Capítulo de livro publicado no Congresso Brasileiro de Química dos Produtos Naturais. Para acessa-lo clique aqui.

Este trabalho foi escrito por:

Bárbara Maria Ribeiro Guimarães ^*; Marcelo Barbosa Furtini  ; Josy Anteveli Osajima Furtini ; José Benedito Guimarães Junior ;  Ramon Raudel Peña Garcia ; Gustavo Henrique Denzin Tonoli  Franscisco Murilo Tavares de Luna  

*Bárbara Maria Ribeiro Guimarães (Corresponding author) – [email protected]

Resumo: Atualmente com a crescente preocupação com as questões ambientais, tem surgido um grande aumento em pesquisas científicas e tecnológicas visando o desenvolvimento e obtenção de novos materiais que sejam menos nocivos ao meio ambiente, provenientes de matérias-primas renováveis e biodegradáveis. Desta forma, o presente estudo tem o objeto de caracterizar o colmo de bambu imperial quanto às suas propriedades físicas, anatômica e morfológica a fim de se obter parâmetros para a utilização destas fibras vegetais em compósitos, papéis, nanopapers entre outros. O bambu foi cortado e seccionado em partes menores para a determinação da umidade e densidade básica. Esse material foi analisado quanto às suas características anatômicas e morfológicas utilizando para essa etapa a microscopia ótica e a microscopia eletrônica de varredura (MEV).  O bambu após o corte apresentou umidade de ±72% e baixa densidade (0,41 g/cm³). As fibras mostraram-se recobertas com impurezas que devem ser tratadas e removidas para que possam ser utilizadas como reforço em compósitos ou produção de papéis ou nanopapers de forma a não comprometer as propriedades finais destes materiais.

Palavras–chave: bambu, caracterização, compósitos

Abstract: Currently, with the growing concern about environmental issues, there has been a large increase in scientific and technological research aimed at developing and obtaining new materials that are less harmful to the environment, from renewable and biodegradable raw materials. Thus, the present study aims to characterize the imperial bamboo culm in terms of its physical, anatomical and morphological properties in order to obtain parameters for the use of these plant fibers in composites, papers, nanopapers, among others. Bamboo was cut and sectioned into smaller parts to determine moisture content and basic density. This material was analyzed regarding its anatomical and morphological characteristics using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) for this step. Bamboo after cutting showed ±72% moisture and low density (0.41 g/cm³). The fibers proved to be covered with impurities that must be treated and removed so that they can be used as reinforcement in composites or in the production of papers or nanopapers in order not to compromise the final properties of these materials.

Key Word: bamboo, description, composites

INTRODUÇÃO

Conhecido por ser a planta que mais cresce mundialmente, o bambu apresenta uma taxa de crescimento que varia de 30 a 100 mm por dia, sendo esse crescimento rápido quando comparado a outras plantas lenhosas.  Em geral, as plantas lenhosas como Pinus e o Eucalipto levam de 7 a 14 anos para atingirem a vida adulta, enquanto o bambu leva apenas 4 anos. (1).

Este recurso florestal (Bambu) tem sido considerado uma alternativa promissora para a substituição de madeira em algumas aplicações, devido as suas propriedades físico-mecânicas adequadas, apresentando alta durabilidade quando tratado adequadamente. (2). Em termos de resistência, o bambu apresenta maior resistência à tensão axial e compressão axial em comparação a madeira, sendo justificado pela alta orientação das microfibrilas de celulose no sentido axial das células de bambu, e as células que formam feixes vasculares longitudinais no tecido parenquimáticos (3). Em relação a resistência à tração o bambu apresenta valores de 40 MPa à 215 MPa (4), enquanto que as madeiras apresentam valores variando entre 58,1 MPa à 139,2 MPa (5).

Em busca de novas alternativas em substituição à madeira, o objetivo deste estudo foi analisar por meio das características físicas e morfológicas, o potencial de fibras de bambu para produção de novos materiais.

MATERIAL E MÉTODOS

Obtenção da matéria prima

Foi utilizada como matéria-prima fibras de bambu imperial (Bambusa vulgaris vittata). O material foi coletado na Universidade Federal de Lavras na cidade de Lavras/MG.  O bambu foi cortado e posteriormente seccionado longitudinalmente e transversalmente para análise de suas características conforme ilustrado na figura 1(a/b).

Caracterização das propriedades físicas

Para a determinação da umidade logo após o corte, o bambu foi seccionado e foram retirados corpos de prova com dimensões de 1,0 × 2,0 × 2,0 cm (espessura × largura × comprimento). As amostras foram obtidas apenas da região intermediária, desprezando-se as camadas externa e interna dos colmos. Para a determinação de umidade, utilizou-se a Norma Brasileira Regulamentadora – NBR 7190 da Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT (5).

Para a determinação da densidade básica, o bambu já cortado foi seccionado em partes menores, moído e peneirado em peneira de 40 e 60 mesh, sendo utilizado para essa análise a porção retida na peneira de 60 mesh. Em seguida essas partículas foram depositadas em béqueres com água para a saturação, sendo posteriormente coados em uma peneira para a retirada do excesso de água e, em seguida, imersos em uma proveta contendo água destilada (150 ml).

O volume deslocado da água corresponde ao volume do material. Logo após este processo, o material foi retirado da proveta e colocado em placas de Petri, para secagem completa em estufa, a 105 °C, por um período de 24 horas.

As amostras foram, então, retiradas da estufa e mantidas em dessecador para resfriamento, anteriormente à determinação das suas massas (massa seca). A densidade básica do material foi calculada utilizando-se a seguinte fórmula:

As observações anatômicas dos feixes vasculares foram realizadas por um microscópio óptico (Motic). Foram retiradas amostrar finas com estilete na seção transversal do material.

A morfologia das fibras de bambu foi investigada utilizando a microscopia eletrônica de varredura, objetivando a visualização das características da superfície destas fibras. Para tanto foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura (LEO EVO 40 XVP). A amostra foi submetida ao processo de metalização por sputtering, com deposição de um filme de ouro sobre a superfície das fibras.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A tabela 1 descreve as características físicas de umidade e densidade básica do colmo de bambu.

O valor encontrado para a densidade foi (0,41g/cm³). Esse valor, segundo Instituto de Pesquisa Tecnológica (6), caracteriza o bambu como material de baixa densidade (<0,50g/cm³). Para a produção de compósitos poliméricos são desejáveis matérias primas de menor densidade, pois gera produtos mais leves, promovendo desta forma ganho em processo logístico (7).

Segundo Liese (8), a massa específica básica é uma propriedade importante dos colmos de bambu e pode variar de 0,50 a 0,90 g/cm³, inclusive dentro de uma mesma espécie. Desta forma os resultados obtidos neste estudo estão dentro do intervalo estipulado por este autor. Essa diferença entre resultados está provavelmente relacionada com a utilização de espécies diferentes, posição de coleta, idade, condições edafoclimáticas na região do estudo, que influenciam diretamente nesta propriedade.

Em relação ao teor de umidade foi observado que o bambu recém cortado apresentou teor de umidade em torno de 72%. Segundo Beraldo e Rivero, (9), o teor de umidade de um colmo de bambu recém-cortado é de aproximadamente 80%. Este valor varia em função da idade e da posição escolhida para o corte para a amostragem além da época do ano em que foi cortado.

Na Figura 2, são apresentados os feixes fibrovasculares, no sentido transversal.

Como mostrado na figura 2 a maior concentração de feixes vasculares com menores diâmetros encontra-se próximo à casca (epiderme); próximo ao centro do colmo, observa-se menor concentração de feixes com maiores diâmetros. Essa tendência também foi citada por Rusch, Hillig, Ceolin (10). Segundo Janssen, (11), a maior concentração dos feixes de fibras ocorre na região próxima da casca, de coloração mais escura, conferindo maior resistência.  Em contrapartida, na região oposta, próximo ao centro do colmo, ocorre maior concentração de células de parênquima, de coloração mais clara, proporcionando menor resistência.

Segundo Tomazello Filho; Azzini, (12) a seção transversal do colmo de bambu é constituída por numerosos feixes fibrovasculares envolvidos por um tecido parenquimático fundamental que é constituído por: vasos, elementos crivados com células companheiras e cordões de esclerênquima formando os feixes fibrovasculares; e fibras, formando as bainhas das fibras.  A Figura 3 apresenta imagens de um conjunto de feixe vascular obtidas do microscópio ópticodo laboratório de nanotecnologia da Universidade Federal de Lavras.

A quantidade de fibras e tecido vascular e parenquimático é variável ao longo do colmo e entre espécies. As proporções desses tecidos podem interferir no aproveitamento dessas espécies, já que os colmos com uma maior quantidade de fibras e feixes vasculares são mais rígidos, pois estes constituem tecidos de sustentação (13). Além disso, se destinados à produção de celulose e derivados, materiais com quantidade elevada de fibras e tecido vascular apresentam um maior rendimento (14).

Para uso em materiais compósitos o tipo de fibra é de fundamental importância, pois esta é utilizada como reforço devido a suas características próprias como: elevada resistência à tração e alto módulo de elasticidade e em combinação com uma matriz distribui melhor tensão neste novo produto. Desta forma a escolha do tipo de fibra a ser usada na produção destes compósitos impacta diretamente as características final deste novo produto.

A Figura 4 mostra micrografia obtidas das fibras de bambu, onde as setas indicam a presença de componentes amorfos, como parênquima, ceras e outros resíduos graxos (impurezas). Essa mesma informação foi descrita por Gogoi et al. (15), que também observaram impureza sobre a superfície de bambu in natura. Segundo o mesmo autor, essas impurezas são ceras, lignina e hemicelulose.

Devido à presença destes componentes sobre a superfície da fibra de bambu, tratamentos (físicos, químicos, térmicos) devem ser realizados nestas fibras antes de sua incorporação em compósitos ou produção de papeis e nanopapers, pois podem comprometer as propriedades finais destes materiais.

CONCLUSÕES

A fibra estudada foi classificada como fibra de baixa densidade o que a torna um material promissor para a produção de compósitos pois gera produtos mais leves.

As fibras de bambu apresentaram sobre a sua superfície impurezas que devem ser retiradas antes da incorporação em compósitos ou fabricação de papel ou nanopapers.

Novos estudos devem ser realizados por meio de outras análises como: Composição química, anatômica, análise térmica, índice de cristalinidade para posterior avaliação quanto a sua utilização em novos materiais.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos o apoio da Fundação Cearense de Amparo ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico (FUNCAP) e ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e a Universidade Federal do Ceará. Este trabalho foi financiado pelo FUNCAP/CNPq sob Concessão (processo n° DCT-0182-00141.01.00/21 e 05803349/2022, edital FUNCAP/CNPq Nº 03/2021).

Agradecemos também a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG) e a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Piauí (FAPEPI).

REFERÊNCIAS

1. Yasin I, Haza ZH, Sutrisno W. Mechanical Properties of Bamboo as Green Materials to Reduce the Global Warming Effect, Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. 2018; 52; 46-54.
2. Yang T, Lee CH, Lee CJ, Cheng YW. Effects of different thermal modification media on physical and mechanical properties of moso bamboo. Construction and Building Materials, 2016; 110; 251-259.
3. SHARMA B, Gatoo A, Bock M, Mulligan H, Ramage M. Engineered bamboo: state of the art. Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Construction Materials. 2015;168, 2, 57–67, 2015.
4. Ghavami K; Marinho AB. Determinação das propriedades dos bambus das espécies: Mosó, Matake, Guadua angustifólia, Guadua tagoara e Dencrocalamus giganteus para utilização na engenharia. Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. 2001. 40.
5. Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR 7190:1997: Projeto de Estruturas de Madeira. Rio de Janeiro: Abnt, 1997.
6. Instituto de Pesquisas Tecnológicas. Madeira: o que é e como pode ser processada e utilizada. IPT; São Paulo; 1985.
7. Iwakiri S, Trianoski R. Painéis de madeira reconstituída. 2°ed. Curitiba: Fupef, 2020.
8. Liese W. The anatomy of bamboo culms. 18. ed. Beijing: Inbar; 1998.
9. Beraldo AL, Rivero LA. Bambu laminado colado. Floresta e Ambiente. 2003; 10; 2; 36-46.
10. Rusch F, Hillig E, Ceolin, GB. Anatomia de hastes adultas de bambu: uma revisão. Pesquisa Florestal Brasileira. 2018; 38; 1-10.
11. Janssen JJA. Designing and building with bamboo. Beijing:Inbar. 2000; 211. (Technical report, 20).
12. Tomazello Filho M; Azzini, A. Estrutura anatômica, dimensões das fibras e densidade básica de colmos de Bambusa vulgaris Schrad. IPEF. 1987; 36, 43- 50.
13. Liese W. Structures of a bamboo culm affecting its utilization. In: Proceedings of International Workshop on Bamboo Industrial Utilization. 2003.
14. Foelkel CEB. Qualidade da madeira de eucalipto para atendimento das exigências do mercado de celulose e papel. In: Conferência IUFRO sobre Silvicultura e Melhoramento de Eucaliptos. 1997; 15-22.
15. Gogoi, R. Kumar N, Mireja S, Ravindranath SS, Manik G, Sinha S.Effect of Hollow Glass Microspheres on the Morphology, Rheology and Crystallinity of Short Bamboo Fiber-Reinforced Hybrid Polypropylene Composite. The Minerals, Metals & Materials Society. 2019. 71; 2.