ANÁLISE QUANTITATIVA DOS MELHORES PARÂMETROS
PARA PRODUÇÃO DE DIFERENTES GRANULOMETRIAS
DE FIBRA DE COCO VISANDO A CONSTRUÇÃO DE
COMPÓSITOS POLIMÉRICOS.
Kaio Cruz Machado1, Celso Carlino M. Fornari Jr2*
1
Discente do Curso de Engenharia de Produção e Sistemas do DCET, Universidade Estadual de Santa Cruz – UESC,
Ilhéus – BA E-mail: [email protected]
2
Universidade Estadual de Santa Cruz – UESC, Engenharia de Produção e Sistema, Laboratório de Polímeros e
Sistemas – LAPOS, Campus Soane Nazaré, Ilhéus – BA; [email protected]
Resumo: Este trabalho procurou analisar o processo de moagem das fibras de coco em moinho de bolas, tendo como
foco determinar a partir dos dados experimentais: a quantidade ideal de fibras e o número de esferas presente em seu
interior. A importância deste procedimento é otimizar a produção de fibras finas para a formação de compósitos
poliméricos. O padrão de granulometria ideal é de 115 mesh, o que favorece uma condição ideal para produção de
compósitos mais homogêneos e com melhores propriedades mecânicas. Procurou-se entender quais os mecanismos
envolvidos na produção de fibras com diferentes granulometrias, em relação as características química das fibras e o
teor de água presente antes da moagem.
Palavras-chave: Fibra de coco, moinho de bolas, compósitos, fibras Naturais.
Quantitative analysis of parameters for improved production of different size coconut-fiber aiming at the
construction of polymeric composites
Abstrat: This study sought to examine the process of grinding the coconut fiber in ball mill, focusing determined from
experimental data: the ideal amount of fiber and the number of balls present in the mill. The importance of this
procedure is to optimize the production of fine fibers for the formation of polymer composites. The pattern of ideal size
is 115 mesh, which favors an ideal condition for production of more homogeneous composite with better mechanical
properties. It is understood that the mechanisms involved in the production of fibers with different sizes, for the
characteristics of chemical fiber and content of this water before grinding.
Keywords: Coconut fiber, composites, vegetable fibers, boll mill.
Introdução
O desenvolvimento de materiais corretos de maneira ecológica e a melhor adequação dos processos
tem sido uma necessidade para minimizar os problemas ambientais no mundo [1]. Em busca de uma
solução para esse problema, vêm crescendo a utilização e os métodos envolvidos para utilização de
fibras naturais como reforço polimérico. Na última metade do século passado a utilização de fibras
naturais como reforço para plásticos tem sido muito explorado, por elas serem um material
ecologicamente correto [2]. Dentre outras vantagens, por serem fonte de recurso natural renovável,
as fibras naturais apresentam baixo custo, são biodegradáveis, recicláveis, não tóxicas e podem ser
incineradas [1]. Os compósitos preparados com fibras naturais e matrizes termoplásticas são
utilizados pela indústria automobilística como revestimentos e peças interiores, visando diminuir o
consumo das reservas de petróleo e facilitar a reciclagem dos automóveis [3]. As fibra vegetais são
compostas por dois grupos poliméricos. O grupo composto por celulose e que representa a parte
mais rígida da fibra vegetal e o grupo da hemicelulose composto por constituintes poliméricos
variados de média massa molar, mais conhecida por lignina [4]. A fração de lignina é a principal
responsável pela absorção de água da fibra além de desempenhar o papel de transporte de água e
nutrientes na planta. Ela é constituída principalmente por derivados fenólicos além de ácidos
hidrocinâmicos e outros compostos [5]. Apesar das fibras vegetais serem compostas por dois grupos
de polímeros, a celulose como polímero estrutural e a lignina como uma composição polimérica
responsável pelos nutrientes da planta, estas não são exploradas em função da sua longa cadeia
molecular. No Brasil, existe uma grande variedade de fibras vegetais com diferentes propriedades
químicas, físicas e mecânicas [6]. Dentre esta variedade pode-se citar: curauá, coco, sisal, rami,
bagaço de cana-de-açúcar, juta e abacaxi. No caso das fibras de coco, que são rejeitos das indústrias
alimentícias de países tropicais, seu aproveitamento gera vantagens também no que diz respeito à
diminuição da quantidade do lixo sólido [7]. A fibra de coco é obtida a partir do coco in natura,
especificamente do mesocarpo fibroso. Estudos com as fibras de coco têm aumentado muito
atualmente, pois além de terem um baixo custo entre as fibras naturais, possuem características
importantes tais como: rigidez, durabilidade e alto teor de lignina (uma espécie de um compósito
natural). Contudo em decorrência dos grupamentos de hidroxila presentes em sua estrutura, o que
lhe propicia um caráter hidrofílico e assumindo com isso uma capacidade admirável de absorver
água, as fibras de coco ficam limitadas a determinadas aplicações. Assim como para outras fibras
naturais lignocelulósicas, o uso de fibras de coco na preparação de materiais compósitos
poliméricos é limitado pela baixa compatibilidade com as matrizes poliméricas [8]. A formação de
compósitos poliméricos-fibra celulósica é feito com as fibras micronizadas, o que possibilita a
formação de materiais mais homogêneos e com melhor desempenho. As respostas mecânicas desse
tipo de compósito dependem de diversos fatores, que incluem os comportamentos tensãodeformação das fases fibra e matriz, as frações volumétricas das fases e, além disso, a direção na
qual a tensão ou carga é aplicada [9]. O processo de micronização das fibras é uma tarefa que tem
exigido muitos esforços no laboratório, em decorrência das propriedades das fibras naturais, a fim
de obtermos qualidade e quantidades razoáveis de fibras com granolometrias variadas.
De um modo geral, o rendimento da moagem é influenciado pelas caraterísticas da própria matériaprima nomeadamente [10] :
•
dimensão e forma inicial das partículas,
•
dureza do material ( resistência à compressão, ao choque e à abrasão),
•
estrutura homogênea ou heterogênea,
•
umidade ou higroscopicidade,
•
sensibilidade à variação da temperatura,
•
tendência à aglomeração.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Devido a composição química das fibras de coco além da sua morfologia altamente porosa, sua
grande capacidade de absorção de umidade não tem favorecido a micronização das fibras por meio
de moinho de bolas, dificultando o processo e diminuindo a eficiência de moagem. Neste trabalho
apresentamos alguns cuidados e técnicas para a obtenção de fibras de coco em suas diferentes
granulometrias utilizando para isso um moinho de bolas. O objetivo central está em defenir a
melhor quantidade de fibra a ser batida e o número de bolas a serem utilizados.
Experimental
As fibras de coco foram cortadas do mesocarpo do fruto com espessura média de 2,5 a 3 mm, e
aquecidas na estufa de aquecimento BIOPAR com regulagem termostática durante cerca de 2 horas
com uma temperatura em torno dos 120ºC variando de +/- 5° C. Em seguida as amostras
selecionadas com espessura média de 0,79 a 1,35 mm foram moidas com a utilização de um moinho
cerâmico de bolas de alumina marca Marcone modelo MA 500, pelo intervalo de 60 minutos com
uma quantidade exata de 30 bolas e variando-se a quantidade de fibras de 5 á 20 g com intervalo de
5 g. O processo também foi avaliado quanto ao número de bolas com a quantidade fixa de 5 g,
tendo a variação de 10 até 35 bolas em intervalos de 5 bolas. A limpeza do moinho é feita de forma
manual, em um ambiente isento de circulação de ar e com a utilização de equipamentos específicos.
Por fim as amostras moídas foram avaliadas em ensaios de peneiras vibratórias segundo a norma
ABNT 10439 Método A. As massas das peneiras da marca BERTEL foram medidas antes e após o
ensaio com a utilização de uma balança eletrônica semi precisa JH 2102, assim pode-se constatar a
percentagem presente de fibra de coco em cada granulometria (mesh), sendo o objetivo de avaliação
constatar a melhor produção de finos de 200 mesh.
Resultados e Discussão
O processo feito para a produção de finos de fibra de coco é representado de forma geral na figura
1. Este demonstra o momento de absorção de água durante o processamento de moagem.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Recolhimento dos
cocos verdes
Secagem
H 2O
Corte das fibras
Aquecimento
Moída
Armazenamento
Secagem
Seleção
Peneira
H 2O
Armazenamento
Final
Figura 1 – Representação do processo de produção de finos de fibra de coco.
Durante a secagem observou-se que a quantidade de fibras de coco interfere na qualidade das
amostras secas na estufa. Quando uma quantidade de fibras de aproximadamente 80% da
capacidade máxima da estufa é acondicionada, ocorre uma variação na uniformidade das fibras com
relação à secagem, ou seja, ela não ocorre de forma eficiente e homogênea. Isso se dá pelo fato da
grande quantidade de vapor produzida em seu interior, fazendo com que a temperatura permaneça
abaixo do limite ideal, isto é, fique limitada a temperatura do vapor à pressão atmosférica. Desta
forma as fibras dispostas na parte inferior da estufa superaquecem e as dispostas na parte mais
elevada da estufa secam moderadamente. Com isso para os padrões estipulados de eficiência de
secagem, a estufa foi preenchida em torno de 60 % de sua capacidade total, demonstrando
resultados satisfatórios para este procedimento de secagem e posteriormente na moagem. A tabela 1
é uma amostragem das medidas das fibras antes de serem secas. Devido a sua superfície não ser
uniforme as fibras foram meças cinco vezes ao longo de seu comprimento. Observando-se a média
das medidas, nota-se que os valores situam-se entre aproximadamente 2,47 e 3,27mm. Estas
amostras representam uma amostragem de uma população maior de fibras, definindo o perfil de
espessura das fibras a serem secas. Este dado é relevante pelo fato de que a secagem das fibras deve
ocorrer de forma mais equilibrada possível, onde a espessura das amostras define o tempo de
permanência na estufa, conforme trabalhos já desenvolvidos no laboratório. Assim as amostras
asseguram uma secagem eficiente e de forma mais homogênea.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Tabela 1 - Espessuras de algumas amostras antes de serem colocadas na estufa.
Medidas (mm)
1º
2º
3°
4°
5°
Total
Média
Desv. Padrão
Amostra 1
Amostra 2
Amostra 3
Amostra 4
Amostra 5
Amostra 6
Amostra 7
Amostra 8
Amostra 9
Amostra 10
Amostra 11
Amostra 12
2,46
2,81
2,69
1,69
1,74
2,63
2,49
2,89
1,57
2,75
3,29
3,19
2,59
3,37
1,84
2,63
3,6
2,98
3,15
2,75
2,78
3,29
2,91
3,88
2,54
3,06
2,86
2,37
3,83
3,67
2,85
3,76
3,45
3,73
2,97
3,13
2,6
2,28
2,66
2,6
3,52
2,75
1,93
3,23
3,22
2,79
3,48
2,34
2,67
3,15
2,4
3,49
2,45
2,97
1,94
3,37
2,44
2,08
3,7
3,58
12,86
14,67
12,45
12,78
15,14
15
12,36
16
13,46
14,64
16,35
16,12
2,572
2,934
2,49
2,556
3,028
3
2,472
3,2
2,692
2,928
3,27
3,224
0,08
0,42
0,40
0,65
0,90
0,40
0,54
0,40
0,74
0,62
0,34
0,58
Posteriormente, as FC (Fibras de Coco) secas foram acondicionadas em embalagem
hermeticamente fechada, sendo novamente secas em microondas para em seguida serem
micronizadas no moinho de bolas. Na moagem antes de serem trituradas as amostras de fibras de
coco foram novamente selecionadas com suas espessurras em torno de 0,79 à 1,35 mm, e aquecidas
em forno microondas a potência de 20 W durante 2,5 min, isso se repetiu até a sua massa
permanecer estável. Este procedimento possibilitou a retirada total da umidade da fibra momentos
antes do processo de moagem, para assim ocorrer de forma eficiente. O resultado da moagem das
fibras de coco variando-se a quantidade estão apresentados na tabela 2.
Tabela 2 - Quantidade percentual de tamanho de fibras moídas em função da quantidade de fibra inicial.
Mesh
> 80
80
100
115
150
170
< 200
Total
%5g
63,3
6,84
8,82
11,86
4,66
2,53
1,98
99,99
% 10 g % 15 g % 20 g
61,71
60,59
50,32
9,43
13,45
17,79
7,85
16,38
20,86
16
6,92
9,43
2,65
1,66
1,07
1,57
0,8
0,44
0,79
0,2
0,1
100
100
100
O resultado deste experimento demonstra que a maior parte das fibras moídas apresentou um
tamanho maior que 80 mesh. Isto evidência que para as quantidades de fibras entre 5 á 20 gramas,
mais de 50% das fibras não foram devidamente moídas, isto é, apresentaram tamanhos superiores a
80 mesh. Estes resultados devem ser avaliados com relação ao tamanho de partícula em função da
quantidade de fibras a serem processadas, de maneira a se estabelecer um perfil de eficiência do
processo de moagem. Podemos visualizar através da figura 2 o perfil de distribuição do tamanho de
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
partícula em relação a quantidade de fibra contida no moinho.
Percentagem em Função do Tamanho de Partícula
Percentagem (%)
70
60
50
%5g
% 10 g
% 15 g
% 20 g
40
30
20
10
0
A
B
C
D
E
F
G
Tamanho (mesh)
Figura 2 - Distribuição percentual e granulométrica das fibras de coco moídas em moinhos de esferas com diferentes quantidades iniciais de fibras.
Tamanho de partículas (mesh) A > 80, B – 80, C – 100, D – 115, E – 150, F – 170 e G < 200.
O perfil de distribuição de partícula apresentado na figura 2 permite avaliar que a melhor eficiência
de moagem se encontra quando 20 g de fibras são utilizadas. Pelas condições do processo, isto é,
massa inicial de 20 gramas de fibras com 35 bolas e 1 hora de moagem, foram obtidos a maior
quantidade de 100 mesh entre todas as condições de moagem ensaiadas. Seguido deste resultado a
segunda maior quantidade de fibras com 100 mesh foram obtidos com as mesmas condições de
processo e 15 gramas iniciais de fibras. Este resultado leva a entender que a quantidade inicial de
fibra tende a favorecer uma maior produção de finos com 100 mesh na medida em que a quantidade
de fibra é aumentada de 5 para 20 gramas. Entretanto tamanhos menores de partículas como 115
mesh ou menor a produção destas decresce, indicando que para este tempo de processo a sua
produção é menor. A produção de partículas mais finas com 150, 170 e 200 ou menor, apresenta
maior eficiência na medida em que a quantidade inicial de fibra é menor, isto é para 5 gramas de
fibras. O fato das fibras serem moídas pelo moínho de bolas é necessário primeiramente que elas se
acondicionem entre as bolas e a parede do moínho, de forma que o contato íntimo e de
esmagamento, venha a romper a partícula da fibra. Assim, pode-se analisar que para as menores
quantidades e fibras moídas, isto é, com 5 gramas de fibras obteve-se uma maior quantidade de
finos. Evidentemente a concentração das fibras em função das bolas do moínho é maior,
aumentando a chance de contato e o esmagamento das fibras, gerando um maior número de finos.
Interessa então avaliar qual a melhor relação e número de bolas e quantidade de fibras a serem
moídas. Para isto realizou um ensaio onde a quantidade de fibras foi estabelecida padrão na
quantidade de 5 g e variou o número de bolas. Desta forma avaliamos a produção de fibras moídas e
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o resultado é apresentado na tabela 2.
Tabela 2 - Quantidade percentual de fibras moídas em função do número de bolas utilizados no processamento.
Mesh
> 80
80
100
115
150
170
< 200
Total
10 bolas
15 bolas
97,11
1,09
1,09
0,45
0,2
0,05
0
99,99
94,7
1,83
1,93
0,82
0,39
0,24
0,1
100
20 bolas
25 bolas
Percentagem (%)
84,36
86,84
3,73
3,22
4,8
5,21
2,86
2,91
1,99
1,99
1,64
0,1
0,61
0
100
100
30 bolas
35 bolas
68,686
4,85
6,08
12,77
4,6
1,23
0,31
98,53
40,6
7,15
11,91
31,63
5,72
1,18
0,05
98,24
A tabela 2 demonstra a percentagem de fibras moídas em relação a quantidade inicial de fibras.
Observa-se que a menor quantidade de fibras moídas de 80 mesh, foi no processo que utilizou o
menor número de bolas e a maior quantidade foi para o maior número de bolas. Isto indica que o
número de bolas para o intervalo utilizado neste trabalho é diretamente proporcional a moagem das
fibras para o caso de 80 mesh. De um modo geral com o número de 35 bolas obteve a maior
quantidade de finos para todos os tamanhos de partículas com excessão dos finos menores que 200
mesh e que foram processados com 20 bolas. A figura 3 apresenta o perfil de distribuição das fibras
de coco moídas com diferentes quantidades de esferas e pelo tempo de 1 hora com 5 gramas de
fibras.
Distribuição Percentual em Função do Tamanho de Partícula
Percentagem (%)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
10 bolas
15 bolas
20 bolas
25 bolas
30 bolas
35 bolas
A
B
C
D
E
F
G
Tamanho (mesh)
Figura 3 - Distribuição percentual e granulométrica das fibras de coco moídas em moinhos de esferas com diferentes quantidades iniciais de fibras e
variando-se o número de bolas. Tamanho de partículas (mesh) A > 80, B – 80, C – 100, D – 115, E – 150, F – 170 e G < 200.
Anais do 10o Congresso Brasileiro de Polímeros – Foz do Iguaçu, PR – Outubro/2009
Através do gráfico pode-se analisar que a maior quantidade de fibras obtidas foi para a
granulometria de 115 mesh e com número máximo de bolas, isto é, 35 bolas. Para os demais ensaios
com 35 bolas e com excessão do tamanho de 80 mesh a quantidade de finos é maior se comparado
com os demais ensaio, isto para os tamanhos de 80, 100, 115 e 150 mesh. Este resultado está de
acordo com os resultados já discutidos e que se baseiam no fato de que as fibras de coco são moídas
quando esmagadas pelas bolas contra a parede do moínho.
Conclusões
Na construção de compósitos com fibras vegetais, a distribuição e o tamanho das partículas
interferem nas propriedades do material. Para isto é fundamentalmental o domínio e conhecimento
do processo de secagem, trituração e separação granulométrica das fibras de coco. Pela análise dos
gráficos constatou-se que a utilização de 35 bolas durante 1 hora e com 5 gramas de fibras, isentas
de umidade, permite a moagem de fibras de forma a obter aproximadamente 30% de finos com 115
mesh de tamanho.
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