M. Tech. Polymer Technology / Determines the mechanical and thermal properties of polypropylene-based (PP) composites containing locally produced Sisal and Kenaf fibres.

O objetivo do presente estudo foi agregar valor a fibras de sisal, a dois dos componentes principais de fibras lignocelulósicas (celulose e lignina) e a PET reciclado, via produção de materiais com elevado valor agregado. Neste contexto, foram investigadas condições que levassem a mats constituídos por nanofibras/fibras ultrafinas, alinhadas (coletor rotativo) e não alinhadas (coletor estático), a partir da eletrofiação de soluções contendo essas matérias-primas, combinadas ou não [PET/sisal, PET/celulose e/ou lignina, PET/CNC (combinado ou não com OM)], em TFA. Parâmetros de solução, como razão PET/componente da biomassa e tempo de dissolução, foram diversificados, assim como parâmetros de processo (taxa de vazão da solução e velocidade de rotação do coletor utilizado, por exemplo). Os resultados de DMA indicaram a influência positiva do alinhamento das fibras nos superiores valores de E\' [tanto para os mats de PET/sisal, quanto para os mats de PET/celulose e/ou lignina e PET/CNC (combinado ou não com OM)] e também foi possível observar que não houve uma influência significativa desse alinhamento na Tg do PET nestes materiais. Como exemplo, o valor de E\' (a 30 °C) para o mat de fibras alinhadas, com razão de sisal/PET = 0,40 (S/PET0,40 – A dir), caracterizado na direção preferencial de alinhamento das fibras, foi superior (765,0 MPa), em comparação ao valor apresentado pelo mat de fibras orientadas aleatoriamente, de composição correspondente, S/PET0,40 (E’ = 358,0 ± 1,5 MPa). A molhabilidade dos mats foi intrinsicamente dependente da razão fibra de sisal/PET e variou de altamente hidrofóbico (PETref, ACA de 134°), a super hidrofílico (S/PET0,40, ACA de 0°). Observou-se que, as principais influências da presença de lignina foram na morfologia achatada das fibras e no aumento do alongamento na ruptura dos materiais, de aproximadamente 90%, comparativamente a PETref. A presença da celulose resultou principalmente em um elevado diâmetro médio das fibras (valores de até 365,9 ± 139,7 nm) e módulo de Young dos materiais (com valores de até 360,4 ± 41,5 MPa), comparativamente ao apresentado pelos mats contendo PET e este polímero combinado com lignina. Os resultados mostraram que os CNCs exerceram uma ação efetiva como agentes de reforço, principalmente nos mats constituídos por fibras orientadas aleatoriamente de PET, considerando as propriedades mecânicas apresentadas por esses materiais (como resistência à ruptura de 4,6 ± 0,5 MPa), em comparação ao mat PETref (resistência à ruptura = 1,8 ± 0,2 MPa). O OM atuou como agente compatibilizante entre o PET reciclado e os CNCs, principalmente com relação ao superior valor de módulo de Young de PET/OM/CNC (354,2 ± 46,1 MPa), em comparação ao valor apresentado por PET/CNC (19,9 ± 3,9 MPa). Assim, os objetivos do presente trabalho foram atingidos com a preparação via eletrofiação, até onde se tem conhecimento, pela primeira vez, de mats de fibras alinhadas e não alinhadas baseadas em biomassa lignocelulósica nativa e dois de seus principais constituintes (celulose e lignina). Os materiais preparados apresentam uma vasta gama de possíveis aplicações, como sistemas de filtração de ar, por exemplo. / The aim of the present investigation was to add value to sisal fibers, to two of the major components of lignocellulosic fibers (cellulose and lignin) and recycled PET via preparation of materials with high added value. In this context, conditions that lead to mats of nanofibers and ultrathin fibers were investigated, aligned (rotating drum collector) and nonaligned (stationary collector), via electrospinning of solutions containing these raw materials, combined or not {PET/sisal fiber, PET/cellulose and/or lignin, PET/CNC [combined or not with castor oil (CO)]} in TFA. Solution parameters such as the ratio of PET/biomass component and dissolution times were diverse, as well as process parameters (e.g. solution flow rate and rotational speed of the collector). The DMA results indicated the positive influence of fiber alignment on the higher storage modulus – E’ [for mats of PET/sisal, PET/cellulose and/or lignin and PET/CNC (combined or not with CO)] and it was also possible to observe no significant influence of fiber alignment on the Tg of PET for these mats. The value of E’ (at 30 °C) for the aligned fibers mat with sisal/PET ratio = 0.40 (S/PET0.40 - A dir), characterized in the preferred direction of fiber alignment, was higher (765.0 MPa) when compared to the value presented by the randomly oriented fibers mat of the corresponding composition, S/PET0.40 (E’ = 358.0 ± 1.5 MPa). The wettability of the mats was intrinsically dependent on the sisal/PET fiber ratio and ranged from highly hydrophobic (PETref, ACA of 134°) to super hydrophilic (S/PET0.40, ACA of 0°). It was observed that the main influences of the presence of lignin was on the flat fibers morphology and on the increase of the elongation-at-break of the materials of approximately 90% compared to PETref. The presence of cellulose resulted mainly in a high average fiber diameter (values up to 365.9 ± 139.7 nm) and elastic modulus of the materials (values up to 360.4 ± 41.5 MPa) compared to the ones presented by mats containing PET and by this polymer combined with lignin. The results showed that the CNCs were efficient as reinforcing agents, especially in the mats composed of randomly oriented fibers of PET, considering the mechanical properties presented by these materials (such as ultimate tensile strength of 4.6 ± 0.5 MPa) compared to PETref mat (ultimate tensile strength = 1.8 ± 0.2 MPa). CO acted as a compatibilizing agent between recycled PET and CNCs, mainly regarding the superior elastic modulus value of PET/OM/CNC (354.2 ± 46.1 MPa) compared to PET/CNC mat (19.9 ± 3.9 MPa). Therefore, the goals of the present study were reached for the first time with the preparation of aligned and nonaligned fiber mats based on native lignocellulosic biomass and two of its main constituents (cellulose and lignin), to the best of our knowledge. The prepared materials have a wide range of possible applications, such as air filtration systems, for example.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:57:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DorivaldaSMN.pdf: 3293308 bytes, checksum: e37080f4f72e81ac421fcaf0fec21fa8 (MD5) Previous issue date: 2005-12-16 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient?fico e Tecnol?gico / In the last decades there was a significant increasing of the numbers of researchers that joint efforts to find alternatives to improve the development of low environmental impact technology. Materials based on renewable resources have enormous potentials of applications and are seen as alternatives for the sustainable development. Within other parameters, the sustainability depends on the energetic efficiency, which depends on the thermal insulation. Alternative materials, including vegetal fibers, can be applied to thermal insulation, where its first goal is to minimize the loss of energy. In the present research, it was experimentally analyzed the thermal behavior of fiber blankets of sisal (Agave sisalana) with and without surface treatment with oxide hidroxide (NaOH). Blankets with two densities (1100/1200 and 1300/1400 g/m2) were submitted to three rates of heat transfer (22.5 W, 40 W and 62.5 W). The analysis of the results allowed comparing the blankets treated and untreated in each situation. Others experiments were carried out to obtain the thermal conductivity (k), heat capacity (C) and the thermal diffusivity (α) of the blankets. Thermo gravimetric analyses were made to the verification of the thermal stability. Based on the results it was possible to relate qualitatively the effect of the heat transfer through the sisal blankets subjected to three heat transfer rates, corresponding to three temperature values (77 ?C, 112 ?C e 155 ?C). To the first and second values of temperature it was verified a considerable reduction on the rate of heat transfer; nevertheless, to the third value of temperature, the surface of the blankets (treated and untreated) in contact with the heated surface of the tube were carbonized. It was also verified, through the analyses of the results of the measurements of k, C e α, that the blankets treated and untreated have values near to the conventional isolating materials, as glass wool and rock wool. It could be concluded that is technically possible the use of sisal blankets as constitutive material of thermal isolation systems in applications where the temperature do not reach values greater than 112 ?C / Nas ?ltimas d?cadas, t?m sido grandes os esfor?os dos pesquisadores na busca por alternativas sustent?veis e conhecimentos sobre como se poder? continuar promovendo o desenvolvimento sem que isso ocorra de forma agressiva ao ambiente. Materiais oriundos de fontes renov?veis possuem grande potencial de aplicabilidade e s?o vistos como alternativas para um desenvolvimento sustent?vel. Dentre outros par?metros, a sustentabilidade depende da efici?ncia energ?tica e essa, por sua vez, depende de isolantes t?rmicos. Materiais alternativos, entre eles as fibras vegetais, podem ser aplicadas para fins de isolamento t?rmico, cujo principal objetivo ? minimizar as perdas de energia. Na presente pesquisa, analisou-se experimentalmente a aplicabilidade de mantas de fibras de sisal (Agave sisalana), in natura e com tratamento superficial com hidr?xido de s?dio (NaOH), ? isola??o t?rmica. Foram utilizadas mantas de duas gramaturas (1100/1200 e 1300/1400 g/m2) submetidas a tr?s taxas de transfer?ncia de calor (22,5 W, 40 W e 62,5 W). A an?lise dos resultados obtidos permitiu comparar a capacidade de isola??o das mantas tratada e in natura em cada situa??o. Ensaios foram realizados para determina??o da condutividade t?rmica (k), capacidade calor?fica (C) e a difusividade t?rmica (α) das mantas; a estabilidade t?rmica foi verificada por meio de an?lise termogravim?trica (TGA). Com base nos resultados, foi poss?vel relacionar qualitativamente o efeito da transfer?ncia de calor atrav?s das mantas de sisal submetidas a tr?s condi??es de aquecimento, correspondentes a tr?s valores de temperatura (77 ?C, 112 ?C e 155 ?C). Nas duas condi??es iniciais, verificou-se que as mantas de sisal proporcionaram uma significativa redu??o da taxa de transfer?ncia de calor. Na terceira condi??o (155 ?C), contudo, as superf?cies das mantas (tratadas e in natura) em contato com a superf?cie aquecida do tubo ficaram carbonizadas. Por meio das an?lises dos resultados das medi??es de k, C e α, constatou-se que as mantas tratadas e in natura apresentaram valores bem pr?ximos aos de materiais isolantes comerciais (l? de vidro e l? de rocha). P?de-se concluir que mantas de sisal podem ser empregadas como material constituinte de sistemas de isola??o t?rmica para aplica??es em que a temperatura n?o ultrapasse 112 ?C

As resinas do tipo fenólica são amplamente utilizadas devido à sua diversidade de aplicações. Considerando as inúmeras vantagens desta resina (estabilidade térmica e dimensional, alta resistência à chama, etc.), este trabalho teve como um dos objetivos melhorar as propriedades mecânicas do termorrígido fenólico, pois estes são frágeis quando não reforçados. Fibras lignocelulósicas naturais foram usadas como reforço no termorrígido fenólico, o que levou a obtenção de biocompósitos. Devido a grande disponibilidade de fibras de bagaço de cana de açúcar no país, como subproduto de agroindústrias, estas fibras foram utilizadas na produção dos compósitos (sendo substituído em até 70% da matriz termorrígida por fibra natural), com a finalidade de atribuir maior valor agregado que o tradicionalmente encontrado para estas fibras. Tendo em vista que atualmente estas fibras podem ser obtidas como resíduo da agroindústria na forma queimada e não queimada, um estudo comparativo foi feito usando ambas as fibras. Compósitos fenólicos foram preparados com as fibras queimadas e não queimadas e os resultados obtidos de resistência ao impacto, módulo de armazenamento e absorção de água mostraram que não há diferenças significativas entre as propriedades de ambos. Considerando estes resultados, a continuidade do trabalho foi realizada com as fibras de bagaço de cana queimado, devido à maior disponibilidade atual destas fibras. Também foram utilizadas fibras de sisal, tradicionalmente conhecidas pelas excelentes propriedades mecânicas e disponibilidade em grande escala no país, para fins comparativos. Adicionalmente, visando aumentar a proporção de uso de matéria prima oriunda de fonte renovável, o lignossulfonato de sódio (NaLS) e lignina organossolve (LO), macromoléculas obtidas a partir de fibras lignocelulósicas, substituíram em 100% o fenol nas reações de obtenção de resinas do tipo resol (obtidas em meio alcalino). Ainda, o formaldeído foi substituído pelo glutaraldeído, um dialdeído, visando-se síntese de resinas alternativas a fenol-formaldeído, tradicionalmente usada. Também, as fibras de bagaço de cana queimadas foram tratadas em solução de NaLS, em banho de ultrassom. Este tratamento foi escolhido por se tratar do uso de macromolécula oriunda de fontes renováveis, assim como pelo fato de a fibra (bagaço de cana) conter alto teor de lignina, o que leva à perspectiva de intensificação da afinidade fibra/agente de tratamento, além de intensificar as interações fibra/matriz, devido à presença de anéis do tipo fenólico em ambas, superfícies das fibras e matriz. As fibras foram caracterizadas quanto à composição química e analisadas via termogravimetria (TG), calorimetria exploratória diferencial (DSC), microscopia eletrônica de varredura (MEV), cromatografia gasosa inversa (IGC), espectroscopia na região de infravermelho (IV), cromatografia liquida de alta performance (HPLC, para determinação do teor de açúcares no bagaço de cana queimado) e difração de raios X. O termorrígido fenólico (não reforçado) e compósitos (matriz fenólica e matrizes baseadas em LO e NaLS reforçados por fibras com distribuição aleatória, em diferentes proporções e comprimentos) foram caracterizados por TG, DSC, IV, MEV, DMTA, resistência ao impacto Izod, resistência à flexão quanto à capacidade de absorção de água. Termorrígidos preparados a base de NaLS apresentaram grande fragilidade após a moldagem, tendo sido apenas submetidos a análises de TG, DSC e cromatografia gasosa inversa (IGC), devido à impossibilidade de realizar outros ensaios. As análises de IGC foram realizadas para fibras e matriz, obtendo-se parâmetros relacionados à energia de superfície e disponibilidade de sítios ácidos e básicos. Os resultados de IGC obtidos para as fibras, tratadas e não tratadas, confirmaram que houve a adsorção do lignossulfonato sódio à superfície destas devido ao aumento de sítios ativos (ácidos e básicos) disponíveis. Os valores de IGC obtidos para as matrizes sugerem que as interações fibra/matriz são favorecidas, principalmente quando o NaLS está presente em ambos os componentes (fibra/matriz). Os resultados obtidos na caracterização dos compósitos indicaram que o lignossulfonato de sódio e a lignina organossolve podem substituir o fenol na formulação de resinas. A utilização de fibras como reforço melhorou as propriedades mecânicas dos materiais, comparativamente aos termorrígidos. Dentre os compósitos preparados com bagaço de cana, a amostra que apresentou melhor desempenho nos ensaios de impacto foram os compósitos de matrizes baseadas em glutaraldeído-LO (112 J m-1) e glutaraldeído-NaLS (82 J m-1). Os compósitos de matriz baseada em formaldeído-NaLS reforçados com fibras de sisal apresentaram melhor desempenho no ensaio de resistência ao impacto (1029 J m-1) e menor quantidade de água absorvida quando imerso em água, comparado aos demais compósitos preparados neste trabalho. As análises de MEV comprovaram a intensificação da adesão entre as fibras de sisal e a matriz, quando esta é preparada a partir de NaLS. Compósitos reforçados com fibras de sisal foram os que apresentaram melhor desempenho mecânico, tanto em resistência ao impacto quanto em flexão, provavelmente devido às propriedades intrínsecas das fibras de sisal. No geral, quando os termorrígidos foram reforçados com as fibras lignocelulósicas, bagaço de cana ou sisal, apresentaram resultados de estabilidade térmica e mecânica satisfatórios. Destaca-se que compósitos preparados com alto teor de material proveniente de fonte renovável, como os compósitos reforçados com até 70% de fibra, e os compósitos com matriz baseada em 100% de lignossulfonato de sódio e lignina organossolve, apresentaram grande potencial para diferentes aplicações, tais como no setor de embalagens e automotivo, neste caso para aplicações não estruturais. / Phenolic resins are widely known due to their diverse applications. Considering the many advantages of this type of resin (flame resistance, thermal and dimensional stability, etc), this study has one objective: the improvement of the mechanical properties of the phenolic thermoset, because this material is fragile when it is not reinforced. Natural lignocellulosic fibers were used as reinforcement in the phenolic thermoset leading to the obtaining of biocomposites. Because the fibers from sugarcane bagasse are byproducts widely available by agricultural industries in this country, these fibers were used in the production of the composites (the thermoset phenolic was replaced by up to 70% natural fibers) - the purpose was to assign greater value than traditionally found for these fibers. Currently, sugarcane fibers can be obtained from natural and burned bagasse. A comparative study was realized using both fibers. Phenolic composites were prepared with the burned fibers and the results obtained from the impact resistance, storage modulus and water absorption showed that they are not significantly different when it comes to the properties of both. Considering these results, the continuity of this study was realized with the burned fibers of sugarcane due to the higher and current availability of this fiber. Lignocellulosic fibers, are traditionally known because of their excellent mechanical properties and wide availability, like the sisal ones used in the present work for comparative reasons. Sisal fibers are available in large scale, facilitating their use. Additionally, sodium lignosulphonate (NaLS) and organosolv lignin (LO), which are macromolecules obtained from the lignocellulosics fibers were used to increase the proportion of the raw materials from renewable sources for a possible phenol substitute in resin reaction, resol type (an alkaline medium). Also, formaldehyde was replaced by glutaraldehyde aiming at the synthesis alternative resin to phenol-formaldehyde, which is traditionally used. Furthermore, burned sugar cane bagasse fibers were treated in NaLS solution, in ultrasonic bath. This treatment was chosen because this macromolecule is from renewable resources and as well as the fibers (sugarcane bagasse) have high content of lignin, which leads to the perspective of affinity intensification between fibers/lignin and fibers/matrix, due to the presence of the aromatics rings in both surfaces. The fibers were characterized in terms of chemical composition and analyzed by thermogravimetry (TG), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), inverse gas chromatography (IGC), infrared spectroscopy (IV), high performance liquid chromatography (HPLC, determination of the sugar content in the burned sugar cane bagasse) and X-ray diffraction. The lignin and resin were characterized by SEC, RMN 1H and RMN 31P. The thermosets (not reinforced) and composites (phenolic matrix and LO and NaLS matrix reinforced with randomly dispersed fibers) were characterized by TG, DSC, IV, Izod impact strength, MEV, flexural strength, DMTA and also the water absorption capacity was evaluated. Thermoset prepared based on NaLS showed great weakness after molding, being submitted only to analysis by TG, DSC and inverse gas chromatography (IGC), due to the impossibility of doing other tests. IGC analysis were realized for fibers and matrix. Parameters related to surface energy and availability of acids and basics sites were obtained. IGC results obtained for the fibers, treated and untreated, confirm that there was adsorption of lignosulphonate in these surfaces due to the increase of available active sites (acids and basics). IGC values obtained for matrix suggest that fiber/matrix interactions are favored, mainly when the NaLS is present in both components (fiber/matrix). The results obtained in the characterization of the composites indicated that lignosulphonate sodium and organosolv lignin can substitute the phenol in the resin formulation. Fibers used as reinforcement improved the mechanical properties of materials, compared to thermosets. Among the composites prepared with sugarcane bagasse, the sample that showed better performance in the impact test were the composites based on glutaraldehyde -LO (112 J m-1) and glutaraldehyde -NaLS (82 J m-1). Composites based on formaldehyde -NaLS reinforced with sisal fibers showed better performance in impact test (1009 J m-1) and less water absorbed when immersed in water, compared to others composites prepared in this study. SEM analysis confirmed the adhesion intensification between the sisal fibers and the matrix, when this is prepared from NaLS. Composites reinforced with sisal fibers showed the best mechanical performance, such as impact strength and flexural strength, probably due to the intrinsic properties of sisal fibers. In general, when the thermosets were reinforced with lignocellulosic fibers, sugarcane bagasse or sisal, they showed satisfactory results of the thermic and mechanical stability. It should be highlighted that composites prepared with high content of material from renewable sources, as the composites reinforced up to 70% fibers and composites with matrix based on 100% lignosulphonate and organosolv lignin, they showed great potential to different applications, such as in the packaging sector and the automotive one, in this case to non-structural applications.

O objetivo deste trabalho é avaliar o microclima interno de escamoteadores com diferentes formulações de placas cimentícias para o piso, aquecido com resistência elétrica. As placas de argamassa de cimento Portland tiveram por base o aproveitamento de resíduos agropecuários (cama sobreposta de suíno, fibra curta de sisal e casca de arroz) na sua confecção, em busca da melhoria nas propriedades físicas e mecânicas das placas. Essas matérias-primas serão utilizadas como material alternativo, na busca do reaproveitamento destes resíduos, que, na maioria das vezes, são descartados de forma errônea, prejudicando o meio ambiente. Esses resíduos foram caracterizados de forma a analisar sua potencialidade para a confecção das placas para piso de abrigo escamoteador. Foram confeccionados corpos-de-prova com seis diferentes tipos de formulações: referência de cimento Portland (C1), de CCSS em substituição a 30% em massa do cimento Portland (C2); de CCSS substituindo 30% de cimento Portland e fibras curtas de sisal substituindo 1,7% da massa da areia (C3); de CCSS substituindo 30% de cimento Portland e com casca de arroz substituindo 4% em massa de areia (C4); de cimento Portland com casca de arroz substituindo 4% da areia (C5); de cimento Portland com fibras curtas de sisal substituindo 1,7% da massa da areia (C6). Com base nos resultados dos ensaios físicos e mecânicos, as melhores formulações (C2, C3 e C4) foram escolhidas para a confecção das placas para o abrigo escamoteador. Para caracterização do ambiente, foram utilizados data-loggers para coleta de variáveis para determinação dos índices de conforto térmico: índice de temperatura de globo e umidade (ITGU), carga térmica radiante (CTR), entalpia (H), além dos índices analisou-se também a temperatura ambiental (TA) e a umidade relativa (UR). Os dias com menor valor de entalpia (H) foram considerados para análise comparativa dos índices de conforto, e os abrigos escamoteadores foram submetidos a quatro diferentes temperaturas de resistência (30, 35, 45 e 55 ºC). Os valores recome ndados para ITGU, CTR, H, TA e UR foram observados nos três diferentes tratamentos com a temperatura da resistência elétrica acima de 35ºC. Os resultado s obtidos validaram o destino alternativo a CCSS, a fibra de sisal e a casca de arroz, como materiais viáveis para utilização em placas de piso para abrigos escamoteadores com aceitável desempenho térmico, físico e mecânico. / The objective of this study is to evaluate the internal microclimate of piggy\'s houses with different formulations of cementitious boards for the floor, warmed with electrical resistance. The boards of ordinary Portland cement mortar were based on the use of agricultural residues (swine deep bedding, short-fiber sisal and rice husk) in its production, in search of improvement in physical and mechanical properties of the plates. These raw materials will be used as alternative materials searching reuse of waste, which in most cases are disposed of wrongly, harming the environment. These wastes were characterized in order to assess was potential for making the plates for floor piggy\'s houses. Samples were prepared with six different types of formulations: reference ordinary Portland cement (OPC) (C1), replacement of OPC by 30% by weight of ashes swine deep bedding (ASDB) (C2); replacement of OPC by 30% of ASDB and fiber short sisal replacing 1.7% of the mass of sand (C3); replacement of OPC by 30% of ASDB and rice husk replacing 4% by mass of sand (C4); OPC with rice husk replacing 4% of the sand (C5); OPC with short sisal fibers replacing 1.7% of the sand (C6). Based on the results of the mechanical and physical tests, the best formulations (C2, C3 and C4) were chosen for the preparation of the floor plates in the piggy\'s houses. To characterize the environment, data-loggers were installed for the collection of variables to determine the thermal comfort indices: black globe temperature and humidity index (BGHI), radiant heat load (RHL), enthalpy (H), ambient temperature (AT) and relative humidity (RH). The days with lower values of enthalpy (H) were considered for comparative analyses of the comfort indices, and piggy\'s houses were subjected to four different temperatures of electric resistance (30, 35, 45 and 55ºC). The recommended v alues for BGHI, RHL, H, AT and RH were achieved in the three different treatments with temperature of electric resistance above 35ºC. The results validat ed the alternative destination to ASDB, sisal fiber and rice husks as viable material for use in floor plates piggy\'s houses with acceptable thermal, physical and mechanical performance.

O presente trabalho visou à valorização da fibra lignocelulósica de sisal, focando principalmente em seu componente majoritário, a celulose, através da síntese de ésteres de celulose e também na preparação de diferentes materiais. A escolha dessa fonte lignocelulósica deveu-se a sua disponibilidade no país, sendo o Brasil o maior produtor e exportador mundial, e por se tratar de uma fonte de fibras com alto teor de celulose e de curto ciclo de crescimento. A síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia (acetatos, butanoatos e hexanoatos) e grau de substituição (GS) foi explorada, em meios homogêneo e heterogêneo, visando à identificação de condições que levassem aos melhores rendimentos. Em meio homogêneo, utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente e anidridos ácidos como agentes esterificantes, a síntese de ésteres de celulose com diferentes tamanhos de cadeia e GS (0,2-3,0) foi possível, apenas ajustando-se a razão MolAnidrido/MolCelulose. Em meio heterogêneo, diferentes rotas de síntese foram exploradas. Com o uso do sistema anidrido ácido/iodo metálico (catalisador), apenas ésteres de cadeia curta (acetatos) puderam ser obtidos com alta eficiência. Na busca de rotas alternativas para a obtenção de ésteres de cadeias mais longas, o uso de cloreto ácido e piridina (como meio reacional e como catalisador nucleofílico, respectivamente) levou à obtenção de butanoatos de celulose completamente substituídos, em apenas 30 minutos. Posteriormente, os ésteres de celulose, preparados em meio homogêneo, foram considerados como materiais de partida na preparação de filmes e biocompósitos [ésteres de celulose/celulose (0-20%)], também utilizando DMAc/LiCl como sistema de solvente. Os resultados de análise dinâmico- mecânica (DMA) e ensaios de tração revelaram que, de modo geral, a introdução de celulose levou a biocompósitos com propriedades superiores em relação aos filmes sem celulose. Resultados superiores de módulo de armazenamento e resistência à tração foram obtidos com a consequente geração de materiais que apresentaram valores superiores de Módulo de Tração e menor alongamento na ruptura. Por exemplo, biocompósitos a partir de butanoato de celulose (GS 1,8) com 20% de celulose mostraram valor de módulo de armazenamento (675 MPa) quase 4x maior que o mesmo filme sem reforço (195 MPa). Para os filmes a partir de hexanoatos de celulose (GS 1,8), a adição de celulose aumentou a resistência à tração em até 1 unidade (15% de celulose), em relação ao filme sem reforço. Por meio do uso de técnicas avançadas de caracterização de superfície (XPS e ToF-SIMS), pôde-se estudar a distribuição dos grupos ésteres nas superfícies dos filmes, assim como a influência da variação do tamanho da cadeia do éster, GS e da presença da celulose nesta distribuição. Em linhas gerais, quando a cadeia lateral manteve-se constante (butanoatos), os resultados de XPS revelaram um aumento na contribuição do carbono alifático com o aumento do GS. Em relação à cobertura superficial por cadeias alifáticas dos grupos ésteres, os resultados de XPS indicaram uma maior concentração de celulose na superfície da matriz do biocompósito preparado a partir de acetato de celulose. Por outro lado, para os ésteres de cadeias maiores (butanoatos e hexanoatos de celulose), os resultados de XPS apontaram que a celulose estaria majoritariamente presente nas camadas mais internas, gerando um maior recobrimento da superfície dos biocompósitos pelos grupos ésteres da matriz. De acordo com os dados de ToF-SIMS, os grupos ésteres se distribuíram de maneira uniforme ao longo das superfícies dos filmes e biocompósitos. Posteriormente, após uma exploração de diversas condições de pré-tratamento na massa celulósica, as quais visaram condições ótimas para a dissolução da celulose em sistema aquoso de NaOH/Uréia e posterior coagulação em meio ácido, microesferas de celulose de sisal foram preparadas com sucesso. Essas microesferas de celulose apresentam potencialidade de aplicação em diversas áreas, como na liberação controlada de fármacos e cromatografia. Na etapa final, a fibra lignocelulósica e a celulose de sisal foram consideradas como materiais de partida em um estudo envolvendo a técnica de eletrofiação a temperatura ambiente, utilizando ácido trifluoroacético (TFA) como solvente. A partir do uso dessa técnica, a dissolução da fibra lignocelulósica e sua posterior reconstrução levou a formação de fibras ultrafinas (120 a 510 nm). A eletrofiação da celulose de sisal levou a formação de fibras ultrafinas e nanofibras (<100 nm), em um amplo intervalo de diâmetros, apenas ajustando-se a vazão da solução. Os resultados obtidos neste trabalho abrem uma vasta gama de possíveis aplicações, nas quais as fibras ultrafinas e nanofibras, preparadas a partir da biomassa lignocelulósica, podem ser empregadas, tais como membranas, filmes em estruturas do tipo sanduíche ou mesmo como reforço em compósitos. Através do presente trabalho, diferentes tipos de materiais foram preparados, a partir da fibra lignocelulósica e da celulose de sisal, ampliando as possibilidades de aplicação destes materiais em diversas áreas. / The present investigation aimed at the valorization of the lignocellulosic sisal fiber, mainly focusing on its main component, i.e. cellulose, through the synthesis of cellulose esters and preparation of different materials. This lignocellulosic source was chosen due to its availability in the country since Brazil is the largest producer and exporter worldwide and also because this lignocellulosic source has a high cellulose content and a short life cycle. The synthesis of cellulose esters with varied chain lengths (acetates, butanoatos and hexanoates) and degree of substitution (DS) was explored in homogeneous and heterogeneous media in order to identify the conditions that led to better yields. In the homogeneous medium, by using DMAc/LiCl as the solvent system and acid anhydrides as the esterifying agents, the synthesis of cellulose esters with varied chain lengths and DS (0.2-3.0) was possible by only adjusting the MolAnhydride/MolCellulose ratio. In the heterogeneous medium, different synthesis routes were explored. By using acid anhydride/metallic iodine (catalyst) as the system, only short-chain cellulose esters (acetates) could be obtained with high efficiency. In the search for new routes to obtain cellulose esters with longer chains, completely substituted esters (GS 3.0) were obtained by using acid chloride and pyridine (as the reaction medium and nucleophilic catalyst) in just 30 minutes. Afterwards, by using the same solvent system (DMAc/LiCl), cellulose esters prepared in a homogeneous medium were used as starting materials in the preparation of films and biocomposites [cellulose ester/cellulose (0-20 wt%)]. The results of dynamic-mechanical analysis (DMA) and tensile tests revealed that, in general, the cellulose loading led to biocomposites with superior properties than the films without cellulose. Thus, higher values of storage modulus and tensile strength were obtained, which consequently led to materials with higher Young Modulus and lower elongation at break. For example, biocomposites from cellulose butanoate (GS 1.8) with 20 wt% of cellulose showed a storage module value (675 MPa) almost 4 times higher than the film without cellulose (195 MPa). For the cellulose biocomposites from cellulose hexanoate (GS 1.8), the cellulose loading increased the tensile strength up to 1 unit (15 wt% cellulose) comparatively to the film without cellulose. By means of advanced techniques of surface characterization (XPS and ToF-SIMS), the distribution of the cellulose ester groups along the films/biocomposites surfaces were studied as well as the influence of the different cellulose esters chain lengths, DS and presence of cellulose on that distribution. XPS results revealed an increase in the contribution of the aliphatic carbon as the DS increased when the side chain remained constant (butanoates). Regarding the surface coverage by aliphatic chains of the ester groups, XPS results indicated a higher concentration of cellulose on the surface of the biocomposite prepared from cellulose acetate as its matrix. Conversely, for the cellulose esters with longer chains (butanoates and hexanoates), XPS results pointed that the cellulose was mostly present in the inner layers, which generated a higher surface coverage of these biocomposites\' surfaces by the aliphatic chains of the ester groups. According to the ToF- SIMS results, the esters groups were evenly distributed on the surface of the films and biocomposites. Thereafter, beads from sisal cellulose were successfully prepared after an exploration of various pre-treatment conditions on the cellulosic mass, where optimal conditions were found to lead to complete cellulose dissolution in NaOH/Urea aqueous system followed by coagulation in acid medium. Cellulose beads present a high potential of application in several areas, for example in controlled drug delivery and chromatography. At the final stage of this work, the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers were used as starting materials in a study involving the electrospinning technique at room temperature, by using trifluoroacetic acid (TFA) as solvent. Through this technique, the lignocellulosic fiber dissolution and later reconstruction led to ultrathin fibers (120 to 510 nm). The electrospinning of sisal cellulose led to ultrathin fibers and nanofibers (<100 nm) in a wide interval of diameters, by only varying the solution flow rate. The results obtained in this investigation open a wide range of possible applications, in which the ultrathin and nanofibers prepared from the lignocellulosic biomass can be used, such as membranes, sandwich-type structure of films or as reinforcement in composite materials. Through the present work, different materials were prepared from the lignocellulosic sisal and sisal cellulose fibers, which contributed to expand the possibilities of application of these materials in diverse areas.

A pesquisa tem como enfoque fundamental a aplicação de novos materiais alternativos para uma construção sustentável. Pós residuais, provenientes do resíduo orgânico e do setor mineral, e fibras de sisal constituem bons exemplos de materiais não convencionais. Dessa forma, o objetivo principal foi avaliar a incorporação dos pós residuais e da fibra de sisal no concreto para a fabricação de blocos de concreto e elementos de alvenaria. Foram estudados três relações cimento: agregado, de 1:15, 1:10 e 1:6 (traços pobre, médio e rico), com a finalidade de produzir blocos estruturais com classe de resistência, de 4, 8 e 12 MPa, respectivamente. Para cada traço foi realizada a substituição da areia natural por pó de pedra com teores de 20%, 40%, 60% e 80%, em massa, e do cimento por pó de resíduo orgânico com teores de 5%, 10%, 15% e 20%, em massa. Foi feito o estudo da durabilidade da fibra de sisal em meio alcalino, com comprimento de 20 mm e fração volumétrica de 1% com relação ao concreto. Foram estudadas as propriedades físicas e mecânicas do concreto no estado fresco e endurecido. Os resultados mostraram que os pós residuais podem ser utilizados como fíler no concreto substituindo parte da matéria prima, uma vez que causaram o correto empacotamento nos agregados e na pasta de cimento. O estudo estatístico utilizando a técnica do Bootstrap mostrou que para o pó de pedra, a porcentagem ideal para a substituição da areia pelo pó no concreto foi de 60% para os traços 1:15 e 1:10 e de 40% para o traço 1:6. Já no pó de resíduo orgânico, concretos com baixo consumo de cimento, o resíduo não teve um correto enchimento na matriz cimentícia; com médio consumo, o concreto com 5% de pó apresentou propriedades mecânicas e físicas superiores ao concreto de referência; e em misturas ricas em cimento, porcentagens até 10% provocaram um correto desempenho mecânico quando comparados ao concreto de referência. O sisal apresentou alta durabilidade em matrizes cimentícias modificadas com materiais pozolânicos devido à diminuição do hidróxido de cálcio (CH). Foi possível concluir que os blocos de concreto modificados com os materiais alternativos apresentaram qualidade compatível com as exigências da construção civil nacional e podem ser utilizados também como unidades de vedação. / This research deals with the use of new alternative materials for sustainable construction. The use of residual powder materials, from organic residue and from mineral sector, and sisal fibers are good examples of unconventional materials that can be used. The main objective is to evaluate the use of residual powders and sisal fibers in the production of structural masonry blocks. Three types of mixtures for cement consumption were studied: aggregate/cement (A/C) ratios of 15, 10, and 6, in order to produce blocks structural strength classes of 4, 8 and 12 MPa, respectively. For each trace the cement were replaced by powder organic waste at levels of 5%, 10%, 15% and 20%, and natural sand replaced by stone powder at levels of 20%, 40%, 60% and 80%. A study was carried out in order to evaluate the durability of sisal fiber in the alkaline medium, with length of 20 mm and 1% volume fraction on the concrete. The physical and mechanical properties of fresh and hardened concrete were studied. The results showed that residual powder can be used as filler in concrete by replacing part of the raw material, since they caused the correct packaging in the aggregates and in the cement paste. The statistical analysis using the Bootstrap technique showed that for the stone powder the optimal percentage for replacing the sand was 60% for 15:1 and 10:1 traces and 40% for 6:1 trace. As for the organic residual powder, the results showed that the reference concrete had higher compressive strength than the concrete with low cement content (A/C ratio of 15:1). However, samples made with 5% powder and an A/C ratio of 10:1 showed greater physical and mechanical properties strength than the reference concrete. Mixtures rich in cement (A/C ratio of 6:1) and the powder replacements of up to 10% resulted in the best mechanical behavior. The sisal showed high durability in modified cementitious matrices with pozzolanic materials due to decreased calcium hydroxide (CH). It was concluded that the blocks modified with alternative materials showed quality compatible with the requirements of national construction.

A utilização de fibras vegetais como reforço constitui um grande interesse na obtenção de novos materiais para a construção civil produto de seu baixo custo, alta disponibilidade e reduzido consumo de energia para sua produção. Este trabalho avalia a incorporação de fibras de sisal, de comprimento 20 e 40 mm, e fração volumétrica de 0,5 e 1%, em concretos para a alvenaria de blocos estruturais e determina o uso destas unidades na execução de prismas e mini-paredes. Foram realizados os testes de caracterização da fibra, blocos e argamassa de assentamento e os ensaios de resistência à compressão axial das unidades, prismas e mini-paredes. O sisal apresentou baixa massa específica aparente e elevada absorção de água, constituindo uma característica comum desse tipo de material pela grande incidência de poros permeáveis. As propriedades físicas dos blocos com e sem adição cumpriram com os requisitos das normas estabelecidas validando sua utilização. Os resultados do ensaio à compressão mostraram que as mini-paredes reforçadas com fibras obtiveram valores muito próximos ou mesmo superiores aos obtidos para as mini-paredes sem fibras, apresentando melhor desempenho que os blocos e prismas. Todos os elementos com adição mostraram um ganho da capacidade de deformação e ductilidade conferida pelas fibras, observado nas curvas tensão x deformação. O modo de ruptura dos blocos, prismas e mini-paredes de referência foi caracterizado por uma fratura brusca e catastrófica e os reforçados mantiveram suas partes unidas pelas fibras, não perdendo sua continuidade e tornando a ruptura um processo progressivo. / The use of natural fibers as reinforcement is a great interest in obtaining new materials for construction, owing of its low cost, high availability and reduced energy consumption for its production. This paper evaluates the incorporation of sisal fibers of 20 mm and 40 mm length and volume fraction of 0.5 and 1%, for concrete for masonry structural blocks, and determines the use of these units in making of prisms and mini-walls. The laboratory tests were carried to characterize physical properties the fiber, blocks and mortar, and besides axial compression tests of the units, prisms, and mini-walls. The sisal had low apparent density and high water absorption, constituting a common feature of such material by the high incidence of permeable pores. The physical properties of the blocks with and without addition complied with the requirements of standards established by validating their use. The axial compression test results showed that mini-walls reinforced with fibers obtained values very close to or even superior to those obtained for the mini-walls without fibers, showing better performance than the blocks and prisms. All elements with the addition had increased the deformation capacity and ductility afforded by the fibers, observed in the curves stress/strain. The rupture mode of blocks, prisms and mini-walls reference was characterized by an abrupt and catastrophic fracture, and elements reinforced maintained their shares together by the fibers, without losing its continuity and becoming a progressive rupture.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-07-04T13:15:17Z No. of bitstreams: 1 NIVALDO TIMÓTEO DE ARRUDA FILHO - DISSERTAÇÃO PPGEA 2011..pdf: 5184330 bytes, checksum: 4dd737343af7919e1972cd31963d1d84 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-04T13:15:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 NIVALDO TIMÓTEO DE ARRUDA FILHO - DISSERTAÇÃO PPGEA 2011..pdf: 5184330 bytes, checksum: 4dd737343af7919e1972cd31963d1d84 (MD5) Previous issue date: 2011-02 / Capes / Avalia-se neste trabalho, a produção de elementos construtivos leves a partir de matrizes cimentícias com incorporação de resíduos industriais e fibras de sisal bem como, a potencialidade da adição dessas fibras e o uso da metacaulinita e dos resíduos de produção de tijolos cerâmicos moídos, como substitutos parciais do cimento Portland. Os materiais foram caracterizados física, química e mineralogicamente, além de determinado as resistências mecânicas dos compósitos produzidos. Utilizou-se de trabalhos de reologia para encontro da pasta matriz de revestimento com adequado teor de adições pozolânicas e aditivo superplastificante. Foram avaliadas as resistências da placa de EVA, da pasta matriz de revestimento encontrada com e sem adição de fibras e do novo compósito formado pela união destes dois elementos. Utilizou-se a técnica de alinhamento de fibras com intuito de incrementar resistência ao novo compósito leve. Os ensaios de reologia do material indicaram que o tijolo moído mostrou-se mais eficiente que a metacauhmta para o mesmo teor de substituição e que, a porcentagem de 2,1% de aditivo superplastificante e a mistura M 8OC1 10TM 10MC foi considerada ideal para tornar a matriz resistente e auto-adensável; o que não se observou nos ensaios de resistência mecânica, onde a metacaulinita superou os resultados obtidos com a adição do tijolo moído. A adição da matriz com fibras alinhadas incrementou de forma significativa na resistência a tração na flexão do novo compósito leve superando em 74,78% a placa de EVA, em 35,98% a placa de EVA revestida com matriz sem fibras e em 4,23% a placa de EVA revestida com matriz adicionada de fibras distribuídas de forma randômica. / It is estimated this work. the production of lightweight construction elements from cement matrix incorporating industrial waste and sisal fíbers as well as adding the capability of these fibers and the use of metakaolin and waste production of clay bricks ground, as partial replacement of Portland cement. The materiais were characterized physically, chemically and mineralogically, and determined the mechanical strength of the composites produced. We used to work against the pulp rheology for coating the array with appropriate content of pozzolanic additions and superplasticizer. We evaluated the resistance of the plate, EVA matrix coating folder found with and without addition of new fibers and the composite formed by the union of these two elements. We used the technique of alignment of fibers with a view to increasing resistance to the new lightweight composite. Tests rheology of the material indicated that the crushed brick was more efficient than the metakaolin to the same levei of replacement and that the percentage of 2.1% of superplasticizer and mixing M 80Ci 10TM 10MC was considered ideal for making matrix resilient and self-compacting, which was not observed in tests of strength, where metakaolin surpassed the results obtained with the addition of crushed brick. The addition of the matrix with aligned fibers increased significantly in tensile strength in bending the new lightweight composite outpertòrming 74.78% of the board of EVA, while 35.98% of the plate coated with EVA matrix without fibers and 4, 23% of the plate coated with EVA matrix added fiber distnbuted randomly.

O presente estudo tem como objetivo desenvolver e avaliar métodos de confecção de mantas híbridas de fibras curtas de vidro e sisal visando as necessidades da indústria automotiva na produção de componentes com menor custo e menor massa específica. Neste trabalho foram moldados por compressão compósitos de resina poliéster reforçados por mantas (25% em volume) de fibra de vidro/sisal, híbridas e isoladas. Foram desenvolvidos quatro métodos de confecção de mantas: Manual (disposição manual de fibras), Água (disposição de fibras em fase aquosa), Leito-ar (arranjo de fibras via leito fluidizado) e Vibracional (deposição de fibras em meio vibracional). De modo a comparar condições foram utilizados mais dois métodos variantes: Manual-lav (deposição manual de fibras fibra de vidro lavada) e Etanol (deposição de fibras em fase etílica). O trabalho foi dividido em rotas de ensaios onde inicialmente utilizou-se apenas a fibra de sisal de modo a obter comprimento e tratamento ideais para esta fibra. Nas demais rotas variou-se o teor de fibra de vidro incorporada (0, 25, 50, 75 e 100% e seu complemento em sisal) até a escolha de uma composição. Os compósitos produzidos pelos diferentes métodos foram avaliados através de análises de propriedades físicas (massa específica, absorção de umidade e teor de vazios) e propriedades mecânicas (resistência à tração, módulo de elasticidade e resistência ao impacto). A morfologia dos compósitos foi analisada via SEM (microscopia eletrônica de varredura). Os resultados indicaram o tratamento de água destilada para as fibras de sisal e um comprimento ideal de fibra de 3 cm. Mostraram também que a água destilada e o etanol afetam a superfície da fibra de vidro podendo remover partículas e substâncias. Compósitos com teor de 50% de fibra de vidro demonstraram propriedades mecânicas superiores as dos compósitos reforçados apenas com sisal puro, porém com menor custo e massa específica que os compósitos contendo 100% de fibra de vidro. A análise dos diferentes métodos demonstrou que os métodos Manual e Leito-ar produziram compósitos com melhores propriedades mecânicas. Contudo, método Leito-ar é o mais indicado para futuras aplicações industriais. / Submitted by Marcelo Teixeira (mvteixeira@ucs.br) on 2014-05-22T19:33:01Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao Cristiane Aurelia Borges Vieira.pdf: 3871122 bytes, checksum: a05f3bff78a211139b1c7fc4feb77b63 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-05-22T19:33:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertacao Cristiane Aurelia Borges Vieira.pdf: 3871122 bytes, checksum: a05f3bff78a211139b1c7fc4feb77b63 (MD5) / This work is focused at development and evaluation of confection methods of short fibers hybrid mants aiming attend the necessities of automobile industry in the production of small parts with smaller cost and specific weight. Were developed different methods in the confection of hybrids mants from short fibers: manual deposition of the fibers, watery phase deposition of the fibers, fibers arrangement by stream bed fluidized and deposition of the fibers by vibrational method. The analysis of the methods was provided by evaluation of the processed composites. The first part of the work consisted in the appraising of hybrid composites with 0, 25, 50, 75 e 100% of fiber glass and the remained in sisal. The analysis of the results showed, for 50% content, higher mechanical properties comparing to the composites reforced only with sisal, however with lower cost and specific weight than composites with 100% of fiber glass. The composites maded by different methods were estimated in relation to physical properties (specific weight, water absorption and void content) and mechanical properties (tensile strength, elasticity modulus and impact resistance). The morfology of the composites was analyzed by SEM (scanning electronic microscopy). The results showed that the 3 cm length is ideal for the procedure utilizated. The sisal fibers washed in distilled water had shown, in general, superior performance than fibers in natura or chemically treated. It was noted that the increasing of fiber glass in the hybrids composites results in the strengthening of the mechanical properties of the composites, however the sisal increment in the composition reduced the specific weight of the final product. The analysis of the diferent methods showed that the manual deposition of the fibers and fibers arrangement by stream bed fluidized were the methods that manufactured composites with the best mechanical properties. The method of deposition by stream bed fluidized can be applied in the confecction of hybrids mants with short fibers for different types of naturals and synthetic fibers and your implementation is easy and of low cost using the compressed air installation existing in industry.