de água. Este fenômeno foi correlacionado com o dano na superfície da fibra e a presença

de hidróxido de cálcio e carbonatos na superfície. Uma vez que o ensaio de absorção foi

realizado com o mesmo feixe de fibras durante o tempo, estas fibras foram então

72

submetidas a um processo constante de molhagem e secagem com toalha de papel antes de

serem medidas suas massas. Este processo pode interferir na remoção, por amostra, de

minerais para a superfície da fibra.

Muitos autores citam que após os tratamentos de CH é comum observar uma

redução na capacidade de absorção de água (BEG et al., 2008; METHACANON et al.,

2010). Este processo pode ser explicado da seguinte forma: de acordo com Ferreira

(2012), após vários ciclos de molhagem e secagem, existe um aumento de empacotamento

das células de fibra e uma redução do lúmen após a submissão ao tratamento, o que

consequentemente reduz a capacidade de absorção de água da fibra. A redução da

absorção é intensificada devido à remoção de lignina e hemicelulose.


As Figuras 35 mostram resultados termogravimétricos das fibras de curauá e sisal,







tratamentos houve uma remoção parcial de constituintes fibrosos, principalmente lignina e

hemicelulose.

73

Figura 35 – TG/DTG de fibras de curauá e sisal com diferentes tratamentos

Para as fibras curauá, após 10 ciclos, é possível observar na curva DTG (derivada

da massa), a maior redução de lignina (250-350ºC). Também houve redução do pico de

celulose (350° a 400°) em todos os ciclos. Um pequeno pico de carbonato de cálcio

também pode ser observado na curva DTG a 650ºC de 5 e 10 ciclos. Com relação à curva

de DSC, é possível observar que a entalpia de lignina é reduzida, seguido de um aumento

superficial na entalpia de celulose, indicando a modificação da estrutura da celulose após o

tratamento.

A fibra de sisal apresenta uma alta redução no pico de lignina para todos os ciclos.

Esta fibra também apresenta a baixa quantidade de carbonato de cálcio pela curva DTG

(derivada da massa). Após 1 ciclo de tratamento, as fibras de sisal apresentam um elevado

valor de entalpia para evaporar quase o mesmo teor de água que o sisal natural. Após os

ciclos, a redução dos picos DSC referentes à lignina foi reduzida. Os valores de entalpia de

celulose diminuíram após 1, 5 e 10 ciclos, em comparação com a fibra natural de sisal.

Basch & Lewins (1973) relataram uma observação semelhante no caso de fibras de

algodão. Eles também concluíram que poderia existir uma correlação entre as áreas de

74

pico DSC e a percentagem de cristalinidade das fibras. De acordo com Ray et al. (2001), a

redução da entalpia pode aumentar a cristalinidade das fibras.




dos materiais lignocelulósicos: 15º, 23º e 34º. De acordo com Mulinari et al. (2011), entre

esses picos, os dois mais importantes estão localizados em 2θ iguais a 16,6 ° e 22,5 °, que

são atribuídos aos (200) e (110) planos cristalográficos da celulose. A lignina e a

hemicelulose são macromoléculas amorfas e as moléculas de celulose são distribuídas

aleatoriamente, com tendência a formar ligações de hidrogénio intra e intermoleculares.

Figura 36– Difração de raios –X para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita) tratadas e não tratadas

Pode-se observar que as fibras de curauá apresentam uma manutenção de

cristalinidade, de acordo com a metodologia de Muller et al. (2009). Através da

75

metodologia de Segal et al. (1959), pode-se observar que a cristalinidade das fibras de

curauá aumenta aproximadamente 10% em cada, após o tratamento (Tabela 5 ).

As fibras de sisal, de acordo com a metodologia de Segal et al. (1959), apresentam

uma diminuição gradual da cristalinidade. Através da metodologia de Muller et al. (2009),

pode-se observar que a cristalinidade das fibras de sisal aumentam em aproximadamente

13%, 9% e 2%, respectivamente após o tratamento com 1, 5 e 10 ciclos.

Pode-se observar também um alargamento do pico em torno de 2θ = 23º de todos

os ciclos, indicando um aumento nos cristalinos da celulose. Além desta fase, os

diffratogramas apresentaram uma fase amorfa caracterizada principalmente por lignina (2θ

= 15º) que não foi modificada por nenhum tratamento.

Tabela 5 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas

De acordo com Barreto et al. (2011), observou-se que quando a fibra de sisal é

submetida a uma solução alcalina, a intensidade dos picos relativos da celulose e a fração

cristalina aumentam devido à remoção parcial da lignina na solução alcalina, ou seja, a

fibra de sisal perdeu parte de sua componente amorfo. Os resultados obtidos pela fibra de

sisal corroboram com os resultados presentes na literatura (RAY et al., 2001). Esta

informação não corrobora com o resultado de cristalinidade desta pesquisa. Somente no


Curauá

Sem Tratamento 40.88 41.28

Curauá 1 Ciclo 45.63 39.37

Curauá 5 Ciclos 45.12 40.95

Curauá 10 Ciclos 45.18 39.14

Sisal


Sisal 1 Ciclo 36.44 38.26

Sisal 5 Ciclos 20.21 36.44

Sisal 10 Ciclos 24.77 34.34

76

primeiro ciclo de tratamento a fibra de sisal apresentou um aumento na cristalinidade da

fibra.


As curvas obtidas em fibras não tratadas e tratadas são apresentadas na Figura 37.

Os resultados dos valores e das médias dos tratamentos individuais são apresentados na

Tabela 6. O tratamento com hornificação alcalina resultou num aumento da resistência à

tração para todas as fibras estudadas. Cada fibra apresenta uma resposta diferente para

cada ciclo aplicado.

Figura 37 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita)

tratadas e não tratadas.

As fibras de curauá apresentam um aumento maior de sua resistência à tração após

o primeiro ciclo. O aumento de cerca de 50% foi seguido por um módulo mais elevado e

uma maior capacidade de deformação. Após 5 ciclos, as fibras curauá ainda apresentam

uma resistência à tração superior, em comparação com a fibra natural, porém inferior a 1

77

ciclo. Observou-se um aumento no módulo e uma redução na capacidade de deformação.

Não se observou variação expressiva entre 5 e 10 ciclos de tratamento.




Deformação

(mm/mm)

Módulo de

Elasticidade

(Gpa)

Curauá

Sem Tratamento 2.54 (0.46) 632 (138) 0.02 (0.01) 38.1 (18)

Curauá 1 Ciclo 3.46 (0.28) 898.54 (118) 0.03 (0.02) 46.64 (12.20)

Curauá 5 Ciclos 3.22 (0.18) 532.91 (103) 0.03 (0.03) 51 (16.82)

Curauá 10 Ciclos 3.06 (0.32) 606.61 (110) 0.03 (0.02) 41.69 (13.02)

Sisal

Sem Tratamento 10.28 (3.43) 484 (135) 0.03 (0.01) 19.5 (4.5)

Sisal 1 Ciclo 13.36 (2.32) 708.70 (103.29) 0.03 (0.01) 24.32 (2.17)

Sisal 5 Ciclos 9.07 (3.96) 425.59 (106.21) 0.03 (0.01) 21.41 (6.13)

Sisal 10 Ciclos 8.63 (3.89) 448.69 (119.09) 0.02 (0.01) 23.18 (5.48)

Conforme observado em todas as fibras, o primeiro ciclo de tratamento também

promoveu o maior aumento da resistência à tração às fibras de sisal. Esta propriedade foi

melhorada em 32% apenas no primeiro ciclo.

Após 5 ciclos de tratamento, a fibra de sisal apresentou redução da resistência à

tração, mantendo o módulo da fibra natural. O valor médio foi de 453MPa, bastante

semelhante ao da fibra natural estudada. Após 10 ciclos a fibra ainda mantém a

manutenção da força, mas aumentando o seu módulo.

De acordo com Kundu et al., (2010), a razão do aumento na resistência à tração e

alongamento é a remoção de materiais não celulósicos e impurezas, que permanecem

distribuídas na região interfibrilar das fibras. Após o tratamento alcalino de baixa

concentração, as fibrilas tornam-se mais capazes de se rearranjar ao longo das direções de

deformação por tensão, uma vez que a região interfibrilar é menos densa e menos rígida

devido à remoção de hemicelulose.

78

De acordo com os dados analíticos obtidos, não há possibilidade de promover uma

correlação eficaz desta informação com o comportamento mecânico.

De acordo com GRAM (1983), a degradação da fibra em solução alcalina

apresenta uma sequência de: lignina, hemicelulose e degradação da celulose.

Uma vez que a celulose é o polímero que confere principalmente resistência

mecânica, a remoção dos outros elementos lignocelulósicos pode tornar a fibra um

material mais rígido. Dependendo do nível dessa remoção, várias conexões entre esses

elementos podem ser quebradas em um nível que as propriedades mecânicas podem

diminuir.

De acordo com os resultados de 10 ciclos, as fibras já começam a se degradar,

apresentando valores médios de tensão próximos às fibras naturais. Em ciclos adicionais, a

fibra provavelmente deverá apresentar maiores reduções na resistência à tração.


O trabalho em questão investigou o efeito de ciclos de molhagem e secagem em

solução alcalina sobre fibras naturais em propriedades mecânicas. Podemos extrair as

seguintes conclusões da presente pesquisa:


estrutura das fibras estudadas. Após os tratamentos alcalinos, as fibras naturais

apresentaram alguma redução em seus compostos químicos como hemicelulose e lignina.

Através da metodologia proposta por Seagal et al. (1959), a cristalinidade de celulose foi

mantida, exceto para fibras de sisal, mostrando uma diminuição. Os ciclos de tratamento

promovem mudanças nas ligações químicas celulósicas, promovendo alterações na

capacidade de absorção de água das fibras. Com relação ao comportamento mecânico,

curauá e sisal apresentaram um melhor comportamento de tração a 1 ciclo.

79

Correlações com análise analítica com o comportamento mecânico não são

elementares. A microscopia eletrônica de varredura indica que o tratamento alcalino foi

eficaz no alinhamento das microfibrilas. Esta modificação pode justificar o aumento das

propriedades mecânicas.

4.3. DURABILIDADE: EFEITO DO INTEMPERISMO NATURAL E

IMERSÕES PROLONGADAS NAS FIBRAS VEGETAIS

Foi investigada a durabilidade das fibras de curauá e sisal devido à necessidade de

compreender a influência do intemperismo em países tropicais. Uma vez que as fibras

utilizadas no estudo são extraídas e armazenadas nos estados que apresentam condições

climáticas tropicais, esta análise se faz necessária. Este estudo é interessante não só para

problemas de armazenamento, mas também para promover uma compreensão fundamental

sobre a durabilidade das fibras durante o processo de envelhecimento natural. As fibras

estudadas foram submetidas ao desgaste natural na cidade do Rio de Janeiro durante o

período de janeiro e fevereiro de 2015. Foram realizadas análises morfológicas,



4.3.1. ANÁLISE MORFOLÓGICA

As Figuras 38 e 39 mostram modificações da superfície das fibras analisadas após

as exposições:

80

(a) (b)

(c) (d)

Figura 38 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá 1 mês em H2O (b),

curauá 1 mês em Ca(OH)2 (c) e curauá submetido ao intemperismo (d)

(a) (b)

(c) (d)

Figura 39 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal 1 mês em H2O (b), sisal

1 mês em Ca(OH)2 (c) e sisal submetido ao intemperismo (d)

81

A partir das Figuras apresentadas, pode-se observar alterações morfológicas nas

superfícies.

De acordo Martin et al.(2009), as fibras são formadas por um feixe composto de

células individuais denominadas microfibrilas, unidas entre si pela lignina e hemicelulose

presentes na lamela média , de maneira a formar filamentos contínuos em todo o sentido

do comprimento da fibra e proporcionando, desta forma, uma certa rigidez a mesma.

No caso de todas as fibras, podemos observar uma possível remoção parcial de

hemicelulose e lignina, que de acordo com Gram (1983), compõem a lamela média

responsável pela união das células individuais. Com isso, a estrutura externa das fibras fica

exposta. Também pode ser observado o deslocamento das microfibrilas, podendo gerar

redução das propriedades mecânicas. No caso das fibras imersas por 1 mês em solução de

hidróxido de cálcio, podemos observar os elementos dos tratamentos distribuídos na

superfície das fibras. Percebe-se que o ataque alcalino aumentou a rugosidade das fibras,

por consequência, aumenta-se consideravelmente a área superficial.


A Figura 40 mostra os resultados termogravimétricos das fibras de curauá e sisal,








hemicelulose.

82

Figura 40 – TG/DTG de fibras de curauá( esquerda) e sisal (direita) com diferentes tratamentos

Observando a curva DTG (derivada da massa), as fibras curauá expostas ao

intemperismo apresentam uma redução de lignina e hemicelulose. Uma redução na

entalpia de DSC (fluxo de calor) para estes componentes também foi observada. A

remoção destes componentes após imersão alcalina é relatada na literatura.

Em relação às imersões, as fibras de curauá apresentaram redução na quantidade de

lignina e hemicelulose após 1 mês de exposição. A curva DSC indica um aumento da

evaporação da água e da entalpia da celulose. Após o período em solução alcalina, as

fibras de curauá apresentaram uma maior redução de hemicelulose. Surpreendentemente,

as fibras de sisal que foram imersas por um mês não apresentaram alterações significativas

na curva DTG.

Ramakrishna & Sundararajan (2005), observaram uma redução substancial na

composição química das fibras de sisal quanto submetidas a três tratamentos (água,

hidróxido de sódio e hidróxido de cálcio) sob dois tipos de envelhecimento acelerado:

imersão contínua por 60 dias e a 30 ciclos de secagem e molhagem. Foi observada neste

83

estudo uma redução bastante significativa do teor de celulose e hemicelulose quando

submetidos à ciclagem em solução de hidróxido de sódio.









Figura 41 – Difração de raios –X para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita) tratadas e não

tratadas

84

De acordo com o DRX das fibras naturais, envelhecidas e imersas, não foram

observadas alterações significativas no perfil de dispersão da amostra. Em geral, a

exposição ao intemperismo promoveu aumento na cristalinidade da fibra de curauá em

aproximadamente 8% (Segal et al.,1959). A fibra de sisal apresentou uma redução do seu

valor de cristalinidade em todos os casos. A imersão em água promoveu uma diminuição

da cristalinidade em todas as fibras. A imersão em Ca (OH) 2 por um mês promove uma

redução na cristalinidade das fibras estudadas (Tabela 7).



Curauá

Sem Tratamento 40,88 40,28

Intemperismo 44,63 40,83

H2O 19,12 28,43

Ca(OH)2 38,08 39,95

Sisal

Sem Tratamento 42,15 37,44

Intemperismo 37,84 37,35

H2O 38,65 24,13

Ca(OH)2 18,44 34,52

De acordo com Ferreira (2012), o aumento na cristalinidade está diretamente

relacionado ao aumento da resistência mecânica, uma vez que a celulose cristalina

confere resistência mecânica às fibras vegetais.


As curvas típicas dos ensaios de tração são apresentadas na Figura 42. A Tabela 8

resume os resultados médios para todos os testes de tração.

85

As fibras de Curauá e sisal apresentam uma diminuição na resistência à tração

após exposição ao intemperismo. Um comportamento semelhante foi observado por

Marques et al. (2014). Em suas pesquisas, as fibras de coco foram submetidas à condições

climáticas semelhantes em uma região do sudeste do Brasil. As fibras de coco

apresentaram após 3 meses de exposição uma redução na resistência à tração.



As fibras de curauá e sisal estudadas apresentaram diminuição da resistência à

tração após 1 mês de imersão em solução de hidróxido de cálcio de cerca de 64% e 61%,

respectivamente. A fibra de curauá e sisal imersas 1 mês em água apresentaram o mesmo

comportamento.

Esta redução da resistência à tração das fibras deve-se a perda de constituintes das

fibras, como a lignina, celulose e hemicelulose, que foi evidenciada nos resultados de

análise térmica.

Rowell et al., (2000) demonstraram que a lignina e a hemicelulose presente em

fibras de sisal tem efeito importante sobre a resistência à tração. Além disso, a sua

remoção pode deixar os outros constituintes mais susceptíveis à ações biológicas e de

86

fungos. De acordo com Toledo et al,(1999), a ação biológica pelo fato das fibras vegetais

serem um composto orgânico e a umidade ser um fator determinante para a proliferação de

microrganismos, pode justificar o fato de as fibras imersas em água por 1 mês terem

sofrido redução em suas propriedades mecânicas. Supondo o fato da exposição ao

intemperismo ter incentivado à ação biológica (chuva) e de microrganismos (fungos e

bactérias), pode-se supor que esta foi a causa da redução das propriedades mecânicas de

ambas as fibras.

Como dito anteriormente, o ataque alcalino provoca degradação dos principais

constituintes das fibras vegetais (GRAM, 1988), o que pode explicar a diminuição das

propriedades mecânicas.

A correlação de resultados mecânicos com dados analíticos não é um processo

elementar. Mesmo com todas as informações analíticas, não foi possível realizar uma

correlação confiável com as propriedades mecânicas.




Deformação

(mm/mm)

Módulo de

Elasticidade

(Gpa)

Curauá

Sem Tratamento 2.54 (0.46) 632 (138) 0.02 (0.01) 38.1 (18)

Intemperismo 2.14 (1.17) 225.61 (157.09) 0.01 (0.006) 40.87 (19.24)

H2O 1.64 (0.26) 616.40 (164.17) 0.02 (0.004) 12.74 (6.65)

Ca(OH)2 1.58 (0.33) 223.67 (84.96) 0.006 (0.002) 40.3 (16.45)

Sisal

Sem Tratamento 10.28 (3.43) 484 (135) 0.03 (0.01) 19.5 (4.5)

Intemperismo 5.81 (1.43) 207.56 (51.40) 0.02 (0.01) 13.89 (1.17)

H2O 4.89 (1.16) 221.14 (36.84) 0.03 (0.01) 10.08 (2.16)

Ca(OH)2 3.94 (1.36) 187.64 (45.06) 0.02 (0.01) 14.73 (2.60)

87


O trabalho em questão investigou a durabilidade de fibras quando imersas em

solução de hidróxido de cálcio e água, além da exposição das fibras de curauá e sisal ao

intemperismo. Podemos extrair as seguintes conclusões da presente pesquisa:

Os dados ambientais confirmam uma maior intensidade solar e temperatura da

umidade no período de exposição em 2015. O JAN-FEV de 2015 apresentou registros de

chuva intensos, proporcionando às fibras uma “molhagem” constante durante a exposição.


estrutura das duas fibras estudadas. Através da termoanálise, pode-se observar que as

fibras de sisal foram mais resistentes à exposição. Os resultados de difração de raios-x

indicam que a cristalinidade aumentou após a exposição ao intemperismo para as fibras de

curauá, mantendo-se constante para as fibras de sisal.

Portanto, as fibras expostas ao intemperismo apresentaram um comportamento

mecânico ruim. Pode-se supor a ação de agentes biológicos e microrganismos nas fibras,

reduzindo assim, suas propriedades mecânicas.

Em relação à imersão em soluções de hidróxido de cálcio e Água, todas as fibras

apresentaram redução na quantidade de hemicelulose e lignina. O grau de cristalinidade

diminuiu para todas as fibras imersas. Fibras de curauá e sisal imersas em água e em

solução de hidróxido de cálcio apresentaram diminuição na resistência à tração. Isto pode

ser justificado pela exposição ao ambiente alcalino e à ação de agentes biológicos,

respectivamente, degradando principais componentes das fibras, que conferem resistência

mecânica.

88

4.4. DURABILIDADE: 1 MÊS EM H2O: FIBRAS TRATADAS COM

NANOPARTÍCULAS

Nesta etapa, fibras de curauá e sisal que foram cationizadas e tratadas com

nanopartículas de ferro e manganês, foram submetidas a 1 mês de imersão em água.

Foram investigados os tratamentos citados no ponto de vista da durabilidade das fibras.

Foram realizadas análises morfológicas, termogravimétricas e difrações de raios-x. Para

avaliar o desempenho mecânico, ensaios de tração direta foram realizados.



as exposições:

(a) (b)

(c) (d)


Fe2O3 (c) e curauá MnO (d)

89

(a) (b)

(c) (d)

Figura 44 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal cátion (b), sisal Fe2O3

(c) e sisal MnO (d)

A partir das figuras acima, pode-se observar alterações morfológicas nas

superfícies.

No caso de todas as fibras, pode-se observar uma possível remoção parcial de

hemicelulose e lignina, expondo a estrutura externa das fibras. No caso do sisal

cationizado, também pode ser observado o deslocamento das microfibrilas, podendo gerar

redução das propriedades mecânicas.


As Figuras 45 mostram resultados termogravimétricos das fibras de curauá e sisal,


90


decomposição simultânea de hemicelulose, celulose e pectina, de acordo com ARBELAIZ

et. al. (2006). O segundo pico ocorre em intervalos entre 350 e 400 ºC e é característico da




hemicelulose.

Figura 45 - TG/DTG de fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita) com diferentes tratamentos

Para as fibras de curauá tratadas, em comparação com as fibras naturais imersas 1

mês em água, é possível observar na curva DTG uma redução de hemicelulose (250° a

350ºC). No caso do pico de celulose (350° a 400°C), é possível observar um aumento

significativo do pico da fibra tratada com cationização. No caso dos outros tratamentos,

não houve mudança significativa.

A fibra de sisal apresenta uma redução no pico de hemicelulose (250-350ºC) para

todas as fibras tratadas. Também ocorreu redução dos picos de celulose (350° a 400°) para

as fibras tratadas com nanopartículas de ferro e manganês, com uma possível redução de

resistência térmica, devido ao deslocamento da faixa de temperatura de degradação.

91



das vezes, menor resistência mecânica, segundo GRAM (1983).



fibras, como o aumento da mesma pode conferir aumento da resistência mecânica.










92

No caso das fibras de curauá, houve mudança significativa nas fibras tratadas

imersas por 1 mês em água, em comparação com as fibras naturais imersas. Através da

metodologia de Seagal et al. (1959), podemos observar um aumento significativo na

cristalinidade em todos os tratamentos. De acordo com a metodologia de Muller et al.

(2009), não ocorreu nenhuma mudança significativa nas fibras imersas tratadas com cátion

de nanopartículas de manganês. No caso das fibras imersas tratadas com ferro, como pode-

se observar redução de aproximadamente 25%, de acordo com a Tabela 9.

No caso das fibras de sisal, em comparação com a fibra natural imersa 1 mês em

água, a partir da metodologia de Seagal et al.(1959), as fibras de sisal tratadas com cátion

e nanopartículas de manganês, imersas um mês em água, apresentam um aumento da

cristalinidade em aproximadamente 27%, ambas, enquanto que a fibra tratada com

nanopartículas de ferro apresentou uma redução de aproximadamente 38%. De acordo

com a metodologia de Muller et al. (2009), a fibra de sisal tratada com nanopartículas de

ferro, imersas um mês em água, teve uma redução de cristalinidade em aproximadamente

17%, enquanto que as fibras tratadas com cátion e óxido de manganês, um mês em água,

se mantiveram aproximadamente constantes.


Fibras Condições CIcr FIcr

Curauá


Sem Tratamento* 41.99 42.2

Fe2O3* 51.31 31.66

Cátion* 53.82 40.68

MnO* 51.34 39.91

Sisal

Sem Tratamento 42,15 39.72


Fe2O3* 21.13 33.01

Cátion* 47.05 37.71

MnO* 46.7 37.00

* 1 mês em H2O

93


Na Figura 47 são apresentados os resultados das curvas tensão x deformação para


cationização, imersas por 1 mês em água. Os valores médios de resistência à tração,

módulo de elasticidade e deformação de ruptura, com desvio padrão entre parênteses, são

apresentados na Tabela 10.



Nas fibras de curauá, em comparação com as fibras naturais imersas 1 mês em

água, verificou-se que todos os tratamentos promoveram aumento na resistência bem

como no módulo de elasticidade.

No caso das fibras de sisal, em comparação com as fibras naturais imersas 1 mês

em água, podemos observar uma manutenção da resistência bem como do módulo de

elasticidade.

94



Máxima (N)

Tensão

(MPa)

Deformação

(mm/mm)

Módulo de

Elasticidade

(Gpa)

Curauá

Sem Tratamento 2.54 (0.46) 632 (138) 0.02 (0.01) 38.1 (18)

Sem Tratamento* 1.34 (1.09) 337.03

(272.31) 0.017 (0.006)

20.09

(12.10)

Cationização* 2.29 (0.80) 532.90

(186.56) 0.025 (0.003) 20.45 (6.26)

Cationização +

Ferro* 1.31 (0.70)

306.16

(162.29) 0.025 (0.015) 15.47 (6.39)

Cationização +

Manganês* 1.78 (0.50)

414.60

(117.37) 0.03 (0.02) 18.04 (9.08)

Sisal

Sem Tratamento 10.28 (3.43) 484 (135) 0.03 (0.01) 19.5 (4.5)

Sem Tratamento* 5.60 (1.93) 243.73

(84.18) 0.02 (0.003) 10.62 (3.67)

Cationização* 5.89 (2.20) 256.11

(95.87) 0.03 (0.009) 9.55 (3.83)

Cationização +

Ferro* 3.94 (1.17)

171.54

(51.03) 0.02 (0.006) 8.66 (3.00)

Cationização +

Manganês* 4.86 (2.27)

211.23

(98.85) 0.02 (0.004) 12.05 (3.10)

*1 mês em H2O


O trabalho em questão investigou a durabilidade de fibras de curauá e sisal quando

imersas por 1 mês em água. Podemos extrair as seguintes conclusões da presente pesquisa:

As fibras tratadas, imersas 1 mês em água apresentaram comportamentos distintos aos

das fibras naturais também imersas por 1 mês em água. A partir da caracterização

morfológica, é possível observar modificações na estrutura das fibras estudadas.

No caso das fibras de curauá, apesar da redução do pico da celulose, apresentado pela

análise térmica, a imersão foi efetiva, pois o aumento no desempenho mecânico mostrado

no ensaio de tração e comprovado pelo aumento da cristalinidade do ensaio de drifração

de raios-x, ficou evidente para os três tratamentos.

95

No caso das fibras de sisal, apesar do aumento do índice de cristalinidade mostrado no

ensaio de difração de raios-x, pela metodologia proposta por Segal et al.(1959), o

comportamento mecânico apresentou pouca variação.

4.5. DURABILIDADE: 1 MÊS EM Ca(OH)2: FIBRAS TRATADAS

COM NANOPARTÍCULAS

Nesta etapa, fibras de curauá e sisal que foram cationizadas e tratadas com

nanopartículas de ferro e manganês, foram submetidas a 1 mês de imersão em hidróxido

de cálcio. Foram investigados os tratamentos citados do ponto de vista da durabilidade das

fibras. Foram realizadas análises morfológicas, termogravimétricas e difrações de raios-x.

Para avaliar o desempenho mecânico, ensaios de tração direta foram realizados.



as exposições:

96

(a) (b)

(c) (d)


Fe2O3 (c) e curauá MnO (d)

(a) (b)

(c) (d)

Figura 49 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal cátion (b), sisal Fe2O3

(c) e sisal MnO (d)

97

A partir das figuras acima, pode-se observar alterações morfológicas nas

superfícies.

No caso de todas as fibras, podemos observar uma possível remoção parcial de

hemicelulose e lignina, expondo a estrutura externa das fibras. Também pode ser

observado o deslocamento das microfibrilas, podendo gerar redução das propriedades

mecânicas. No caso das fibras imersas por 1 mês em solução de hidróxido de cálcio,

podemos observar os elementos dos tratamentos distribuídos na superfície das fibras.

Percebe-se que o ataque alcalino aumentou a rugosidade das fibras, por consequência,

aumenta-se consideravelmente a área superficial.


A Figura 50 mostra resultados termogravimétricos das fibras de curauá e sisal,








hemicelulose.

98

Figura 50 – TG/DTG de fibras de curauá e sisal com diferentes tratamentos

Após a imersão das fibras de curauá em hidróxido de cálcio durante um mês, em

comparação com as fibras naturais imersas, foi observada uma redução no pico da

celulose. As reduções no "ombro" referente à hemicelulose também foram observadas.

A fibra de sisal apresenta uma redução no pico de hemicelulose (250-350ºC) para

todos os tratamentos. Também ocorreu redução dos picos de celulose (350° a 400°) para

as fibras tratadas com nanopartículas de ferro e manganês, com uma possível redução de

resistência térmica, devido ao deslocamento da faixa de temperatura de degradação.



das vezes, menor resistência mecânica, segundo Gram (1983).



fibras, como o aumento da mesma pode conferir aumento da resistência mecânica.

99










No caso das fibras de curauá, houve mudança significativa nas fibras tratadas

imersas por um mês em solução de hidróxido de cálcio, em comparação com as fibras

naturais imersas. Através da metodologia de Seagal et al. (1959), podemos observar um

100

aumento significativo na cristalinidade para as fibras imersas tratadas com nanopartículas

de ferro e manganês, de aproximadamente 26% e 31%, respectivamente. De acordo com a

metodologia de Muller et al. (2009), somente ocorreu mudança significativa nas fibras

tratadas com nanopartículas de ferro, que apresentaram uma redução de 10% no índice de

cristalinidade , como pode-se observar na Tabela 11.

No caso das fibras de sisal, em comparação com a fibra natural imersa 1 mês em

solução de hidróxido de cálcio, a partir da metodologia de Seagal et al.(1959), as fibras de

sisal tratadas com cátion e nanopartículas de manganês, apresentam um aumento da

cristalinidade em aproximadamente 47% e 15%, respectivamente. De acordo com a

metodologia de Muller et al. (2009), as fibras de sisal tratadas com nanopartículas de

ferro, tiveram uma redução de cristalinidade em aproximadamente 7%, enquanto que as

fibras tratadas com cátion e nanopartículas de manganês, apresentaram aumento de 12% e

6%, respectivamente.



Curauá



Fe2O3* 26.86 35.91

Cátion* 51.47 41.13

MnO* 54.94 37.75

Sisal



Fe2O3* 13.73 31.94

Cátion* 34.52 39.18

MnO* 21.67 36.63

*1 mês em Ca(OH)2

101


Na figura 52 são apresentados os resultados das curvas tensão x deformação para


cationização, imersas por 1 mês em solução de hidróxido de cálcio. Os valores médios de

resistência à tração, módulo de elasticidade e deformação de ruptura, com desvio padrão

entre parênteses, são apresentados na Tabela 12.



No caso das fibras de curauá tratadas, em comparação com as fibras naturais

imersas 1 mês em solução de hidróxido de cálcio, nota-se aumento da resistência das

fibras tratadas com cationização e nanopartículas de ferro. O módulo das fibras de curauá

tratadas com nanopartículas de ferro e manganês teve seu comportamento comprometido.

Com relação às fibras de sisal, em comparação com as fibras naturais imersas,

todos os tratamentos promoveram redução na resistência à tração das fibras bem como no

módulo de elasticidade.

102



Máxima (N)

Tensão

(MPa)

Deformação

(mm/mm)

Módulo de

Elasticidade

(Gpa)

Curauá

Sem Tratamento 2.54 (0.46) 632 (138) 0.02 (0.01) 38.1 (18)

Sem Tratamento* 1.08 (0.78) 239.87

(174.03) 0.008 (0.003) 31.51 (19.12)

Cationização* 1.28 (0.68) 286.04

(152.34) 0.013 (0.007) 22.58 (5.76)

Cationização +

Ferro* 1.43 (0.50)

318.90

(111.38) 0.016 (0.003) 22.39 (9.46)

Cationização +

Manganês* 1.14 (0.53)

252.72

(117.64) 0.009 (0.003) 27.44 (7.19)

Sisal

Sem Tratamento 10.28 (3.43) 484 (135) 0.03 (0.01) 19.5 (4.5)

Sem Tratamento* 3.69 (1.23) 160.52

(53.56) 0.015 (0.004) 13.22 (4.79)

Cationização* 3.68 (1.18) 159.91

(51.15) 0.018 (0.004) 8.75 (2.30)

Cationização +

Ferro* 5.60 (2.26)

243.51

(98.47) 0.02 (0.005) 13.49 (6.36)

Cationização +

Manganês* 3.32 (1.90)

144.35

(82.47) 0.015 (0.005) 10.94 (3.57)

*1 mês em Ca(OH)2


O trabalho em questão investigou a durabilidade de fibras de curauá e sisal quando

imersas por 1 mês em solução de hidróxido de cálcio. Podemos extrair as seguintes

conclusões da presente pesquisa:

As fibras tratadas, imersas 1 mês em solução de hidróxido de cálcio apresentaram

comportamentos distintos aos das fibras naturais também imersas por 1 mês na mesma

solução. A partir da caracterização morfológica, é possível observar modificações na

estrutura das fibras estudadas.

No caso das fibras de curauá, todos os tratamentos apresentaram redução do pico da

celulose, apresentado pela análise térmica. Na difração de raios-x, através da metodologia

de Seagal et al. (1959), pode-se observar aumento no índice de cristalinidade para as fibras

103

tratadas com nanopartículas de ferro e manganês, imersas 1 mês em água. Apesar desse

aumento, o comportamento mecânico foi comprometido para as fibras tratadas com

nanopartículas de manganês, apresentando pequena variação positiva para as fibras com

nanopartículas de ferro.

No caso das fibras de sisal, observou-se redução dos picos de celulose e hemicelulose,

apresentados na análise térmica. Apesar do aumento do índice de cristalinidade das fibras

imersas tratadas com nanopartículas de ferro e manganês, mostrado no ensaio de difração

de raios-x, pela metodologia proposta por Seagal et al.(1959) e de Muller et al (2009), o

comportamento mecânico mostrou-se comprometido.

4.6. INFLUÊNCIA DOS TRATAMENTOS NA ADERÊNCIA FIBRA-

MATRIZ

Nesta etapa, foi investigada a influência dos tratamentos realizados nas fibras de

curauá e sisal na aderência das mesmas com a matriz cimentícia. Para isto, foram

realizadas análises na força de ligação da fibra vegetal através do ensaio de arrancamento,

com uma matriz à base de cimento, livre de hidróxido de cálcio, no traço 1:0,5:0,4

(aglomerante : areia : fator água/cimento), em massa. Como aglomerante foi utilizado 30%

de cimento Portland CP II F-32, 30% de metacaulinita e 40% de cinza volante.

4.6.1 FIBRAS TRATADAS COM NANOPARTÍCULAS: ANÁLISE ADESIONAL

4.6.1.1. ENSAIO DE ARRANCAMENTO

Na Figura 53 estão apresentadas as curvas força-deslizamento obtidas no ensaio de

arrancamento das fibras de curauá e sisal tratadas com nanopartículas. As propriedades

104

calculadas são apresentadas na Tabela 13 e, entre parênteses, é informado o desvio padrão.

O valor de rigidez é calculado pela inclinação da curva P x d na fase adesional.

Figura 53 - Influência dos tratamentos na força de arrancamento das fibras de curauá e sisal

No caso da fibra de curauá, observou-se que o tratamento com ferro conferiu uma

maior redução na adesão das fibras de curauá (33%), apresentando menor τad e ruptura de

fibra, não mobilizando deslizamento τfric significativo. No caso das fibras cationizadas,

observou-se pequena redução na carga adesional (12%). Nota-se que foi observado ruptura

da fibra durante ensaio de arrancamento. Para as fibras tratadas com manganês, reduções

na carga adesional também foram observadas (cerca de 16%). Contudo as fibras

apresentaram bom comportamento friccional. Nota-se que a rigidez em todos os casos é

reduzida, principalmente para ferro (redução de 37%).

No caso das fibras de sisal, os resultados apontam uma melhoria na adesão das

fibras tratadas com manganês e cationização. Observou-se que as fibras cationizadas

conferiram maior adesão à fibra de sisal, com acréscimos de τad e τfric de 6,7% e 50%

respectivamente. Em particular, o tratamento com nanopartículas de manganês promoveu

um comportamento de enrijecimento no arrancamento, indicando uma boa ancoragem da

105

fibra com a matriz. Nota-se que a melhoria ocorreu principalmente na tensão friccional,

apresentando acréscimo de 183%. No caso das fibras tratadas com ferro, observou-se

pequena redução na carga adesional (cerca de 15%).

Tabela 13 - Resultados do ensaio de arrancamento de fibras de curauá e sisal

Fibras Comprimento

(mm) Condições Pad (N)

τad

(MPa) Pfr (N)

τfr

(MPa)

Rigidez

(N/mm)

Curauá 25

Sem

Tratamento

3.65

(1.21)

0.48

(0.22)

1.86

(0.95)

0.34

(0.19)

30.26

(0.36)

Fe2O3 3.06

(0.54)

0.38

(0.09)

1.12

(0.32)

0.19

(0.21)

21.32

(0.68)

Cátion 2.44

(0.64)

0.31

(0.21)

0.97

(0.24)

0.15

(0.09)

19.02

(1.45)

MnO 3.21

(1.13)

0.40

(0.11) - -

24.12

(0.42)

Sisal 25

Sem

Tratamento

3.73

(1.02)

0.30

(0.08)

2.56

(0.72)

0.18

(0.04)

9.31

(4.39)

Fe2O3 3.97

(1.64)

0.34

(0.09)

6.84

(1.43)

0.51

(0.11)

11.87

(3.68)

Cátion 3.18

(1.12)

0.28

(0.04)

3.02

(0.26)

0.25

(0.09)

10.12

(5.84)

MnO 4.12

(0.64)

0.32

(0.03)

3.64

(0.54)

0.27

(0.02)

12.04

(2.12)

Esta melhor adesão fibra-matriz pode ser justificada não só pelas curvas com

melhoria na fase friccional, mas também pelas imagens obtidas através da microscopia

eletrônica de varredura.

A Figura 54 apresenta microscopia eletrônica de varredura da interface das fibras

de curauá e sisal tratadas

Figura 54 - Superfície de fibras de curauá ferro (esquerda) e sisal manganês (direita) tratadas após ensaio de

arrancamento

106

No caso da fibra de sisal tratada com nanopartículas de manganês e nota-se a

presença de grande quantidade de produtos de hidratação na superfície da mesma.

4.6.1.2. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com relação aos resultados de aderência fibra-matriz dos tratamentos com

nanopartículas, pode-se chegar às seguintes conclusões:

Os tratamentos de cationização e nanopartículas de ferro em fibras de curauá

promoveram ruptura de fibra durante ensaio de arrancamento. Para as fibras tratadas com

ferro foi observada uma forte redução na fase friccional. Todos os tratamentos

promoveram redução da rigidez;

Com relação ao sisal, todos os tratamentos promoveram melhoria da adesão com a

matriz. Apesar do tratamento com manganês não ter proporcionado melhoria nas

propriedades mecânicas como citado na etapa de tratamentos, o mesmo promoveu uma

melhor adesão para a fibra de sisal. Sisal cationizado foi o único tratamento que promoveu

melhoria na resistência à tração bem como na adesão fibra-matriz;

4.6.2. HORNIFICAÇÃO ALCALINA: COMPORTAMENTO ADESIONAL

4.6.2.1. ENSAIO DE ARRANCAMENTO


arrancamento das fibras de curauá tratadas com hornificação alcalina. As propriedades



107

As fibras com hornificação alcalina apresentaram uma ligação de adesão mais

elevada pelo endurecimento da estrutura polimérica das células. Esse processo, semelhante

à hornificação em água, resulta em um empacotamento das fibras devido à formação de

ligações de hidrogênio. Uma consequência direta é a redução do lúmen, que

consequentemente reduz a capacidade de absorção de água e mudança dimensional.

Figura 55 - Influência dos tratamentos na força de arrancamento das fibras de curauá

Em relação às fibras curauá tratadas, o tratamento promoveu uma redução na

ligação das fibras. Após um ciclo, observou-se uma ruptura prematura de fibras, mesmo o

ensaio mecânico indicando um aumento na resistência à tração. A rigidez na retirada

108

também foi reduzida, indicando uma possível perda na adesão. O mesmo comportamento

é observado nos ciclos seguidos. O tratamento pode promover uma perda na adesão entre

as células fibrosas. A Figura 56 mostra as imagens de MEV com uma maior quantidade de

produtos de hidratação na superfície de curauá após o tratamento. A presença de tais

produtos é mais evidente no curauá tratado com um ciclo. Isso pode justificar a ruptura

prematura durante o teste.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 56 - Superfície de fibras de curauá tratadas após ensaio de arrancamento. Curauá Natural (a),

curauá 1 ciclo (b), curauá 5 ciclos (c), curauá 10 ciclos (d)


arrancamento das fibras de sisal tratadas com hornificação alcalina. As propriedades



109

Figura 57 - Influência dos tratamentos na força de arrancamento das fibras de sisal

O tratamento alcalino que resultou numa maior cristalinidade também pode

melhorar o comportamento de arrancamento, porém, o principal mecanismo para o

resultado obtido foi a interação química entre o restante de hidróxido de cálcio e também o

carbonato de cálcio ligado à superfície das fibras de sisal.

O resultado após o tratamento é uma maior tensão friccional, resultando em

desfibrilação. A maior inclinação na fase linear sugere uma maior adesão à matriz,

provavelmente devido a uma maior rugosidade na superfície e celulose mais exposta e

produtos de cálcio na superfície da fibra. A Figura 58 mostra as imagens de MEV das

fibras com produtos de hidratação na superfície.

110

(a) (b)

(c) (d)

Figura 58 - Superfície de fibras de curauá tratadas após ensaio de arrancamento. Sisal Natural (a), sisal 1

ciclo (a), sisal 5 ciclos (c) e sisal 10 ciclos (d)

Tabela 14 – Resultados do ensaio de arrancamento de fibras de curauá e sisal

Fibras Comprimento

(mm) Condições Pad (N)

τad

(Mpa) Pfr (N) τfr (Mpa)

Rigidez

(N/mm)

Curauá 25

Sem

Tratamento

3.65

(1.21)

0.48

(0.22)

1.86

(0.95)

0.34

(0.19)

30.26

(0.36)

1 Ciclo 1.29

(0.84)

0.17

(0.06)

1.08

(0.28)

0.14

(0.07)

3.56

(3.17)

5 Ciclos 1.08

(0.67)

0.14

(0.04)

0.30

(0.11)

0.16

(0.06)

2.03

(0.68)

10 ciclos 1.69

(0.75)

0.22

(0.08)

0.91

(0.63)

0.12

(0.03)

2.98

(1.34)

Sisal 25

Sem

Tratamento

3.73

(1.02)

0.30

(0.08)

2.56

(0.72)

0.18

(0.04)

9.31

(4.39)

1 Ciclo 4,53

(1.07)

0.42

(0.08)

3.88

(0.77)

0.27

(0.03)

20.60

(6.37)

5 Ciclos 2.62

(1.37)

0.33

(0.11)

1.48

(0.86)

0.12

(0.04)

13.34

(7.37)

10 ciclos 5.23

(0.32)

0.41

(0.12)

3.67

(0.65)

0.31

(0.07)

29.55

(8.49)

111

4.6.2.2. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Com relação aos resultados de aderência fibra-matriz do tratamento de

hornificação alcalina, pode-se chegar às seguintes conclusões:

O tratamento de hornificação é apresentado como uma solução simples para melhorar

a adesão a matrizes cimentícias. É possível supor que os ciclos molhagem e secagem

podem melhorar as propriedades mecânicas e a resistência da adesão fibra-matriz para

diferentes tipos de fibras vegetais, mas cada uma deve ser cuidadosamente estudada

devido às suas particularidades.

Após todos os tratamentos alcalinos, as fibras de sisal apresentaram degradação de

seus componentes químicos, como hemicelulose e lignina. Esta redução foi suficiente não

apenas para afetar o comportamento mecânico, mas também para aumentar a

cristalinidade da celulose, alterando as suas ligações químicas, e promovendo uma redução

na capacidade de absorção de água das fibras.

Curauá mostrou uma redução na adesão da fibra com a matriz. De acordo com a

microscopia eletrônica de varredura, houve presença de produtos de hidratação na

superfície da fibra.

112

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS E TRABALHOS

FUTUROS

Com relação à pesquisa, as seguintes conclusões podem ser realizadas:

Cada tipo de fibra vegetal possui suas características particulares, tanto na morfologia,

quando na composição química fazendo-se necessário o estudo aprimorado sobre todas as

suas características. Independente da aplicação de soluções químicas ou processos físicos,

ainda existe uma falta de informações sobre como que esses tratamentos modificam a

estrutura e morfologia das fibras vegetais e afetam a aderência fibra-matriz.

Com relação aos fenômenos de degradação das fibras vegetais a diferentes agentes

relatados, faz-se necessário um estudo do processo de degradação, pois os principais

componentes químicos das fibras sofrem decomposições específicas em diferentes

condições avaliadas.

Os tratamentos com nanopartículas promoveram alterações diversas nas fibras de

curauá e sisal. Curauá tratada com nanopartículas de ferro apresentou melhor

comportamento mecânico. Sisal tratado com nanopartículas de manganês apresentou

melhor adesão da fibra com a matriz cimentícia, porém redução da resistência à tração.

Sisal cationizado foi o único tratamento que promoveu melhoria na resistência à tração

bem como na adesão fibra-matriz.

A hornificação alcalina promove aumentos maiores na resistência à tração após o

primeiro ciclo (50 e 35% por curauá e sisal, respectivamente). Nos ciclos seguintes (5 e

10) a resistência diminui, mas continua a ser mais elevada em comparação com a fibra não

tratada, no caso do sisal . No caso da aderência, as fibras de curauá tratadas apresentaram

uma redução da tensão friccional, ao contrário das fibras de sisal.

113

A exposição ao intemperismo natural causou uma diminuição da resistência à tração

das fibras. Após um mês de imersão em água e solução de hidróxido de cálcio, todas as

fibras apresentaram redução na sua resistência à tração.

Ao analisar a durabilidade de fibras tratadas com nanopartículas imersas 1 mês em

água observou-se um aumento do desempenho mecânico de todas as fibras de curauá.

Com relação ao sisal, as imersões não proporcionaram melhoria nas propriedades

mecânicas.

No caso da análise da durabilidade de fibras tratadas com nanopartículas imersas 1

mês em solução de Ca(OH)2 , observou-se pequeno aumento no desempenho mecânico

das fibras de curauá cationizado e com nanopartículas de ferro. Com relação ao sisal, as

imersões não proporcionaram melhoria nas propriedades mecânicas;

Concluindo, os tratamentos aplicados foram efetivos para promover uma melhor

adesão com a matriz de cimento: observou - se que cada fibra apresentou uma reação

diferente a cada tratamento. Isso se deve principalmente à variação peculiar da

composição química, cristalinidade de celulose e outros parâmetros intrínsecos

caracterizando as fibras de curauá e sisal.

Com relação aos tratamentos, a aplicação de nanopartículas mostrou-se eficaz na

melhoria das propriedades mecânicas das fibras vegetais, assim como citado na indústria

têxtil. A utilização dessa técnica ainda é pouco conhecida, porém com grande potencial,

como se pôde se observar pela pesquisa realizada.

A análise da durabilidade das fibras é algo imprescindível para a realização de

matrizes cimentícias de excelente desempenho com fibras vegetais. Apesar de o ambiente

alcalino ser comprovadamente prejudicial às fibras vegetais, muitas pesquisas vêm

apresentam resultados promissores com fibras imersas por determinados períodos pré-

determinados nessas soluções.

114

Como trabalhos futuros, faz-se necessário um estudo mais aprofundado sobre

nanopartículas aplicadas às fibras vegetais na construção civil. Análises de como os

componentes químicos afetam a interação da fibra com a matriz precisam ser realizadas.

Ciclos em soluções alcalinas mostram-se promissores para melhoras o

desempenho mecânicos das fibras vegetais. Faz-se necessário um melhor entendimento

de como essas soluções agem nos componentes químicos das fibras.

115

6. BIBLIOGRAFIA

A.BSCH, M. LEWIN. The influence of fine structure on the pyrolysis of cellulose. II.

Pyrolysis in air. Polymer Chemistry. 11. 3095-3101. 1973.

RAY, D. and SARKAR, B.K., Characterization of alkali treated jute fibers for physical

and mechanical properties, J. Appl. Polym. Sci., 80, 1013, 2001

AÏTCIN, P. C. Concreto de Alto Desempenho. Editora Pini, São Paulo, p. 669, 2000.

AGOPYAN, V., SAVASTANO JR, H., JOHN, V. M., CINCOTTO, M. A., 2005,

“Developments on Vegetable Fibre–Cement Cased Materials in São Paulo, Brazil: an

Overview”, Cement & Concrete Composites, v. 27, pp. 527–536.

ANGRIZANI, C. A. B.; VIEIRA, A. J.; ZATTERA, E.; FREIRE, R. M. C.; SANTANA,

S. C; AMICO. “Influência do comprimento da fibra de sisal e do seu tratamento químico

nas propriedades de compósitos com poliéste”,.In: 17º CBECIMat - Congresso Brasileiro

de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro, Foz do Iguaçu, PR, Brasil,

2006.

ARBELAIZ A, FERNÁNDEZ B, RAMOS JA, MONDRAGON I. Thermal and

crystallization studies of short flax fibre reinforced polypropylene matrix composites:

effect of treatments. Thermochimica Acta 2006; 440:111–121.

ASTM C150 / C150M-16e1, Standard Specification for Portland Cement, ASTM

International, West Conshohocken, PA, 2016,www.astm.org.

http://www.astm.org/

116

ASTM G7 / G7M-13, Standard Practice for Atmospheric Environmental Exposure Testing

of Nonmetallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2013

ASTM D1435-13, Standard Practice for Outdoor Weathering of Plastics, ASTM

International, West Conshohocken, PA, 2013

ASASUTJARIT, C., HIRUNLABH, J., KHEDARI, J., CHAROENVAI, S. ZEGHMATI,

B., CHEUL SHIN, U., 2007, “Development of Coconut Coir-Based Lightweight Cement

Board”, Construction and Building Materials, v. 21, pp. 277-288.

ASPRONE, D., DURANTE, M., PROTA, A., MANFREDI, G., 2011, “Potential of

Structural Pozzolanic Matrix–Hemp Fiber Grid Composites”, Construction and Building

Materials, v.25, pp. 2867-2874.

BARRETO ACH, ROSA DS, FECHINE PBA., MAZZETTO SE. Properties of sisal fibers

treated by alkali solution and their application into cardanol-based biocomposites,

Composites: Part A 2011.

BARROS, ALYSSON, R. F. Compósitos hídridos: Desenvolvimento de configuração e

efeitos de umidificação. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica). UFRN, Natal,

2006.

BEG, MDH; PICKERING, Kl. Accelerated weathering of ubleached and bleached kraft

wood fibre reinforced polypropylene composites. Polym Degrad Stabil 2008;93:1939-46.

117

BENTUR, A., MINDESS, S., 2007, Fibre Reinforced Cementitious Composites. Elsevier

Applied Science. London and New York, 2ªedição.

BERGSTRÖM, S. G., GRAM, H-E., 1984, “Durability of Alkali-Sensitive Fibres in

Concrete”, Cement Composites and Lightweight Concrete, v. 6, pp.75-80.

BICALTI, G. K. “PRODUÇÃO DE PAINÉIS DE CIMENTO PORTLAND

REFORÇADOS COM FIBRA DE CURAUÁ (Ananas erectifolius)” – Dissertação de

mestrado - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (2015).

BOSHOFF, W. P., MECHTCHERINE, V., ZIJL, G. P. A. G., 2009, “Characterising the

Time-Dependant Behaviour on the Single Fibre Level of SHCC: Part 2: The Rate Effects

on Fibre Pull-out Tests”, Cement and Concrete Research, v39, pp. 787-797.

BRANCATO, A. AEffect of progressive recycling on cellulose fiber surface properties

D.Sc, - School of Chemical and Biomolecular Engineering, Georgia Institute of

Technology December, 2008

BRANDT, A. M., 2009, Cement-Based Composites, 2nd edition, Taylor and Francis, New

York.

C. M. O. MÜLLER, J. B. LAURINDO, and F. Y. B, “Effect of cellulose fibers on the

crystallinity and mechanical properties of starch-based films at different relative humidity

values,” Carbohydrate Polymers, vol. 77, no. 2, pp. 293–299, 2009.

118

CLARAMUNT , J., ARDANUY, M., GARCÍA-HORTAL, J. A., TOLEDO FILHO, R.

D., 2011, “The Hornification of Vegetable Fibers to Improve the Durability of Cement

Mortar Composites”, Cement & Concrete Composites, v. 33, pp. 586–595.

CHAUDRI, M. A.; JAMIL; N.A. A study of physical properties of indigenous sisal fibres

under various conditions. Pakistan Journal Sci. Ind. Research. V. 15. 1972. p. 405-412.

CORDEIRO, N. GOUVEIA, C. MORAES, A.G.O, AMICO, S.C. Natural fibers

characterization by inverse gas chromatography. Carbohydrate Polymers 84 (2011) 110-

117.

DA GLORIA, M. Y. R. - Desenvolvimento e caracterização de painéis sanduíches de

concreto com núcleo leve e faces em laminados reforçados com fibras longas de sisal/

M'hamed Yassin Rajiv da Gloria. – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2015.

DEFOIRDT, N., BISWAS, S., VRIESE, L., TRAN, L. Q. N., ACKER, J. V., AHSAN, Q.,

GORBATIKH, L. VUURE, A. V., VERPOEST, I., 2010, “Assessment of the Tensile

Properties of Coir, Bamboo and Jute Fibre”, Composites: Part A, v. 41, pp. 588–595.

DITTENBER, D. B., GANGARAO, H. V. S., 2012, “Critical Review of Recent

Publications on Use of Natural Composites in Infrastructure”, Composites: Part A, Article

in Press.

DITTENBER, D. B., GANGARAO, H. V. S., 2012, “Critical Review of Recent

Publications on Use of Natural Composites in Infrastructure”, Composites: Part A, Article

in Press.

119

D.R. MULINARI, C.A.R.P. BAPTISTA, J.V.C. SOUZA, H.J.C. VOORWALD, Procedia

Engineering. 10(2011) 2074.

ERENO, D. Fibra para toda obra. Revista Tecnológica Novos Materiais, FADESP. Belém,

Ed. 104, p 70 – 75, 2004.

FIDELIS, M. E. A. Desenvolvimento e caracterização mecânica de compósitos

cimentícios têxteis reforçados com fibras de juta. Tese (Doutorado em engenharia civil). ).

Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, 2014.

FERREIRA, S. R. Influência da hornificação na aderência fibra-matriz e no

comportamento mecânico de compósitos cimentícios reforçados com fibras curtas de sisal

– Feira de Santana: UEFS/PPGECEA, 2012.

FERREIRA, S.R., P.R.L. LIMA, F.A. SILVA, R.D. TOLEDO FILHO, Effect of sisal

fiber hornification on the adhesion with Portland cement matrices. Revista Materia

2012;17:1024-1034.

FERREIRA, S. R. “Effect of surface treatments on the structure, durability and bond

behavior of vegetable fibers for cementitious composites / Romildo Dias Toledo Filho. –

Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, 2016.

GUILLITTE, C. Bioreceptivity: a new concept for building ecology studies. The science

of the Total Environment, V. 167. 1995. p. 215-220.

120

GUIMARÃES, S.S. Vegetable fiber-cement composites. In: INTERNATIONAL

SYMPOSIUM ON VEGETABLE PLANTS AND THEIR FIBRES AS BUILDING

MATERIALS, 2, 1990, Salvador. Proceedings... London: Chapman and Hall, 1990. p.98-

107.

GOKOZ, U. N., NAAMAN, A. E., 1981, “Effect of Strain-Rate on ohe Pull-Out

Behaviour of Fibres in Mortar”, The Intemational Journal of Cement Composites, v. 3, pp.

187-202.

GRAM, H. E., 1983, “Durability of Natural Fibres in Concrete”. Swedish Cement and

Concrete Research Institute, Stockholm, 255 p.

GRAM, H. E. Durability of natural fibres in concrete. In: SWAMY, R.N., (Ed.). Natural

fibre reinforced cement and concrete. Glasgow: Blackie, 1988. p.143-72

KANDA, T., LI, V. C., 1998, “Interface Property and Apparent Strength of a High

Strength Hydrophilic Fiber in Cement Matrix”, Journal of Materials in Civil Engineering,

v. 10, pp. 5-13.

KIM DJ, EL-TAWIL S, NAAMAN A. “Correlation between single fiber pullout and

tensile response of FRC composites with high strength steel fiber”. In: High performance

reinforced cement composites (HPFRCC5), p. 67–76, 2007.

LEWIN, M; PEARCE, E.M. Handbook of Fiber Science and Technology: fiber chemistry.

V. IV. New York: Marcel Dekker, 1985.

121

L. J. CASTELLANOS • C. BLANCO-TIRADO • J. P. HINESTROZA • M. Y.

COMBARIZA In situ synthesis of gold nanoparticles using fique natural fibers as

template - Cellulose, 2012 – Springer

LI, Y.; HU, C.; YU, Y. Interfacial studies of sisal fiber reinforced high density

polyethylene (HDPE) composites. Composites Part A: Applied Science and

Manufacturing, Volume 39, Issue 4, Pages 570-578, ISSN 1359-835, 2008

LI, V. C., HORIKOSHI, T. OGAWA, A., TORIGOE S., SAITO, T., Micromechanics-

based durability study of Polyvinyl Alcohol-Engineered Cementitious Composite (PVA-

CCE), ACI Mater J 101 (3), 2004.

LIMA, P.R.L. Análise teórica e experimental de compósitos reforçados com fibras de

sisal. Tese (Doutorado em Ciências em Engenharia Civil). Universidade Federal do Rio de

Janeiro (UFRJ), Rio de Janeiro, 2004.

LOPES, F. F. de M. Desempenho e durabilidade de fibras vegetais modificadas

superficialmente e submetidas a meios ácido e alcalino. 161p. Tese (Doutorado).

Universidade Federal de Campina Grande, Campina Grande, 2009.

MACHADO M. S.; MULINARI, D. R.; CIOFFI, H. M .O.; HERMAN J. C.

VOORWALD, H. J .C. “Efeito do tratamento alcalino sobre a superfície de fibras de

sapé”. In: CBECiMat, Congresso brasileiro de engenharia e ciência dos materiais, 24 a 28

de novembro de 2008, Porto de Galinhas, PE, Brasil.

122

MARTIN, A.R ; MATTOSO, L.H.C ; SILVA, O.R. Caracterização Química e Estrutural

de Fibra de Sisal da variedade Agave sisalana. Rev. Polímeros : Ciência e Tecnologia. V.

19. n. 1. 2009. p.40-46.

MARQUES, A.R. PATRÍCIO, P.S.O. SANTOS, F.S. MONTEIRO, M.L. URASHIMA,

D.C. Rodrigues, C.S.. Effects of the climatic conditions of the southeastern Brazil on

degradation the fibers of coir-geotextile: Evaluation of mechanical and structural

properties, Geotextiles and Geomembranes, Volume 42, Issue 1, February 2014, Pages 76-

82

MEDINA, J. C. O Sisal. São Paulo: Secretaria da Agricultura do Estado de São Paulo,

1954.

MEDINA, J. C.; PLANTAS FIBROSAS DA FLORA MUNDIAL, Campinas/SP, 1959.

MELO FILHO, J. de A. Desenvolvimento e Caracterização de Laminados Cimentícios

Reforçados com Fibras Longas de Sisal [Rio de Janeiro] 2005.

MELO FILHO, J. de A. Durabilidade Química e Térmica e Comportamento Mecânico de

Compósitos de Alto Desempenho Reforçados com Fibras de Sisal. – Rio de Janeiro:

UFRJ/COPPE, 2012.

METHACANON P, WEERAWATSOPHON U, SUMRANSIN N, PRAHSARN C,

BERGADO DT. Properties and potential application of the selected natural fibers as

limited life geotextiles. Carbohydr Polym 2010;82:1090–6.

123

MONTEIRO, S.N.; AQUINO, R.C.M.P; LOPES, F.P.D; CARVALHO, E.A.; ALMEIDA,

R.M. Comportamento e Características Estruturais de Compósitos Poliméricos Reforçados

com fibras contínuas e alinhadas de Curauá. Revista Matéria, v 11, n 3 p 197 – 203, Rio de

Janeiro, 2006.

MORRISSEY, F. E., COUTTS, R. S. P., GROSSMAN, P. U. A., 1985, “Bond between

cellulose fibres and cement”, The International Journal of Cement Composites and

Lightweight Concrete, v. 7, pp. 73-80.

MWAIKAMBO L.Y. ANSELL M.P. “Chemical modification of hemp, sisal, jute, and

kapok fibres by alkalization”. Journal of applied polymer science. 84. 2002. p.2222-34.

NAAMAN, A.E., NAMUR, G.G., ALWAN, J.M., NAJM, H.S., Fiber pullout and bond

slip. I: Analytical study, Journal of structural engineering, V. 117, p.2769-2800, Sep.1991.

RAY, D. and SARKAR, B.K., Characterization of alkali treated jute fibers for physical

and mechanical properties, J. Appl. Polym. Sci., 80, 1013, 2001

REDON, C., LI, V. C., WU, C., HOSHIRO, H., SAITO, T., OGAWA, A., 2001.

“Measuring and Modifying Interface Properties of PVA Fibers in ECC Matrix”, Journal of

Materials in Civil Engineering, v. 13, pp. 399-406.

RONCERO, M. B., COLOM, J. F., VIDAL, T., 2003, “Cellulose Protection During Ozone

Treatments of Oxygen Delignified Eucalyptus Kraft Pulp”, Carbohydrate Polymers, v.51,

pp. 243-254.

124

ROWELL, R. M.; HAN, J. S.; ROWELL, J. S. Natural Polymers and Agrofibers Based

Composites.IQSC/Embrapa Instrumentação Agropecuária/UNESP, São Carlos (2000).

SAE J1976-12, Standard Outdoor Weathering of exterior materials, SAE International,

2012

SAHA P, MANNA S, CHOWDHURY SR, SEN R, ROY D, ADHIKARI B. Enhancement

of tensile strength of lignocellulosic jute fibres by alkali-steam treatment. Bioresources

Technology 2010;101:3182–3187.

SALAZAR, V.L.P & LEAO, A.L, Biodegradação das fibras de coco e de sisal aplicadas

na indústria automotiva (2006).

SANTOS, R. D.; FERREIRA, S. R., SILVA, F. A., MONTANEZ, M. Y. C., TIRADO, C.

B., TOLEDO FILHO, R. D. “Influência da síntese de nanopartículas de manganês e ferro

na microestrutura, resistência à tração e na aderência de fibras de curauá e sisal com

matriz à base de cimento” – 57° Congresso Brasileiro do Concreto.

SAVASTANO JUNIOR, H.; AGOPYAN, V. Fibras naturais para a produção de

componentes construtivos. Cursos Internacional Materiales Compuestos Fibrorreforzados,

Universidad Del Valle:, Cali (Colômbia), 1998.

SAVASTANO JÚNIOR, H.; PIMENTEL, L. L. Viabilidade do aproveitamento de

resíduos de fibras vegetais para fins de obtenção de material de construção. Brasileira de

Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 4, n. 1, p. 103-110, 2000.

125

SAVASTANO JR, H., JOHN, V.M., AGOPYAN, V., FERREIRA, O. P., 2002,

“Weathering of Vegetable Fibre-Clinker Free Cement Composites”, Materials and

Structures, v. 35, pp. 64-68.

SAVASTANO JR., H., SANTOS, S. F., RADONJIC, M., SOBOYEJO, W. O., 2009,

“Fracture and Fatigue of Natural Fiber-Reinforced Cementitious Composites”, Cement &

Concrete Composites, v. 31, pp. 232–243.

SARKAR, A.K. & APPIDI, S. Cellulose (2009) 16: 923. doi:10.1007/s10570-009-9299-8

(tecido de bambu)

SEGAL, L., CREELY, J. J., MARTIN, A. E., CONRAD, C. M., 1959, “An Empirical

Method for Estimating the Degree of Crystallinity of Native Cellulose Using the X-ray

Diffractometer”, Textile Research Journal, v. 29, pp. 786-794.

SIERRA BELTRAN, M. G., 2011, Ductile Cement-Based Composites with Wood Fibers,

Tese de Doutorado, Technische Universiteit Delft, Holanda.

SILVA, A. C. “Estudo da durabilidade de compósitos reforçados com fibras de celulose”.

Dissertação de mestrado. Departamento de Engenharia de Construção Civil/EPUSP. – São

Paulo, 2002.

SILVA, F. A., CHAWLA, N., TOLEDO FILHO, R. D., 2008, “Tensile Behavior of High

Performance (sisal) Fibers”, Composites Science and Technology, v. 68, pp. 3438- 3443.

SILVA FA, CHAWLA N, TOLEDO FILHO RD. An experimental investigation on the

fatigue behavior of sisal fibers. Materials Science and Engineering A 2009;516:90-95.

126

SILVA, A. G. C, “Biodeterioração da fibra de sisal em compósitos à base de cimento” –

Feira de Santana: UEFS/PPGECEA, 2010.

SILVA, H. S. P. Desenvolvimento de Compósitos Poliméricos com fibras de Curauá e

Híbridos com fibras de vidro. Dissertação (Mestrado). UFRGS, Porto Alegre, 2010.

SILVA, F. A., TOLEDO FILHO, R. D., MELO FILHO, J. A., FAIRBAIRN, E. M. R.,

2010, “Physical and Mechanical Properties of Durable Sisal Fiber–Cement Composites”,

Construction and Building Materials, v. 24, pp

SILVA, A. F.; Mobasher, B.; Soranakom, C.; Toledo Filho, R. D. Effect of fiber shape

and morphology on interfacial bond and cracking behaviors of sisal fiber cement based

composites, Cement and Concrete Composites, Volume 33, Issue 8, p. 814-823, Setembro,

2011.

THOMAS, S., PAUL, S. A., POTHAN, L. A., DEEPA, B., 2011, “Natural Fibres:

Structure, Properties And Applications”, in Cellulose Fibers: Bio and Nano Polymer

Composites – Green Chemistry and Technology. Springer-Verlag. Edited by KALIA, S.,

KAITH, B. S., KAUR, I.

THOMAS, S., PAUL, S. A., POTHAN, L. A., DEEPA, B., 2011, “Natural Fibres:

Structure, Properties And Applications”, in Cellulose Fibers: Bio and Nano Polymer

Composites – Green Chemistry and Technology. Springer-Verlag. Edited by KALIA, S.,

KAITH, B. S., KAUR, I.

127

TOLÊDO FILHO, R. D. Utilização da fibra de sisal na construção civil. In: SILVA, O. R.

R. F.; BELTRÂO, N. E. M. O agronegócio do Sisal no Brasil. Brasília, 1999

TOLÊDO FILHO, R.D. et al. Durability of alkali-sensitive sisal and coconut fibres in

cement mortar composites. Cement and Concrete Composites. V. 22. 2000. p.127-143.

TOLEDO FILHO, Romildo, D. ; GHAVAMI, Khosrow; ENGLAND, George, L.;

SCRIVENER, Karen. Development of vegetable fibre–mortar composites of improved

durability. Cement and Concrete Composite, p. 185 – 196, 2003.

TOMCZAK, F., SATYANARAYANA, G., SYDENSTRICKER, T. H. D., 2007, “Studies

on lignocellulosic fibers of Brazil: Part III – Morphology and properties of Brazilian

curauá fibers”, Composites: Part A, v. 38, pp. 2227–2236.

TONOLI, G. H. D., BELGACEM, M. N., BRAS, J., SILVA, M. A. P., LAHR, F. A.

R., SAVASTANO JUNIOR, H., 2012, “Impact of Bleaching Pine Fibre on the

Fibre/Cement Interface”, Journal of Materials Science, v. 47, pp. 4167-4177, 2012.

TONOLI, G., SAVASTANO JR, H., SANTOS, S., DIAS, C., JOHN, V., LAHR, F. A. R.,

2011, “Hybrid Reinforcement of Sisal and Polypropylene Fibers in Cement-Based

Composites.” J. Mater. Civ. Eng, v. 23, pp. 177–187.

VIDELA, H. A. Biocorrosão, biofouling e biodeterioração de materiais. São Paulo: Ed.

Edgard Blucher, 2003.

128

WANG, W., CAI, Z., YU, J. Study on the Chemical Modification Process of Jute Fiber.

Journal of Engineered Fibers and Fabrics, v. 3, 2008.

ZHANG, M. HUBBE, M.A., VENDITTI, R.A., HEITMANN, J. A. Effects of sugar

addition before drying on the wet flexibility of redispersed kraft fibers, J Pulp Paper Sci.,

30 (1): 29-34, 2004.

Sites:

Ecivilnet.com/artigos/cimento_portland.htm.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Comp%C3%B3sito;

http://www.diadecampo.com.br/zpublisher/materias/Materia.asp?id=19649&secao=Agrote

mas;

https://www.ecodebate.com.br/2010/07/28/saiba-mais-fibras-vegetais-artigo-de-antonio-

silvio-hendges/;

https://pt.wikipedia.org/wiki/Pozolana

https://pt.wikipedia.org/wiki/Comp%C3%B3sito

https://www.ecodebate.com.br/2010/07/28/saiba-mais-fibras-vegetais-artigo-de-antonio-silvio-hendges/

https://www.ecodebate.com.br/2010/07/28/saiba-mais-fibras-vegetais-artigo-de-antonio-silvio-hendges/

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