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TÍTULO: SISTEMA DE ISOLAMENTO TÉRMICO DE BAIXO CUSTO UTILIZANDO A PALHA DO MILHO CATEGORIA: CONCLUÍDO
ÁREA: CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA SUBÁREA: Engenharias
INSTITUIÇÃO: CENTRO UNIVERSITÁRIO ANHANGUERA DE NITERÓI - UNIAN-RJ AUTOR(ES): GABRIEL CAMPOS CORDEIRO
ORIENTADOR(ES): AMAURY DA MOTTA FIGUEIRA
1. RESUMO
Após avaliação de modelos de sistema de isolamento utilizando diferentes composições de fibras (etc) o objetivo deste trabalho foi apresentar resultados experimentais, obtidos da análise de desempenho térmico do material confeccionado, a partir de uma matriz vegetal, a palha do milho, cuja finalidade é a obtenção de suas propriedades térmicas. Os materiais estudados foram: casca de soja, bagaço da cana e a palha de milho. O comportamento térmico desses materiais foi experimentalmente avaliado com uma metodologia validada, recorrendo a um dispositivo específico concebido de modo a permitir o teste desses materiais granulados. Os principais resultados obtidos, como a densidade e a condutibilidade térmica de cada material estudado, são apresentados e comparados com valores conhecidos. Para os materiais testados foi encontrado um interessante comportamento de isolamento térmico, tornando-os assim termicamente eficientes. O ser sustentável passou a ser um conceito prioritário de forma seja possível adaptar novos materiais naturais alternativos, não esgotáveis, renováveis e mais amigos do ambiente, sem comprometer os stocks de recursos naturais para as gerações vindouras.
2. INTRODUÇÃO
A partir da demanda mundial pelo uso de materiais alternativos mais eficientes e menos impactantes, a utilização de recursos materiais renováveis, os quais não agridem o meio ambiente e representam uma fonte alternativa de grande potencial econômico, tornou-se vital para a sobrevivência das grandes indústrias em um mercado globalizado e competitivo (SILVA, 2003b).
Uma vez que o Brasil é o terceiro maior produtor de milho no mundo, grande parte destes resíduos pode ser aproveitado como ativo econômico. Observando que grande parte da palha produzida está sendo descartada. Nesse contexto, como fonte alternativa para o sistema de isolamento térmico, a utilização desse material pode resultar na diminuição das queimas que vem trazendo maiores danos ao meio ambiente. Dessa forma, existe outro ponto significativo, que é a reutilização de um material de baixo custo para ser utilizado na construção civil, como isolamento térmico.
Dentre os ramos da atividade humana, o setor da construção civil é um dos ramos que mais exigem recursos e esforços de nosso planeta. Segundo a Agenda 21, um dos resultados da Eco-92, conferencia que aconteceu no Rio de Janeiro em 1992 para a Construção Sustentável, nos países industrializados a construção consome
cerca de 50% dos recursos naturais, produzindo 50% dos resíduos, absorvendo 40%
da energia e produzindo cerca de 30% das emissões de CO2. Só as edificações são responsáveis por 42% do consumo de energia elétrica, sendo a maior parte devido aos sistemas mecânicos de climatização utilizados para reduzir os efeitos da carga térmica solar, principalmente em regiões de baixa latitude, que é o caso do nordeste brasileiro, onde cerca de 70% da carga térmica em habitações provém da radiação solar ocidente sobre coberturas (HENRIQUES, 2007, E MASCARO et al, 1988).
Os isolantes térmicos comumente utilizados são as fibras sintéticas lã de vidro e lã de rocha, como também o tecido de amianto (à base de fibra mineral), poliuretano (PU - à base de pólio) e PVC (Policloreto de Vinila), e a maior parte do emprego desses isolantes se dá na cobertura da estrutura. A principal finalidade desses materiais é economizar energia através da diminuição do processo de transferência de calor no ambiente construído.
3. OBJETIVO
Como objetivos na proposição do uso da palha de milho, destaca-se: mostrar um modelo alternativo de isolante térmico de baixo custo, com a reutilização da matéria-prima, a palha do milho; conhecer, segundo o levantamento bibliográfico, as vantagens da palha do milho como isolante térmico na construção civil; representar, segundo os modelos internacionais, a sua capacidade térmica; analisar na literatura as diversas fases de sua utilização e seus devidos tamanhos de manejo.
4. METODOLOGIA
Para a construção desse projeto acadêmico, utilizou-se análises da composição química da palha de milho, pelo fato de ser constituída basicamente por celulose, hemiceluloce e lignina, considerada, então, uma fibra natural do tipo lignocelulósica, tornando-se importante o conhecimento de sua composição química.
A palha de milho obtida na fazenda Bom Jardim Colombo, no município de Araguari, utilizada na obtenção das hemiceluloses, foi previamente lavada com água destilada, secada a 50 °C por 24 horas e armazenada à temperatura ambiente. Materiais utilizados: hidróxido de potássio, hidróxido de sódio, etanol 98 %, ácido acético glacial, ácido clorídrico, dimetilsulfóxido, cloreto de 2,3-epoxipropiltrimetilamônio e o clorito de sódio.
Para análise, utilizou-se procedimentos baseado no conceito empírico de Salazar. Teor de extrativos, segundo Salazar et al,. (2005): 10,0 g da palha de milho triturada foram colocadas em um cartucho de papel e extraídas em Soxhlet, utilizando- se como solvente 600 mL de uma mistura de água: etanol 98 % (1/1 v/v). A extração foi realizada durante 6 horas, sob refluxo, e, ao término da extração, a palha de milho foi deixada em estufa a 50 °C até massa constante, calculando-se assim a porcentagem de extrativo. Cinzas, segundo Salazar et al., (2005): 1,0 g da palha de milho pré-extraída com etanol e água foi colocado em um cadinho de porcelana, previamente tarado, e deixado 12 em mufla a 800 °C por 35 min. Ao resfriar o cadinho, foi medida a massa resultante da calcinação e calculada a porcentagem de cinzas resultante.
5. DESENVOLVIMENTO
5.1 Isolação Térmica e Suas Variações
O uso sustentável dos recursos energéticos vem tomando um novo sentido, um pouco diferente do utilizado há algumas décadas, pois nunca o setor industrial se preocupou tanto com o desperdício de energia. Este sentimento é partilhado pelos mais diversos setores da sociedade, que passam a exigir uma utilização racional da energia, buscando meios de evitar perdas ou formas de transferência com a máxima eficiência.
Quando se pensa em energia, rapidamente surge a ideia de eletricidade.
Embora seja elemento fundamental, a eletricidade não é a única forma de energia útil para a sociedade. Eletricidade e calor já se relacionavam em experimentos que envolviam o calor produzido pela corrente elétrica, desenvolvidos por James P. Joule, em 1840. Em 1847 ele mostrou que o calor é também uma forma de energia (enunciando a 1ª lei da termodinâmica) (COVOLAN, 2003).
Isso significa que um sistema que perde calor para o meio em sua volta está perdendo energia. Para evitar essas perdas de calor, é necessária a utilização de materiais adequados, com boas propriedades físicas, diretamente relacionadas com mudanças de temperatura (SANTOS, 2004).
Com ampla aplicação na engenharia, os isolantes térmicos são selecionados em função de aspectos que variam de econômicos até funcionais e inclusive de segurança. A função primária de um isolante térmico é reduzir a taxa de transferência de calor entre um sistema e o meio, de modo que a energia possa ser conservada.
Para isso, partes dos sistemas térmicos devem ser revestidas com material que possua propriedades e espessuras tais que a temperatura se mantenha dentro de um determinado intervalo (Torreira, 1980).
5.2 Isolantes Naturais e Sua Capacidade de Resistência
Muito se estuda a questão da reciclagem, que é um fator econômico na reinvenção e na sustentabilidade quando o assunto trata de resíduos. Nas últimas décadas, as empresas ligadas ao ramo da construção civil têm-se preocupado em debater a necessidade do reuso de materiais, sendo que alguns são ramos provenientes da agroindústria. São alternativas para resolver problemas pertinentes à área de isolamento térmico na construção civil.
A palha do milho possui muitas propriedades que a deixam mais atraente que outros materiais usados na construção civil. Alguns exemplos são: o baixo consumo de energia para seu processamento, a alta resistência específica, as boas características de isolamento térmico, além de se tratar de um material muito fácil de ser trabalhado manualmente ou por máquina.
De acordo com Neira e Marinho (2005), as fibras naturais vegetais estão sendo amplamente empregadas no isolamento térmico, já que apresentam uma estrutura com, normalmente, inúmeros espaços vazios, o que reduz a condutividade térmica da fibra, melhorando o seu emprego como isolante.
Essas fibras apresentam enorme vantagem em relação às comumente utilizadas fibras sintéticas. Salazar (2006) coloca como vantagens das fibras naturais, em comparação com as sintéticas, a sua densidade e abrasividade baixas, o consumo de energia e custos baixos, a toxidade, biodegradável, reciclável, altas propriedades de resistência mecânica específica, geração de empregos rurais e excelentes propriedades termo acústicas.
Vários outros materiais naturais secos como o algodão, a casca do arroz, o bagaço da cana, o capim e o sisal podem ser utilizados para isolamento. Os autores destacam que todos esses materiais podem ser encontrados no meio rural, de forma bastante acessível (SANTOS E NASCIMENTO FILHO, 2002b).
Além dessas, Silva (2003b) descreve como vantagem das fibras naturais o fato de estas serem abundantes e de rápida renovação. Também descreve algumas das vantagens das fibras naturais. São elas: a não uniformidade de propriedade que está diretamente ligada à origem das fibras, da região de plantio e da habilidade manual
durante a colheita, assim como a alta absorção de umidade da fibra, que pode ocasionar o inchaço desta após a aplicação como isolante.
O aproveitamento da palha do milho tem sido algo vantajoso, não apenas pela sua qualidade técnica, mas também apresenta altíssima resistência e de fácil manuseio, que dispensa inclusive qualquer tipo de tratamento.
5.3 Características da Palha de Milho
As características da palha do milho são muito influentes na sua utilização. Os vegetais são constituídos por células que possuem características específicas para eles. Tais células formam os tecidos vegetais, tais como: parênquima, colênquima, xilema, floema, epiderme, periderme e o tecido secretor (Raven et al., 2001).
Os polímeros naturais possuem hidroxilas que podem sofrer reações de esterificação, oxidação e outras reações, como, por exemplo, hidrólise e reduções.
Alguns exemplos de derivados produzidos com a celulose ou com a hemicelulose aparecem na literatura: derivados metílicos (Vieira et al., 2007a; (Fang et al., 2002), catiônicos (Biswas et al., 2010; Ren et al., 2007a; Seong e KO, 1998) e acetilados (Rodrigues Filho et al., 2009; Meireles et al., 2010), dentre outros.
5.4 Propriedades Térmicas
Os conceitos apresentados e discutidos neste trabalho, sobre o tema desenvolvido mediante a pesquisa, são de extrema importância, porque seus resultados de análise e desempenho mostram diferentes formas. As propriedades térmicas desta pesquisa são relevantes à capacidade calorífica e à difusividade térmica. Ambas detalhadas a seguir. Essa propriedade tem sua importância a fim de
caracterizar termicamente um material, para que se defina como bom ou mal isolante.
Os bons isolantes, em geral, são porosos, para que as camadas de ar fiquem presas em seu interior, onde a maior parte de sua transferência de calor será feita por condução. Mas radiação e convecção ainda são atuantes, com valores, em algumas das vezes ou na maioria delas, desprezíveis. (CHAGAS, 2007).
5.5 Capacidade Calórica
A capacidade calórica tem como definição o produto da massa, assim como o resultado pelo calor específico, de maneira que a massa de determinado material podará ser definida como o produto da massa específica pelo volume, lembrando que
é possível chegar a uma definição da capacidade calórica a partir do volume. Com esse resultado, chegamos a conhecer o valor da massa específica e do calor específico de um determinado material. O calor específico de uma determinada substância é a quantidade de energia térmica necessária para aumentar a temperatura de um corpo em grau Celsius por unidade de massa.
Através do exposto acima, é possível constatar que a isolação térmica é essencial para um conforto térmico no interior das habitações. Pereira (2004) realizou uma pesquisa em oito cidades, com entidades ligadas ao setor da construção civil (75 ao todo), e constatou que isolamentos térmicos e acústicos são considerados os fatores mais importantes no ato da decisão da escolha de um imóvel. A temperatura no interior das estruturas depende das diversas variáveis. Isso está relacionado com as propriedades térmicas das estruturas do ambiente, tais como: paredes, coberta, janelas, condições climáticas de temperatura, direção e velocidade dos ventos, umidade e até com as questões antropológicas, número de indivíduos em um ambiente, tempo de permanência, dentre outros.
5.6 Difusividade Térmica
A difusividade térmica é uma medida da rapidez com a qual o calor se propaga através de um material. A difusividade térmica mede a relação entre a capacidade de o material conduzir energia térmica e a capacidade de acumular energia térmica.
Materiais com a difusividade grande respondem rapidamente às variações do ambiente térmico, em que uma alta difusividade implica um aquecimento mais rápido e uma homogeneização do gradiente de temperatura sob o material também mais rápido, quando comparado a um corpo com baixa difusividade (ANDRADE, 2004a).
6. RESULTADOS E DISCUSSÃO
6.1 Composição Química da Palha de Milho
A composição química da matéria-prima é um parâmetro de grande importância para os processos de polpação. Os teores de holocelulose estão relacionados ao rendimento do processo, enquanto os teores de lignina e extrativos totais, que são considerados constituintes indesejáveis durante o processo de produção de celulose, se relacionam com a quantidade de sólidos gerados e a demanda de carga alcalina para se atingir determinados níveis de deslignificação (COSTA, 2011).
A Tabela 1 mostra a composição química da matéria-prima estudada neste mesmo trabalho.
Palha de Milho Estrativos
Totais (%)
Lignina Insolúvel
(%)
Lignina Solúvel
(%)
Lagnina Total (%)
Holocelulose (%)
Cinzas (%)
Media 17,22 9,41 3,36 12,77 69,37 0,64
Desvio Padrao
0,14 0,16 0,10 3,31 - 0,03
Tabela 1. Composição química da palha de milho (Zea mays L.)
O teor de extrativos encontrado na palha de milho foi mais baixo do que o encontrado para o mesmo material no estudo de Salazar et al. (2005), que obteve o valor do teor de extrativos igual a 28,53%. Em comparação com outras monocotiledôneas, comparado à cana de açúcar (em que o teor de extrativo oscilou entre 1,3% e 1,6%), valores encontrados por Santos (2014) foram expressivamente menores. De acordo com Costa (2011), elevados teores de extrativos no material vegetal constituem um fator negativo, pois estão relacionados à formação de incrustações resinosas do tipo “pitch” (problemas processuais relativos aos extrativos) em tubulações; também se relacionam com o consumo de álcali durante o cozimento (SMOOK, 1997 apud BALLONI, 2009).
O valor percentual de lignina total constituinte da palha de milho condiz com o valor encontrado para gramíneas, presente no trabalho de Morais et al. (2005), em que o teor de lignina varia entre 11% e ± 3% para espécies da família Poaceae. O teor de lignina encontrado no presente trabalho ficou abaixo do encontrado no trabalho com palha de milho, de Salazar et al. (2005), onde o teor de lignina foi de 14,14%, assim como em relação aos teores presentes em coníferas (que variam entre 28% e
± 2%), e folhosas (que variam entre 20% e ± 4%), de acordo com Klock et al. (2005).
O baixo teor de lignina encontrado neste estudo é algo positivo para a palha de milho, pois há uma demanda menor de agente deslignificante no processo de polpação, o que o torna menos oneroso.
Em relação ao trabalho de Salazar et al. (2005), a palha de milho, em seu estudo, apresentou teor de holocelulose inferior (igual a 57,49%) ao material do presente estudo. Em relação a outras monocotiledôneas, o material de estudo apresentou valor médio do teor de holocelulose maior que a casca do coco verde (46,84%), Cardoso (2012) e menor que a cana-de-açúcar (que oscilou de 75% a 80%).
Quanto maior for o teor de holocelulose e menor forem os teores de lignina e extrativos, maior será o rendimento da polpa produzida.
O teor médio de cinzas apresentado pela palha de milho foi inferior ao encontrado para o mesmo material de Salazar et al. (2005), que foi de 1,52%. De acordo com Barrichelo e Brito (1979), o teor de cinzas da madeira é bastante baixo, sendo geralmente menor que 1% em peso. No estudo com Eucalyptus grandis, de Silva et al. (1986), o teor de cinza encontrado foi de 0,23 %. Este constituinte químico da palha parece não apresentar problemas maiores na produção de celulose com este material.
7. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Após a fundamentação sobre o tema, tendo como base obtida através dos estudos de pesquisas, foi possível concluir que a palha de milho como isolante térmico mostrou-se comparável a isolantes térmicos já conhecidos comercialmente, sendo esses empregados em larga escala, como a lã de rocha e a lá de vidro. O compósito isolante (palha de milho), além da possibilidade de assumir qualquer formato, também apresenta uma boa resistência mecânica, tendo suas proporções estudadas entre as variações de (10%, 15% e 20%), em que apresentaram um desempenho térmico satisfatório, com uma eficiência tão boa quanto o isolante amplamente empregado no mercado.
Toda a pesquisa teve como objetivo contribuir para a melhoria no compósito utilizando concentrações variadas da palha de milho, a fim de ser utilizada na construção civil, ampliando a possibilidade de materiais inovadores de baixo custo serem aceitos comercialmente como isolantes térmicos. Vale salientar que um isolante não é utilizado apenas para evitar que o calor penetre em determinado ambiente. O isolante tem o mesmo propósito de evitar que o calor venha a ser disperso do ambiente. De posse desse resultado, provavelmente é possível fazer uma análise do material compósito isolante, com mais detalhes, e assim definir quais os seus limites de aplicabilidade e segurança.
Em síntese, conclui-se que a matéria-prima analisada nesta pesquisa obteve níveis de isolamento térmico compatíveis com os já existentes, mas com um custo mais baixo e com a vantagem da biodegradabilidade superior. Embora todos esses resultados mostrados nesta pesquisa cumpram com os objetivos que foram pesquisados, o trabalho não está acabado. É imprescindível uma análise em etapas futuras para obter resultados mais profundos sobre suas propriedades térmicas, mecânicas e ataques de agentes externos, a fim de obter classificação como material de isolação térmica em uso comercial.
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