t1-20-Use of Coconut Fibre as a Thermal Insulator

8/15/2019 t1-20-Use of Coconut Fibre as a Thermal Insulator

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MENDES José Ubiragi de Lima;LADCHUMANANANDASIVAM Rasiah;

SILVA Luiz Cláudio Ferreira da;MARINHO, George Santos.

Simpósio Internacional de Engenharia Têxtil Natal-RN-Brasil

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USO DA FIBRA DO COCO COMO ISOLANTE TÉRMICO

USE OF COCONUT FIBRE AS A THERMAL INSULATOR

MENDES, José Ubiragi de Lima;LADCHUMANANANDASIVAM, Rasiah;SILVA , Luiz Cláudio Ferreira da;MARINHO, George Santos.

RESUMO

A finalidade precípua da aplicação de um isolante térmico é dificultar, reduzir e minimizar atransferência de calor entre dois sistemas físicos que se encontram em níveis diferentes detemperatura. Para que um material seja classificado como bom isolante térmico à ser usado em

uma dada aplicação, faz-se necessário que satisfaça a várias propriedades. No entanto, existemduas que são imprescindíveis em qualquer caso: Ter baixa condutividade térmica e Ter um baixocusto. O presente trabalho a análise de uso de fibra de coco como alternativa para aplicações deisolantes térmicos.

ABSTRACT

The primary aim of the application of a heat insulating material is to block, reduce and minimizethe transfer of heat between two physical systems that are at different levels of temperature. For amaterial is to be classified as good heat insulating material to be used in a given application, it isnecessary to satisfy various properties. However, two properties are indispensable in any case: tohave low thermal conductivity and of low cost. The present work analyses the use of coconutfiber as an alternative for applications of thermal insulators.

INTRODUÇÃO

A finalidade precípua da aplicação de um isolante térmico é dificultar, reduzir e minimizara transferência de calor entre dois sistemas físicos que se encontram em níveis diferentes detemperatura.

No entanto, do ponto de vista prático, a isolação térmica será aplicável objetivando principalmente as seguintes finalidades: economia de energia, e portanto, de custo operacional;conforto térmico; estabilidade operacional; proteção pessoal; evitar condensação.

Pode-se, num só processo de isolamento térmico, atingir mais de um desses objetivos,tendo-se porém em consideração que a análise da fonte de calor e da sua forma de transmissão éque determina a escolha dos materiais e a técnica de sua aplicação.

A técnica da isolação térmica consiste na utilização de materiais ou de sistemas queimponham resistência às maneiras do calor se propagar, reduzindo essa velocidade de transmissãoe portanto a quantidade transmitida por unidade de tempo.

A escolha do material isolante deverá ser coerente com a transmissão de calor.


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São muitos os materiais isolantes que podem ser utilizados com êxito no isolamentotérmico, devendo no entanto, ser conhecidas suas propriedades mecânicas e térmicas, para que se possa projetar de forma adequada sua montagem, espessura ótima de isolamento e tipo derevestimento protetor.

Dentre as principais características que classificam um material como bom isolante, tem-se: baixa condutividade térmica, boa resistência mecânica, incombustibilidade, estabilidadequímica e física, baixa higroscopicidade, facilidade de aplicação, resistência ao ataque deroedores, insetos e fungos, resistência específica ao ambiente de utilização, ausência de odor,economicidade, densidade que seja compatível com as características térmicas do sistema.

Dificilmente encontrar-se-á no mercado um material isolante que satisfaça a todos essesrequisitos, no entanto deve-se procurar aquele que satisfaça ao maior número possível paraaplicá-lo em um dado sistema.

Vê-se, portanto, que a técnica da isolação tem muitas variáveis à serem consideradas, eque ainda existem muitos materiais na natureza passíveis de observação e análise que podem serutilizados como isolantes, justificando-se portanto, pesquisas neste campo de atuação.

CONDUTIVIDADE TÉRMICA

A condução de calor é definida como um meio de transferência de energia na qual amesma se desloca de uma região de temperatura maior para uma de temperatura menor em umúnico meio ou entre meios diferentes através do contato físico direto. A propriedade quecaracteriza a habilidade do material de transferir calor é a condutividade térmica. A mesma édefinida através da expressão

q = - K dT / dX

onde q denota o fluxo de calor, por unidade de tempo por unidade de área ( a área normal àdireção do fluxo de calor), k é a condutividade térmica do material e dT / dX é o gradiente detemperatura através do meio condutor.

As unidades de q e K são W/m2 e W/m K, respectivamente. A equação acima é válidaapenas para regime permanente, que é, para situações na qual o fluxo de calor não varia ao longodo tempo. Também, o sinal menos na equação indica que a direção do fluxo de calor se manifestana direção decrescente da temperatura.

MECANISMOS DE CONDUÇÃO DE CALORO calor é transportado nos materiais sólidos tanto por efeito do deslocamento de elétrons

livres como por vibração da rede (fónons). A condutividade térmica está associada com cada umdestes mecanismos, e a condutividade térmica total é a soma das duas contribuições, ou

K = Ke + Kr


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onde Ke e Kr representam as condutividades térmicas de vibração da rede e dos elétrondeslocados, respectivamente; usualmente um ou outro predomina. A energia térmica associadacom fónons ou movimento da rede é transportada na direção de seu movimento. A contribuiçãode Kr resulta do movimento de fónons de uma região de temperatura maior para uma de

temperatura menor em um corpo na qual se verifica um gradiente de temperatura.Os elétrons livres ou condutores participam da chamada condução eletrônica. Para os

elétrons livres na região aquecida do material concedem um aumento na energia cinética. Elesentão migram para regiões menos aquecidas, onde parte desta energia é transferida para osátomos como uma consequência das colisões com fónons ou outras imperfeições no cristal. Arelativa contribuição do Ke na condutividade térmica total aumenta com o aumento daconcentração de elétrons livres, desde que mais elétrons estão disponíveis para participar deste processo de transferência de calor.

METAIS

Nos metais puros, o mecanismo dos elétrons de transferirem energia é muito maiseficiente que os fônons devido a maior velocidade e maior facilidade que os mesmos têm de sedeslocarem. Além do mais, os metais são extremamente bons condutores de calor devido ogrande número de elétrons livres existentes que participam do processo de condução.

As ligas metálicas com impurezas induzem uma redução na condutividade térmica, dadoque estas impurezas atuam como inibidores dos deslocamentos dos elétrons livres diminuindo, portanto, sua eficiência no processo de transferência de energia.

CERÂMICOSOs materiais não metálicos são isolantes térmicos visto que os mesmos têm carência de

elétrons livres. Daí, os fônons são os principais responsáveis pela transferência de energiacondutiva. Kr é muito maior que Ke. Além do mais os fónons não são tão eficientes como oselétrons livres no transporte de energia térmica dado uma inibição nesta transferência devido àsimperfeições na rede. Vidro e cerâmicas amorfas têm menor condutividade térmica que cerâmicascristalinas, uma vez que a distribuição de energia na rede é menor quando a estrutura cristalina éaltamente desordenada e irregular. A diminuição da vibração na rede vem a ser maior comaumento da temperatura; daí, a condutividade térmica da maioria dos materiais cerâmicosdiminuem com o aumento da temperatura, pelo menos para temperaturas relativamente baixas.

Para temperaturas altas, a condutividade térmica começa a aumentar devido a influência daradiação. A influência deste processo aumenta com o aumento da temperatura.Materiais cerâmicos porosos, têm uma influência marcante na condutividade térmica;

aumentando o volume dos poros, na maioria dos casos resulta numa diminuição da condutividadetérmica, uma vez que os mesmos contêm ar – que tem baixa condutividade térmica - confinadonos mesmos, inibindo portanto a troca de calor.


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POLÍMEROS

Para estes materiais, a energia térmica é induzida pela vibração e rotação da cadeiamolecular. A magnitude da condutividade térmica depende do grau de cristalinidade; um

polímero cristalino e com estrutura ordenada terá condutividade térmica maior que um materialequivalente amorfo. Isto é devido a uma vibração coordenada mais efetiva das cadeias molculares para o estado cristalino.

Polímeros são frequentemente usados como materiais isolantes devido sua baixacondutividade térmica. Assim como as cerâmicas, suas propriedades isolantes são melhoradas pela introdução de pequenos poros, os quais são introduzidos durante a polimerização.

FIBRAS VEGETAIS

A utilização das fibras naturais não é nova. No entanto o tratamento e a forma de

racionalizar seu uso sofreram modificações ao longo do tempo.Segundo Gale (1972), o título “natural” é aplicado para todas aquelas fibras produzidas

sem o auxílio da química, tipo pêlo de animais, membros de plantas ou vegetais e do tipo casulono caso da seda.

O aproveitamento de uma fibra como matéria – prima baseia-se nas características de suas propriedades tais como capacidade de alongamento e elasticidade, resistência à ruptura,resistência à temperatura, resistência à tensão e deformação, densidade, possibilidade de seralvejada e tingida, solidez à fervura e lavabilidade, baixo custo, disponibilidade no mercado entreoutras. Nenhuma das fibras conhecidas satisfaz em total perfeição todas estas exigências. Cadafibra está, pois, adequada apenas à confecção daqueles produtos que exigem exatamente suas boas propriedades.

As propriedades físicas de uma fibra depende de sua estrutura química e cada fibra temseu próprio aspecto quando analisado e submetido ao microscópio, quer uma seção longitudinalou transversal. As mesmas são bastante heterogêneas, pois dependem do tipo de solo, dascondições climáticas, dos fertilizantes utilizados, do tipo de colheita, das folhas, dos frutos ou docaule dos vegetais, Agopyan e Denolle (1988).

As matérias fibrosas que a natureza consegue produzir (fibras vegetais, animais eminerais) não seriam já suficientes para satisfazer o consumo presente e futuro de matérias – primas. Aparecem, por conseguinte, em proporções cada vez maiores, matérias fibrosas deorigem química (inglês “man-made fibers”) cuja denominação é de fibras químicas.

Com o surgimento das fibras sintéticas o consumo das fibras vegetais teve uma queda de

cerca de 40 %, D`Almeida (1987). Nos últimos anos, a crise energética, o baixo grau deindustrialização necessário para o processamento dessas fibras, sua abundância, baixo custo e os problemas relacionados pelo uso de fibras sintéticas ao meio ambiente, tem novamentedespertado a atenção e o interesse de pesquisadores em todo o mundo.

As fibras vegetais são constituídas por células individuais que, por sua vez, compõem-sede mocrofibrilas dispostas em camadas de diferentes espessuras e ângulos de orientação. Estasmicorfibrilas são ricas em celulose, polímero vegetal de cadeias longas (grau de polimerização daordem de 25.000), e estão aglomeradas por hemicelulose amorfa (grau de polimerização entre 50e 200). As células da fibra têm de 10 m a 25 m de diâmetro e, segundo Coutts (1992), são


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compostas por quatro camadas de microfibrilas (figura 1): (i) camada primária mais externa, deestrutura reticulada; (ii) camada secundária S1, de estrutura também reticulada; (iii) camadasecundária S2, em que as microfibrilas estão orientadas segundo o ângulo, com relação ao eixolongitudinal da célula, em espiral. A camada S2 é a de maior espessura e, também, a de maior

teor de celulose. No interior da célula, há uma cavidade central de seção elíptica, com dimensãode 5 m a 10 m, denominada lúmen.

As diversas células que compõem a fibra, encontram-se aglomeradas pela lamelaintercelular, composta de hemicelulose, pectina e lignina. A região central da fibra também podeapresentar uma cavidade denominada lacuna. A figura 1 (no final do trabalho) ilustraesquematicamente a seção transversal do aglomerado de células da fibra vegetal.

As lacunas e lúmens são responsáveis pela grande incidência de poros permeáveis nasfibras, o que acarreta elevada absorção de água e massa específica aparente bastante inferior àreal.

Segundo Chand et al. (1988), a resistência à tração e o módulo de elasticidade das fibras

são diretamente proporcionais ao teor de celulose e inversamente proporcionais ao ângulo dasmicrofibrilas. Já o alongamento máximo de ruptura aumenta com o ângulo, pois é maior otrabalho de fratura necessário para o estiramento das microfibrilas (ver tabelas 1 e 2).

Tabela 1. Propriedades da estrutura de fibras vegetais, Agopyan e Savastano (1997).

FibraCelulose (% em massa) Lignina (%em massa) Âng. Das microfibrilas (graus)

Malva 76,0 10,0 8Sisal 78,3 9,9 10 – 12Coco 53,3 40,8 30 – 49

Tabela 2. Características físicas e mecânicas de algumas fibras vegetais, Agopyan e Savastano(1997).

Fibras PropriedadesMassa

Esp.(Kg/m3)Absorção

Máxima (%)Alongamentona ruptura (%)

Resistência aTração (Mpa)

Módulo deElástico (Gpa)

Coco 1177 93,8 23,9 a 51,4 95 a 118 2,8Sisal 1370 110,0 4,9 a 5,4 347 a 378 15,2

Malva 1409 182,2 5,2 160 17,4Celulose 1200 a 1500 400 Inf. não disp. 300 a 500 10 a 40Bambu 1158 145 3,2 73 a 505 5,1 a 24,6

Juta Inf. não disp. 214 3,7 a 6,5 230 Inf. não disp.Piaçava 1054 34,4 a 108 6 143 5,6

As fibras vegetais apresentam variações dimensionais, devido a mudanças no teor deumidade. Assim, os repetidos ciclos de molhagem e secagem introduzem tensões e, progressivamente reduzem a durabilidade do material, pois pela sua constituição, são suscetíveis


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ao apodrecimento por ação da umidade e atacáveis pela alcalinidade, que as destroem e asreduzem a fibrilas muito finas.

As fibras de coco são as mais empregadas e estudadas pela sua durabilidade no meioalcalino, e o sisal pela sua resistência mecânica.

Para Kulkarni et al. A diversidade de fibras existentes e suas características químicas tãovariadas dificultam a possibilidade de se estabelecer algum princípio geral que governe aestrutura química das fibras, por esta razão, conclui, há a necessidade de se investigar a estruturaquímica e propriedades dos mais variados tipos de fibras.

A FIBRA DO COCO

A fibra de coco, também chamada COIR, é uma massa fibrosa castanho-avermelhadacontida entre a casca externa do coco e o invólucro externo do núcleo. A mesma provém docoqueiro comum (cocus nucífera) e é a única fibra de fruto que é usada em quantidade digna de

ser mencionada.A remoção da mesma pode ser feita embebendo-a com água salobra por um período de

algumas semanas, para facilitar a extração das fibras, presumivelmente devido ao processo bacteriológico. Depois as mesmas são submetidas a um processo de batidas com martelos demadeira e depois penteadas. Treze a quinze cocos fornecem mais ou menos 1 Kg de fibras.

A fibra de melhor qualidade é usada para a fabricação de cordas e esteiras, as fibras curtase grossas usadas como enchimento de colchões e assentos e as fibras longas e grosseiras usadasna fabricação de pincéis.

Bledzky et al. (1996) relaciona as seguintes características básicas para a fibra de coco:celulose - 43 %; comp. da célula - 0,8 mm; ângulo espiral - 45 º; hemicelulose – 0,3 %; pectina – 4,9 %; lignina – 45 %. A tabela 3, mostra algumas características estruturais da fibra de coco.

Tabela 3. Relação entre o diâmetro da fibra e número de células, diâmetro da lacuna e diâmetromédio da célula, Kulkarni e Satyanarayana (1981).

Amostra Diâmetro dafibra (m)

Número médiode células

Diâmetro dalacuna (m)

Diâmet.Médio da

célula (m)

Nº de células por 2

1 150 264 8,080 9,20 1,49 x 10 – 2 2 200 377 9,660 10,28 1,20 x 10 – 2

3 250 474 10,792 11,47 0,965 x 10 – 2

4 300 481 10,645 12,80 0,680 x 10 – 2 5 400 584 9,027 20,00 0,464 x 10 – 2

Em relação as propriedades mecânicas e físicas Agopyan e Savastano (1997) relacionamas seguintes propriedades: massa – 1177 Kg/m3; absorção máxima – 93,8 %; alongamento naruptura – 23,9 a 51,4 %; resistência a tração – 95 a 118 Mpa; módulo de elasticidade – 2,8 GPa.

Chand et al. (1988) afirmaram que a resistência que resistência a tração e o módulo deelasticidade das fibras são diretamente proporcionais ao teor de celulose e inversamente


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proporcionais ao ângulo das microfibrilas. Já o alongamento máximo de ruptura aumenta com oângulo, pois é maior o trabalho de fratura necessário para o estiramento das microfibrilas.

Kulkarni et al. (1981) em seu trabalho sobre o comportamento mecânico da fibra de cocosubmetida a tensões identificou que para o módulo de elasticidade, resistência e porcentagem de

alongamento para fibras de diâmetro 0,10 a 0,45 X 10 – 3 m, obtiveram 3 a 6 GNm – 2, 106 a 175GNm – 2 e 17 a 47 %, respectivamente.

O ISOLANTE TÉRMICO

Dadas suas características geométricas e estrutural, a fibra de coco é adequada paradesenvolver um isolante térmico em forma de manta, com dimensões à serem especificadas emfunção das análises de fluxo de calor.

Este por sua vez está intimamente relacionado à densidade da manta, pois quanto maisfibra por unidade de volume se tem, ou seja quanto maior a densidade, maior será o fluxo de calorque se manifestará através da mesma, uma vez que maior será a intensidade das ondas de energiana rede (fônons) oriundas da interação intermolecular. Por outro lado, se a densidade é pequena,tem-se um aumento na transferência de energia decorrente do processo radiativo que se verificarános espaços vazios entre as fibras. Portanto, tem-se que analisar qual a densidade ideal na qual severificará o menor fluxo de calor, para que a manta exerça sua função de isolante térmico.

Nesta análise, tem-se que verificar o equilíbrio existente entre a quantidade de fibras e aquantidade de vazios, por unidade de volume. Estes vazios são importantes, dependendo da suadimensão, porque os mesmos confinam ar em seu interior, e como o ar tem uma condutividadetérmica menor que a do material que compõem a fibra, o resultado final é uma condutividaderesultante da manta, menor.

O fabrico da manta pode ser feito utilizando a fibra in- natura ou aplicando-se na mesmaretardantes de chama, que tem como principal vantagem aumentar a faixa de temperatura detrabalho do isolante.

Para a fabricação da manta, deve-se selecionar aquelas fibras longas, mais flexíveis e maisfinas. Estas fibras uma vez selecionadas, já secas e limpas, devem ser colocadas em uma matriz esubmetidas a uma prensa hidráulica para um primeiro entrelaçamento entre as mesmas. A seguir,este volume é submetido a uma segunda prensagem, desta vez manual, onde as faces desta prensasão dotadas de agulhas em V invertido com o objetivo de aumentar o entrelaçamento entre asfibras. Este processo é repetido, com o movimento aleatório da manta no plano horizontal, atéesta chegar na condição de entrelaçamento ideal.

Dependendo da aplicação a que o isolante se dispõe, a manta pode ter seu entrelaçamentoreforçado com a aplicação de aglomerantes (de origem natural ou artificial).

Pronta a manta, é feita uma análise de resistência a tração, flexibilidade, compressão,estanqueidade, resistência à temperatura, da condutividade térmica e densidade, necessários paraclassificar este isolante dentro, das normas técnicas em vigor e inserir com mais segurança este produto para as mais diversas aplicações industriais no mercado consumidor.

CONSIDERAÇÕES FINAIS


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Para que um material seja classificado como bom isolante térmico à ser usado em umadada aplicação, faz-se necessário que satisfaça a várias propriedades. No entanto, existem duasque são imprescindíveis em qualquer caso: Ter baixa condutividade térmica e Ter um baixocusto.

A fibra da casca de coco, um material abundante na região Nordeste, e que ainda não estásendo devidamente aproveitada – pelo contrário está sendo desperdiçada – tem um custorelativamente zero para qualquer aplicação que a utilizem. Aplicada em um trabalho de pesquisa(Silva, 1999) em que foram analisados tijolos solo-cimento com e sem adição do pó da fibra dacasca Dom coco, verificou-se que para um mesmo traço (solo-cimento) a condutividade térmicamédia das amostras sem o pó foi K = 2,626 W/mºC, e a condutividade térmica média dasamostras em que foram inseridas pö ( 6% ) foi K = 0,767 W/mºC. Verificou-se, portanto, umaacentuada redução nesta propriedade quando adicionou-se o pó da fibra de coco na massa parafabricar os tijolos.

Diante do exposto, conclui-se que este material tem boas características isolantes. Alémdo mais, experimentos feitos com esta fibra in-natura em uma placa aquecedora plana, comregulagem de temperatura de 0 à 400 ºC, constataram um limite de resistência à temperatura de180 ºC, quando apenas sob a ação da gravidade, diminuindo para 150 ºC quando sob pressão. Ouseja, esta fibra abrange uma faixa de temperatura de trabalho que encampa uma enorme gama deaplicações industriais. Somando-se a isto, a mesma apresenta boa flexibilidade, resistência àtração na faixa aceitável para sua aplicação e baixa densidade.

Portanto, conclui-se em função dos resultados expostos, que a fibra da casca de coco, éum material que tem um ótimo potencial para ser aplicado como isolante térmico, com boas perspectivas de abrir seu espaço no mercado consumidor em uma ampla faixa de aplicaçãotecnológica.

Fig. 1. – Estrutura das fibras vegetais (sem escala) segundo Coutts (1992).


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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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(11) SILVA, Luiz Cláudio Ferreira ; Mendes, José Ubiragi de Lima ; Ladchumananandasivam,Rasiah; “Análise Das Propriedades Mecânicas E Térmicas De Tijolos Solo-Cimento ComE Sem Adição Do Pó Da Fibra De Coco”, p.148, Dissertação de Mestrado, UFRN, Natal,1999.

Endereço:Departamento de Engenharia Mecânica da UFRN – Campus Universitário, Natal – RN.Telefax – (084) - 215 3760

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