Influence of extraction methods on the mechanical properties, statistical homogeneity, and moisture regain of Hyphaene thebaica petiole fibers for composite reinforcement

Na busca por materiais que sejam mais gentis com o planeta, os cientistas estão voltando cada vez mais para longe das fibras sintéticas feitas de combustíveis fósseis e procurando, em vez disso, no mundo natural. As plantas há muito oferecem uma alternativa renovável, mas usá-las em produtos fortes e duráveis, como peças de carros ou painéis de construção, não é tão simples quanto colher um caule e tecê-lo. As fibras naturais são complicadas; elas são feitas de paredes celulares de plantas que adoram absorver água, o que pode enfraquecê-las e fazer com que inchem ou encolham. Além disso, como crescem na natureza, não existem duas fibras exatamente iguais, tornando difícil prever como um feixe delas resistirá sob estresse. Para tornar esses materiais úteis, os pesquisadores devem encontrar a melhor maneira de limpá-los e prepará-los, um processo que remove as partes moles e não fibrosas da planta para revelar as cordas resistentes e de suporte de carga no interior. O método usado para realizar essa limpeza pode mudar drasticamente o quão forte a fibra é, o quanto de água ela absorve e a consistência de seu desempenho de uma peça para a outra.

Em um estudo recente, pesquisadores em Camarões investigaram um tipo específico de palmeira, a palmeira doum, que cresce abundantemente nas regiões secas e arenosas do Sahel. Embora a árvore seja bem conhecida por seus frutos e folhas, seus caules rígidos, ou pecíolos, são frequentemente deixados para trás como resíduo. A equipe queria ver se esses caules poderiam ser transformados em um reforço útil para compósitos à base de plástico, mas primeiro, precisavam determinar a melhor maneira de extrair as fibras. Eles testaram três métodos de limpeza diferentes: um processo biológico tradicional onde os caules são mergulhados em água, um segundo método biológico onde eles são enterrados no solo, e um método químico usando uma solução alcalina forte. Ao comparar os resultados dessas três abordagens, os pesquisadores visavam encontrar um equilíbrio entre força bruta, resistência à umidade e a confiabilidade do material.

A equipe começou preparando as fibras usando cada uma das três técnicas. Para o método da água, eles submergiram os caules limpos em um tanque de água destilada por trinta dias, permitindo que micróbios naturalmente existentes decompusessem o tecido mole que mantém as fibras unidas. Para o método do solo, eles enterraram os caules em terra úmida por trinta e cinco dias, contando com as bactérias e fungos que vivem no solo para realizar um trabalho semelhante. Finalmente, para o método químico, eles trataram os caules com uma solução aquecida de hidróxido de sódio, um álcali comum, por uma hora. Este banho químico remove agressivamente os componentes não fibrosos, incluindo ceras e certos açúcares vegetais, para deixar para trás a estrutura pura de celulose. Após a extração, cada lote de fibras foi seco e cuidadosamente testado para medir quanta força elas poderiam suportar antes de quebrar, o quanto elas esticam e quanta água absorvem do ar.

Os resultados revelaram que o tratamento químico produziu as fibras mais fortes. As fibras tratadas com álcali puderam suportar uma tensão máxima de 47 megapascais, uma medida de força por área, o que é significativamente maior do que os outros dois métodos. Este aumento de força vem do banho químico removendo as partes mais moles e amorfas da parede celular da planta, deixando para trás uma estrutura mais cristalina e densamente compactada. No entanto, esta força veio com uma compensação: estas fibras eram menos flexíveis e quebravam mais abruptamente do que as outras. Em contraste, as fibras extraídas pelo mergulho em água foram as mais flexíveis, esticando cerca de 2,5 por cento antes de romper, mas também foram as mais fracas, falhando em torno de 36 megapascais. As fibras enterradas no solo ofereceram um meio-termo, com uma força de cerca de 43 megapascais e uma flexibilidade que ficava entre os outros dois grupos.

Além de quão fortes as fibras eram, os pesquisadores observaram quão consistentes eram as propriedades ao longo de todo o lote de amostras. Na engenharia, um material é tão bom quanto o seu elo mais fraco, portanto, saber o quanto a força varia de uma fibra para a outra é crucial. A equipe utilizou uma abordagem estatística para medir essa consistência. Eles descobriram que as fibras enterradas no solo eram as mais uniformes. Quer estivessem medindo sua força ou sua rigidez, as fibras extraídas do solo mostraram a menor quantidade de variação, o que significa que eram as mais previsíveis e confiáveis. As fibras tratadas quimicamente, embora fossem as mais fortes, mostraram mais variação em sua força e rigidez, sugerindo que o ataque químico não foi perfeitamente uniforme em cada fibra individual. As fibras extraídas pela água ficaram em algum lugar no meio em termos de consistência.

A resistência à umidade provou ser outro fator crítico. Como as fibras naturais são feitas de material vegetal, elas naturalmente atraem água, o que pode fazer com-las inchar e enfraquecer ao longo do tempo. O estudo mostrou que o tratamento químico foi o mais eficaz em reduzir este problema. As fibras tratadas com álcali absorveram a menor quantidade de água, absorvendo apenas cerca de 13,9 por cento de seu peso em umidade. Isso ocorre porque o processo químico removeu muitos dos componentes da planta que são mais atraídos pela água. As fibras extraídas pela água absorveram a maior quantidade, quase 14,7 por cento, provavelmente porque o processo suave de imersão deixou mais desses componentes que amam a água intactos. As fibras extraídas pelo solo tiveram um desempenho intermediário, absorvendo cerca de 14 por cento.

Quando os pesquisadores pesaram todos esses fatores, um quadro claro surgiu para o uso dessas fibras. Se o objetivo é criar um material compósito que necessite de força máxima e resistência à umidade, o tratamento químico é a escolha superior, apesar da ligeira inconsistência nas propriedades das fibras. Se a prioridade é ter um material que se comporte de forma muito previsível e confiável sob estresse, o método de enterramento no solo oferece o melhor equilíbrio entre força e uniformidade. O método da água, embora produza as fibras mais flexíveis, resulta em um material que é mais fraco e mais propenso a absorver água, tornando-o menos adequado para aplicações estruturais exigentes. Em última análise, o estudo confirma que a palmeira doum é um recurso promissor para materiais sustentáveis, mas o caminho para usá-la depende inteiramente de quais propriedades específicas são mais importantes para o produto final. A escolha de como limpar a fibra não é apenas uma etapa do processo; é o fator decisivo no desempenho futuro da fibra.