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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
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 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.
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
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
Renata Daniel dos Santos
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
NANOPARTÍCULAS DE FERRO E MANGANÊS EM FIBRAS PREVIAMENTE
CATIONIZADAS NAS PROPRIEDADES FÍSICAS E MECÂNICAS DAS FIBRAS
VEGETAIS .................................................................................................................... 58
4.1.1. MORFOLOGIA E AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE ABSORÇÃO DAS
FIBRAS .......................................................................................................................... 58
4.1.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA ............................................................ 62
x
4.1.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X ............................................................................... 63
4.1.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS .............................................. 65
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
4.2.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA ............................................................ 72
4.2.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X ................................................................................ 74
4.2.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS .............................................. 76
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
4.3.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA ............................................................ 81
4.3.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X ............................................................................... 83
4.3.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS .............................................. 84
4.3.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................. 87
4.4. DURABILIDADE: 1 MÊS EM H2O: FIBRAS TRATADAS COM
NANOPARTÍCULAS ................................................................................................... 88
4.4.1. ANÁLISE MORFOLÓGICA ............................................................................. 88
xi
4.4.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA ............................................................ 89
4.4.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X ............................................................................... 91
4.4.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS .............................................. 93
4.4.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................. 94
4.5. DURABILIDADE: 1 MÊS EM CA(OH)2: FIBRAS TRATADAS COM
NANOPARTÍCULAS ................................................................................................... 95
4.5.1. ANÁLISE MORFOLÓGICA ............................................................................. 95
4.5.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA ............................................................ 97
4.5.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X ................................................................................ 99
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
Figura 42 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal
(direita) tratadas e não tratadas. ...............................................................................................................85
Figura 43 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá cátion (b),
curauá Fe2O3 (c), curauá MnO (d)............................................................................. ..................................88
Figura 44 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal cátion (b), sisal
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
Figura 47 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal
(direita) tratadas e não tratadas. ................................................................................................................93
Figura 48 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá cátion (b),
curauá Fe2O3 (c), curauá MnO (d) .................................................................................. ...........................96
Figura 49 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal cátion (b), sisal
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
Figura 52 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal
(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 5 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas...............................................75
Tabela 6 – Resultados dos ensaios de tração direta para fibras de curauá e sisal..................................78
Tabela 7 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas...............................................84
Tabela 8 – Resultados dos ensaios de tração direta para fibras de curauá e sisal..................................86
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;
SYMINGTON et al., 2009
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;
SYMINGTON et al., 2009
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).
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.
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
NANOPARTÍCULAS DE FERRO E MANGANÊS EM FIBRAS PREVIAMENTE
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)
Figura 26 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de sisal natural (a), sisal cátion (b), sisal
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
4.1.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
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).
4.1.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X
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.
4.1.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS
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,
termogravimétricas e difrações de raios-x. Para avaliar o desempenho mecânico, ensaios
de tração direta foram realizados.
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.
4.2.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
As Figuras 35 mostram 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 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.
4.2.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X
A Figura 36 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. 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
Fibras Condições Icr FIcr
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
Sem Tratamento 42.15 33.44
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.
4.2.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS
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.
Tabela 6 – 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)
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.
4.2.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
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:
A partir da caracterização morfológica, é possível observar modificações na
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,
termogravimétricas e difrações de raios-x. Para avaliar o desempenho mecânico, ensaios
de tração direta foram realizados.
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.
4.3.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
A Figura 40 mostra os 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 de constituintes fibrosos, principalmente lignina e
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.
4.3.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X
A Figura 41 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. 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 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).
Tabela 7 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas
Fibras Condições Icr FIcr
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.
4.3.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS
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.
Figura 42 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita)
tratadas e não tratadas.
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.
Tabela 8 – 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)
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
4.3.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
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.
A partir da caracterização morfológica, é possível observar modificações na
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.
4.4.1. ANÁLISE MORFOLÓGICA
As Figuras 43 e 44 mostram modificações da superfície das fibras analisadas após
as exposições:
(a) (b)
(c) (d)
Figura 43 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá cátion (b), curauá
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.
4.4.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
As Figuras 45 mostram resultados termogravimétricos das fibras de curauá e sisal,
respectivamente, em uma atmosfera inerte. De acordo com as curvas é possível ver quatro
90
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 de constituintes fibrosos, principalmente lignina e
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
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, como o aumento da mesma pode conferir aumento da resistência mecânica.
4.4.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X
A Figura 46 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. 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 46 – Difração de raios –X para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita) tratadas e não tratadas
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.
Tabela 9 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas
Fibras Condições CIcr FIcr
Curauá
Sem Tratamento 41.67 41.83
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
Sem Tratamento* 34.22 38.8
Fe2O3* 21.13 33.01
Cátion* 47.05 37.71
MnO* 46.7 37.00
* 1 mês em H2O
93
4.4.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS
Na Figura 47 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, 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.
Figura 47 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita)
tratadas e não tratadas.
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
Tabela 10 – 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)
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
4.4.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
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.
4.5.1. ANÁLISE MORFOLÓGICA
As Figuras 48 e 49 mostram modificações da superfície das fibras analisadas após
as exposições:
96
(a) (b)
(c) (d)
Figura 48 – Microscopia eletrônica de varredura das fibras de curauá natural (a), curauá cátion (b), curauá
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.
4.5.2. ANÁLISE TERMOGRAVIMÉTRICA
A Figura 50 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 de constituintes fibrosos, principalmente lignina e
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.
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, como o aumento da mesma pode conferir aumento da resistência mecânica.
99
4.5.3. DIFRAÇÃO DE RAIOS - X
A Figura 51 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. 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 51 – Difração de raios –X para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita) tratadas e não tratadas
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.
Tabela 11 – Valores de cristalinidade para fibras tratadas e não tratadas
Fibras Condições Icr FIcr
Curauá
Sem Tratamento 41.67 41.83
Sem Tratamento* 38.08 39.95
Fe2O3* 26.86 35.91
Cátion* 51.47 41.13
MnO* 54.94 37.75
Sisal
Sem Tratamento 42.15 39.72
Sem Tratamento* 18.44 34.58
Fe2O3* 13.73 31.94
Cátion* 34.52 39.18
MnO* 21.67 36.63
*1 mês em Ca(OH)2
101
4.5.4. ENSAIO DE TRAÇÃO DIRETA NAS FIBRAS
Na figura 52 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, 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.
Figura 52 - Curvas típicas obtidas do ensaio de tração para fibras de curauá (esquerda) e sisal (direita)
tratadas e não tratadas.
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
Tabela 12 – 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)
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
4.5.5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
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
Na Figura 55 estão apresentadas as curvas força-deslizamento obtidas no ensaio de
arrancamento das fibras de curauá tratadas com hornificação alcalina. As propriedades
calculadas são apresentadas na Tabela 15 e, entre parênteses, é informado o desvio padrão.
O valor de rigidez é calculado pela inclinação da curva P x d na fase adesional.
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)
Na Figura 57 estão apresentadas as curvas força-deslizamento obtidas no ensaio de
arrancamento das fibras de sisal tratadas com hornificação alcalina. As propriedades
calculadas são apresentadas na Tabela 14 e, entre parênteses, é informado o desvio padrão.
O valor de rigidez é calculado pela inclinação da curva P x d na fase adesional.
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
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