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Duas abordagens de pesquisa e desenvolvimento na área de compósitos de polímeros com fibras vegetais naturais: uma para comunidades rurais da amazônia e outra para materiais compósitos avançados. O texto discute a importância da industrialização nas fronteiras rurais, a silvicultura de ciclo curto e a utilização de fibras e madeiras na produção de biocombustíveis, alimentos e outros materiais. Além disso, o documento aborda as desafios técnicos do cultivo intensivo de espécies florestais para produção de fibras e madeiras, e a utilização de fibras naturais como modificadores de polímeros termoplásticos.
Tipologia: Notas de estudo
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Autor para correspondência: Alessandra L. Marinelli , Centro de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais, CCDM, Caixa Postal 676, CEP: 13565-905, São Carlos, SP, Brasil. E-mail: [email protected]
e desenvolvimento sustentável, pois em seu território se concentra uma das mais ricas biodiversidades do planeta: a Floresta Amazônica. Com uma área de floresta densa com aproximadamente 5,5 milhões de quilômetros quadrados, dos quais 3,6 milhões estão no Brasil, esta região apresen- ta uma riqueza incalculável em diversidade de organismos, bem como a maior concentração de água doce do planeta. Minérios, madeiras, espécies vegetais e animais, numa lista de recursos de valor incalculável, são explorados sem con- trole, permitindo com isso a devastação dos recursos oriun- dos da floresta. A taxa anual de desmatamento na Amazô- nia Legal no período agosto/2003-agosto/2004 - alarmantes 26.130 km^2 – foi a segunda maior da história e equivale a mais de 8.600 campos de futebol por dia. De acordo com estimativas do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), a destruição em apenas um ano da floresta com a
Anteriormente à revolução industrial, o extrativismo primário permitia uma colaboração harmoniosa com a natu- reza ou, no caso de abuso, levava rapidamente ao colapso[1]. Com o advento da tecnologia moderna entretanto, houve um aumento descontrolado nas demandas e no uso das reser- vas naturais, o que têm trazido conseqüências deletérias ao planeta. Temas como alterações climáticas ou aquecimento global, desequilíbrio de ecossistemas e desastres ambientais têm despertado um grande interesse da comunidade cientí- fica e da sociedade em geral, pois efeitos locais, regionais e globais já são associados à forma destrutiva de ação do ser humano sobre a Natureza. Dentro deste contexto o Brasil tem um papel funda- mental no desenvolvimento de políticas de manutenção
Alessandra L. Marinelli, Marcos R. Monteiro, José D. Ambrósio Centro de Caracterização e Desenvolvimento de Materiais, UFSCar Márcia C. Branciforti, Márcio Kobayashi Departamento de Engenharia de Materiais, UFSCar Antonio Donato Nobre Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, INPA Resumo: Este artigo tem a intenção de divulgar e apresentar a inserção da área ou da cadeia produtiva de Compósitos Poliméricos com Fibras Vegetais Naturais dentro do contexto do Projeto Fênix Amazônico. Duas frentes de pesquisa e desenvolvimento na área de compósitos de polímeros com fibras naturais vegetais são propostas: uma que trabalharia com sistemas de produção com maquinário relativamente barato e simples, para que as comunidades rurais da Amazônia pudes- sem absorver tal tecnologia; uma outra frente para desenvolver materiais compósitos com tecnologia de fabricação mais avançada. Deste modo esperamos despertar o interesse da comunidade científica e tecnológica das mais diversas áreas em colaborar com o desenvolvimento de novas tecnologias que possam ser utilizadas para a recuperação de áreas degradadas da Amazônia. Palavras-chave: Compósitos poliméricos, fibras vegetais naturais, termoplástico/madeira, biodiversidade, Floresta Amazônica, parceria. Development of Polymeric Composites with Natural Fibers: A Contribution to the Sustainability of Amazon Abstract: This paper presents the research on Polymeric Composites with Natural Fibers in the Amazon Fenix Project. Two research and development fields based on polymeric composites with natural vegetable fibers are proposed: the first one considers production systems with simple, cheap machinery to facilitate technology assimilation by rural communities in the Amazon; the second one aims at developing composite materials with advanced production technology. It is hoped to raise awareness for scientific and technological development for the recovery of degraded areas in Amazon. Keywords: Polymer composites, natural vegetable fibers, thermoplastic/wood, biodiversity, Amazon Rainforest, partnership.
a criação de novas formas de produção de madeiras, fibras, biocombustíveis, alimentos, etc. Todos estes materiais e ser- viços não se sustentam sem agregação de valor, aí sugere- se a industrialização nas fronteiras rurais da Amazônia, que vão produzir riqueza através da tecnologia e do design, por exemplo em produtos ecológicos de madeira. Por fim, faz-se a ligação com os ecossistemas urbanos através da coleta de matérias primas plásticas, minerais, etc. que serão emprega- das na fabricação dos produtos ecológicos de madeira como móveis, casas e variadissimos artefatos. Este artigo não tem a intenção de descrever o Projeto Fê- nix Amazônico em toda a sua abrangência, para não correr o risco de apropriação superficial de suas propostas, que envol- ve o esforço multidisciplinar de profissionais das mais diver- sas áreas. Para os leitores que tiverem interesse em conhecê- lo basta entrar em contato por e-mail com os autores deste artigo. Este artigo tem então o objetivo único de apresentar a inserção da área ou da cadeia produtiva de Compósitos Poli- méricos com Fibras Vegetais Naturais dentro do contexto do Projeto Fênix Amazônico, cujo conteúdo relevante reprodu- zimos no item a seguir. Esperamos assim despertar o inte- resse da comunidade científica e tecnológica em colaborar com o desenvolvimento de novas tecnologias nesta área que possam ser utilizadas para a recuperação de áreas degradadas da Amazônia.
A cadeia produtiva de materiais compósitos no Fênix está baseada na Silvicultura de Ciclo Curto com espécies amazô- nicas, imitando o processo natural de recuperação da floresta quando perturbações naturais ocorrem, aliada à tecnologia de fabricação de compósitos de madeira com termoplásticos, que constitui hoje uma das mais importantes áreas de Pes- quisa e Desenvolvimento na área de materiais poliméricos. Observa-se que, em escala limitada, a perturbação da floresta tropical também ocorre por tempestades e outros processos naturais. Como conseqüência, esta floresta desenvolveu en- genhosos mecanismos de recompor-se ou cicatrizar-se, atra- vés do processo natural de regeneração de árvores em clarei- ras. Existem algumas espécies que podem tirar proveito da disponibilidade súbita de luz e espaço, tais como embaúba (Cecropia ), marupá ( Jacaranda copaia ), caroba ( Jacaranda micrantha) , lacre, entre muitas outras, também chamadas de espécies colonizadoras. Elas formam uma floresta secundária densa, criando assim condições para que a complexa, massi- va e duradoura floresta tropical possa se restabelecer por su- cessão ecológica de longo prazo. Inspirando-se nos sistemas naturais e tradicionais, muitas espécies de plantas pioneiras podem ser cultivadas, com o propósito de colher fibras ve- getais e madeira. Estas plantas crescem em taxas extrema- mente altas como, por exemplo, a madeira balsa ( Ochroma pyramidalis) , que cresceu 14 metros em 14 meses em uma plantação em um pasto degradado perto de Manuas[4]. Estas maior biodiversidade do planeta foi maior do que a área total do Estado de Sergipe e pouco menor do que a Bélgica. Nos últimos três anos, os índices de desmatamento têm se manti- do acima de 23 mil km2[2]. Além da floresta tropical e sua rica biodiversidade, na Amazônia existem mais de 20 milhões de pessoas, sendo que 62% vivem nas zonas urbanas, prin- cipalmente Belém e Manaus, as duas principais cidades da região, as demais pessoas ocupam regiões espalhadas pela floresta[3]. A busca pelo desenvolvimento da região amazônica exi- ge soluções econômica e ecologicamente viáveis, de manei- ra a converter a destruição sistemática da floresta, modelo atualmente em vigor, em atividades construtivas, inseridas dentro de um contexto de preservação do meio ambiente e do ser humano, que na harmonia levam ao desenvolvimento sustentável da região. Ao longo de sete anos, o pesquisador sênior do INPA, Dr. Antonio Donato Nobre colocou no pa- pel uma série de idéias e observações que ele vivenciou e trocou com diversos colegas nos seus mais de 20 anos de pesquisa na Floresta Amazônica. Assim, surgiu o Projeto Fênix Amazônico – Renascendo das Cinzas da Destruição, uma proposta para a Construção de um Ecossistema de Empreendimentos Sustentáveis na Amazônia. Para ilustrar de modo bem sumarizado, o diagrama a seguir, Figura 1, mostra os principais componentes de um dos sistemas de produção por onde o ecossistema Fênix Amazônico iniciou seu pensar. A floresta conecta-se com as áreas desmatadas por seus ser- viços ambientais e pelas sementes de espécies madeireiras, fibrosas, oleaginosas, fruteiras, etc. que vão permitir um re- nascimento das cinzas, reconstruindo o ecossistema degrada- do, e recriando seus serviços ambientais. Mas tudo isso com Ecossistema urbano Indústria ecológica Árvores Floresta Repositório de biodiversidade Sementes (^) Clima & Ambiente Produtos ecológicos de madeira Materiais reciclados Biomateriais Fauna Agro-silvicultura para fibras e madeira em Terras já desmatadas Reciclagem de lixo Figura 1. Principais componentes do sistema de produção do projeto Fênix Amazônico.
Nos últimos anos um grande interesse mundial tem surgi- do pelo desenvolvimento de novas tecnologias que possibili- tem a utilização de produtos com menor impacto ambiental. Neste contexto os materiais plásticos sintéticos têm recebido especial atenção por originarem várias questões que devem ser focalizadas, principalmente a não-biodegradabilidade e a dificuldade de reciclagem, o que acaba por gerar um grande acúmulo deste tipo de material em depósitos, lixões e na pró- pria natureza[5]. Em busca de uma solução para esse problema, várias pes- quisas e trabalhos na área de compósitos poliméricos foram e estão sendo realizados para garantir à preservação ambiental e proporcionar um melhor padrão de vida a sociedade como um todo. Dentre as pesquisas nesta área, que vêem crescen- do e que aparecem em destaque, são as que buscam a apli- cação para modificadores naturais, principalmente quanto à utilização de fibras naturais[5-7]. As fibras naturais são aquelas encontradas na natureza e utilizadas “ in natura ” ou após be- neficiamento. As fibras naturais se dividem em:
clo de produção, processamento e utilização, ganhando assim um incremento de seu potencial econômico devido à possibili- dade de comércio de créditos carbonos para a cadeia produtiva. Cada tonelada de carbono estava cotada em agosto/2006 entre $15 e $18 Euros (um ano antes eram $5 Euros), valor que deve ir a $30 ou $40 Euros entre 2008 e 2012, quando a economia de 5,2% das emissões de carbono combinado na atmosfera (CO2 equivalente em relação às emissões de 1990) tornar-se obriga- tória, conforme estabelecido no Protocolo de Kyoto. Estima-se que compósitos de polipropileno contendo 65% de fibras de cânhamo, por exemplo, podem armazenar em média 325 kg de carbono/tonelada durante a sua vida útil[14].
Os estudos iniciais do grupo de compósitos do Fênix estão sendo realizados com o objetivo de se testar a viabili- dade do emprego das fibras de madeira balsa e da embaúba, e fibras vegetais de bambu e mamona, em compósitos com termoplásticos, em especial poliolefinas e PVC reciclados a partir de resíduos urbanos. A análise termogravimétrica (TGA) das fibras indicará a temperatura limite de utilização destas fibras e assim, quais as matrizes termoplásticas mais adequadas para preparação dos compósitos. A utilização de matrizes termofixas também poderá ocorrer, com a vanta- gem de que as suas temperaturas de processamento são bem mais baixas em relação às temperaturas de processamento das matrizes termoplásticas. O conhecimento da estrutura interna (anatomia) das fibras é importante e necessário, pois além de auxiliar na identificação de espécies, no en- tendimento de processos fisiológicos e no esclarecimento dos mecanismos de adaptação dos vegetais aos diferentes ambientes, fornece informações tais como rugosidade, ta- manho dos poros (vasos) e comprimento das fibras, estando todas essas diretamente relacionadas com a capacidade de adesão na interface fibra/matriz polimérica (compatibilida- de) e capacidade de homogeneização e conseqüentemente com as propriedades mecânicas finais do compósito. Estu- dos iniciais da estrutura interna das fibras foram realizados através de microscopia eletrônica de varredura (MEV). A superfície devidos predominamente à celulose e à lignina, sen- do que estes grupos polares têm grande facilidade em interagir com matrizes poliméricas polares. Em geral as principais vantagens das fibras naturais ve- getais são[6-8,11,13]:
Figura 3 apresenta as micrografias obtidas por MEV da su- perfície longitudinal e transversal das fibras de balsa, em- baúba, mamona e duas espécies de bambu, “ in natura ”, ou seja, na forma em que é encontrada. As micrografias reve- lam fibras longas contínuas e vasos de diferentes formas e tamanhos. Estudos sobre o tratamento da superfície das fibras assim como do comprimento e tamanho dos poros das fibras estão sendo realizados pelo grupo. Estudos sobre a estrutura interna de fibras vegetais mos- traram a presença de impurezas naturais e artificiais na su- perfície dessas fibras provenientes do beneficiamento[15-17]. Esses resíduos presentes na superfície das fibras diminuem a adesão quando estas fibras são utilizadas em materiais compósitos ou laminados. Em outro estudo[18]^ foi observado que a lavagem de fibras de sisal com água remove parcial- mente impurezas da superfície das fibras, deixando-a mais rugosa, o que pode aumentar a adesão na interface fibra/ matriz. Outro tratamento para melhorar as características ade- sivas da superfície removendo as impurezas é denominado mercerização (solução de NaOH 10%) e tem sido muito uti- lizado para tratar fibras celulósicas. Através desse tratamen- to a tensão superficial e conseqüentemente a molhabilidade das fibras se tornam maiores, melhorando também a ligação através de uma forma mecânica de entrelaçamento entre a matriz e a superfície rugosa das fibras. A mercerização também proporciona o desfibrilamento das fibras, ou seja, a desagregação das fibras em microfibras, aumentando assim a área superficial efetiva disponível para o contato com a matriz líquida. Dados da literatura[19]^ descrevem que mui- tos compósitos nos quais foram utilizadas fibras merceri- zadas, as propriedades mecânicas foram superiores àqueles nos quais foram utilizadas fibras não-tratadas. O tratamen- to das fibras com ar ionizado é outro método empregado para melhorar a adesão interfacial fibra/matriz polimérica. A viabilidade desse tratamento foi evidenciada em fibras de curauá tratadas com ar ionizado na moldagem de compósi- tos fenólicos[20]. Dados da literatura sobre o desempenho de materiais compósitos reforçados com fibras mostram que o com- primento crítico (ou a razão de aspecto crítica) das fibras depende da fração volumétrica destas nos compósitos. Em geral, quanto maior a razão de aspecto menor é a fração volumétrica crítica[21,22]. A resistência de compósitos com baixa fração volumétrica de fibra é pouco influenciada pela fibra. Nesse caso, as fibras agem como defeitos e fragilizam a matriz, reduzindo a resistência mecânica do compósito. Acima de uma fração crítica a resistência dos compósitos aumenta com o aumento do teor de fibras na matriz. Agentes de acoplagem/compatibilização para promoção de uma melhor interface fibra/matriz e auxiliares de fluxo para aumento da processabilidade também devem ser uti- lizados. Cargas como talcos também poderão ser utiliza- das para aumentar ainda mais a rigidez destes compósitos. Agentes de expansão poderão ainda ser testados com o ob- jetivo de diminuir a densidade dos compostos. Paralelamente aos estudos propostos, uma investigação da reciclabilidade destes compósitos será realizada, pensan- do-se no ciclo de vida dos produtos obtidos. A médio prazo, a partir da prospecção da biodiversida- de de plantas, pretende-se criar uma Biblioteca de Fibras Vegetais Naturais da Amazônia, onde as fibras serão carac- terizadas e o seu potencial de uso em compósitos com ter- moplásticos e termofixos avaliado. Até o presente momento, as investigações iniciais estão sendo realizadas com recursos próprios do CCDM/UFSCar
Os autores agradecem ao CCDM pelo apoio financeiro.