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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.75.2008.tde-13102008-143432
Documento
Autor
Nome completo
Franciéli Borges de Oliveira
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2008
Orientador
Banca examinadora
Frollini, Elisabete (Presidente)
Botaro, Vagner Roberto
Campana Filho, Sergio Paulo
Ruvolo Filho, Adhemar Colla
Seoud, Omar Abdel Moneim Abou El
Título em português
Utilização de matéria-prima obtida de fonte renovável na preparação de compósitos de matriz tipo fenólica
Palavras-chave em português
fibras lignocelulósicas
resina taninofenólica
tanino
Resumo em português
A matéria-prima utilizada na produção em larga escala de resinas fenólicas (normalmente fenol e formaldeído) é obtida a partir de fontes não renováveis. O tanino e o furfural, originados de fonte renováveis, apresentam a possibilidade de substituir parcialmente o fenol e formaldeído, respectivamente, na preparação de resinas fenólicas, formando uma rede integrada baseada em unidades de fenol/tanino e fenol/furfural para as resinas taninofenólica e fenol-furfural, respectivamente. No presente trabalho, estas resinas foram utilizadas na preparação de compósitos, os quais foram reforçados com fibras lignocelulósicas (sisal). As resinas taninofenólica e fenol-furfural foram caracterizadas por Ressonância Magnética Nuclear (RMN). Para análise da resina fenol-furfural, compostos modelo foram previamente sintetizados e avaliados por RMN 1H e 13C. Fibras de sisal foram usadas como agente de reforço das matrizes termorrígidas do tipo fenol, tendo em vista as excelentes propriedades mecânicas que esta fibra apresenta, assim como a disponibilidade da mesma no país, pois o Brasil é atualmente o maior produtor mundial desta fibra. Foram utilizadas fibras de sisal (3,0 cm de comprimento) em porcentagens diversas, sem tratamento e mercerizadas (tratamento com solução alcalina). Foram utilizadas também fibras tratadas com ar ionizado e reagidas com tanino hidroximetilado, variando-se o tempo de exposição das fibras ao tratamento. Os compósitos preparados com resina taninofenólica, contendo fibras de sisal tratadas (mercerização, ar ionizado e tanino hidroximetilado), apresentaram uma diminuição no valor de resistência ao impacto, quando comparados aos compósitos preparados com fibras de sisal sem tratamento. Provavelmente, estes tratamentos degradaram as fibras de sisal, tornando-as mais frágeis. As análises de microscopia eletrônica de varredura (MEV) destes compósitos reforçados com fibras tratadas, mostraram uma maior adesão entre fibra e matriz. Este aumento da adesão na região da interface foi confirmado pelos resultados obtidos nos testes de absorção de água, em que os compósitos contendo fibras de sisal mercerizadas absorveram no geral menores quantidades de água, confirmando que os tratamentos aplicados na fibra diminuíram o caráter hidrofílico característico das fibras de sisal sem tratamento. Os parâmetros obtidos a partir das curvas de absorção de água, revelaram que a difusão das moléculas de água no interior dos compósitos segue o regime fickiano. Para os compósitos de matriz fenol-furfural, a fim de avaliar os efeitos da natureza dos álcalis utilizados na propriedade destes compósitos, as resinas foram preparadas usando como catalisadores KOH e K2CO3, sendo na seqüência aplicadas na preparação de compósitos reforçados com fibras de sisal (3,0cm, 30% em massa, não tratadas). As análises de MEV mostram que a adesão na interface fibra/matriz é mais intensa quando KOH é utilizado, se comparado a K2CO3. Essa baixa adesão é provavelmente devido a possível liberação de CO2, quando K2CO3 é usado, que pode promover o surgimento de microcavidades em torno das fibras, o que pode levar a baixa adesão fibra/matriz. Essa baixa adesão se reflete na propriedade de resistência ao impacto, pois para os compósitos preparados com KOH os valores foram superiores. Ainda, para verificar se a resina obtida usando KOH pode ser preparada a partir de condições mais suaves, um experimento foi realizado com menores tempos de reação e temperatura. A resistência ao impacto deste compósito mostrou que um material com boas propriedades pode, ser obtido quando as resinas são preparadas nestas condições. Os resultados obtidos são promissores, e mostram que compósitos com boas propriedades podem ser preparados usando altas proporções de materiais obtidos de biomassa, isso é, fibras de sisal, tanino e furfural.
Título em inglês
Use of raw material obtained from a renewable source in tbhe preparation of phenolic type matrix composites
Palavras-chave em inglês
Lignocellulosic fibers
Tannin
Tannin-phenolic resin
Resumo em inglês
In the present work phenolic type matrices were prepered, which were reinforced with lignocellullosic fibers (sisal). The tannin-phenolic and phenol-furfural resins, amid other techniques, were characterized by nuclear magnetic resonance (NMR). Model compounds were synthesized specially for the 1H and 13C NMR analysis of phenol-furfural resins. The sisal fibers were chosen as reinforcing agent of the phenol-type thermoset matrices, due to their excellent mechanical properties, as well as the availability of this lignocellulosic material in Brazil, which is currently the greater world-wide producer of these fibers. Several percentages of unmodified and alkali treated (mercerized) fibers (3.0 cm length, randomly distributed) were used. Up to 50% of fibers (w/w), the impact strength of the composites improved with increase in the fiber content. In addition, fibers treated with ionized air and with hydroxymethylated tannin, varying the time exposure of the fibers to the treatments, were used. The tannin-phenolic matrices composites reinforced with 30 % (w/w) of modified sisal fibers (mercerized, treated with ionized air and hydroxymethylated tannin), showed lower impact strength than reinforced with sisal unmodified fibers. Probably, the sisal fibers were partially degraded by these treatments, turning them more fragile mechanically. The scanning electron microscopy (SEM) images of the composites reinforced with modified fibers showed better adhesion between fiber and matrix, confirmed by the results obtained from the water absorption experiments, where the composites reinforced with modified sisal fibers absorbed, in general, lesser amounts of water, indicating that the treatments applied in the fiber decreased the hydrophilic character of the fibers. The parameters obtained from the curves of water absorption revealed that the diffusion of water molecules within of the composites follows the Ficks law. Concerning the phenol-furfural resins, to evaluate the effect of the nature of the alkali used in the properties of the related composites, the resins were prepared using KOH and K2CO3 as catalysts, and then used in the preparation of composites reinforced with unmodified sisal fibers (3.0 cm length, 30% w/w, randomly distributed). The SEM images showed that the adhesion in the interface fiber/matrix was improved when KOH is used, instead of K2CO3. This low adhesion between fiber/matrix is probably caused by microcavities located around the fibers and possibly generated by CO2 release when K2CO3 is used in the preparation of the resin. This low adhesion reflects in the property of impact strength, for the composites prepared with KOH the values were superior. Nevertheless, to verify if the resin obtained using KOH can be prepared from softer conditions, a resin was prepared using lower reaction times (1h, instead of 3:15h) and temperature (70 °C, instead of 130 °C). The impact strength of the composite obtained from this resin showed that a material with good properties was obtained. Overall, the results are promising and indicate that composites with good properties can be prepared using high proportion of materials obtained from biomass, i.e., sisal fiber, tannin and furfural.
 
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Data de Publicação
2008-10-15
 
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