Fi FIBRAS Determinación de algunas propiedades térmicas de la fibra de paina La fibra de paina es una fibra natural de origen vegetal proveniente del fruto de la especie Chorisia Speciosa St. Hil, un árbol de procedencia de América del Sur. Si bien hoy en día esta fibra es poco utilizada, los resultados recogidos en el presente artículo muestran que posee unas buenas características coo aislante térmico en determinadas condiciones. De ahí que el principal objetivo del presente trabajo sea determinar la capacidad calorífica y la conductividad térmica de la fibra, ya que estas propiedades térmicas son muy importantes en la evaluación de este material como aislante térmico. E. Fontana, J. H. Palacio Revello Curso de Engenharia Química UNOCHAPECÓ (Brasil) S.C. Amico Dpto. de Engenharia de Materiais UFRGS (Brasil) 100 Ingeniería Química Desde hace varios siglos, diversas fibras naturales vienen siendo utilizadas en aplicaciones relacionadas con la transferencia de calor, debido a sus excelentes propiedades como aislantes térmicos. De modo general, un material fibroso puede ser definido como una clase de material compuesto por fibras cuya longitud puede ser alrededor de 100 μm, con una relación de longitud a diámetro de la fibra mayor que 10:1 [1]. La paina es una fibra natural de origen vegetal proveniente del fruto de Chorisia speciosa St Hil, un árbol de gran tamaño que pertenece a la familia de las bombacáceas. El árbol de paina se encuentra frecuentemente en regiones forestales mesófilas entre latitudes 12°S a 30°S, en Argentina, Paraguay y Brasil [2]. Actualmente, la paina posee un bajo valor agregado, siendo utilizada, principalmente, como material de relleno de almohadas, colchones y flotadores usados en barcos. La madera del árbol de paina puede ser utilizada en canoas, tacones de zapatos, producción de cajas y, en general, en la fabricación de pasta de celulosa [3]. El uso de la fibra en relación a sus propiedades térmicas todavía es bastante limitado, no encontrándose todavía ningún trabajo a escala industrial que la use como aislante térmico. De esta manera, este trabajo tiene como objetivo básico determinar, principalmente, dos propiedades térmicas de la fibra de paina: la conductividad térmica y la capacidad calorífica. A partir de los resultados encontrados será posible realizar una evaluación del uso de esta fibra como aislante térmico. Estudios realizados por Annunciado et al. [4] muestran que la fibra presenta un excelente desempeño como absorbente de aceites, principalmente los derivados del petróleo. En [4], los autores compararon el desempeño de la fibra de paina con otras fibras vegetales, siendo la paina la que mostró una mayor eficiencia en procesos de adsorción de petróleo. La relación entre la capacidad de adsorción y la estructura de la fibra fue evaluada en [5], permitiendo concluir que, debido a la composición química y a la estructura de la misma, la paina presenta un carácter hidrófobo y una elevada afinidad por el petróleo y los aceites derivados. Otros estudios relacionados Nº 494 Determinación de algunas propiedades térmicas de la fibra de paina Figura 1 pueden ser vistos en [3 y 6]. Cuando la fibra es colocada en contacto con agua forma un hidrogel. Los aspectos biológicos y estructurales de ese hidrogel fueron investigados en [7]. Representación esquemática del experimento para la determinación de la conductividad térmica 1. Procedimiento experimental Para la determinación del calor específico fue utilizado un calorímetro diferencial (DSC), mientras que para la evaluación de la conductividad térmica fue utilizado un procedimiento experimental basado en la determinación previa del flujo de calor, siendo empleada en este caso la ley de Fourier. A continuación son descritos de manera breve los experimentos realizados. 1.1. Determinación del calor específico El calor específico, también conocido como capacidad calorífica, está directamente relacionado con la capacidad que tiene el material de absorber calor de una fuente externa, aumentando de manera consecuente su temperatura. La capacidad calorífica puede ser escrita matemáticamente a través de la expresión (1): 1 En la anterior expresión, dQ es la energía necesaria para provocar una variación de temperatura dT [9]. Esa propiedad puede ser determinada a presión constante (Cp) o a volumen constante (Cv). Es conveniente recordar que en los sólidos los valores de esas dos propiedades son iguales. Para determinar la capacidad calorífica fue utilizado un calorímetro diferencial (DSC), de la marca TA Instruments, modelo 2010. Esta técnica termo-analítica evalúa la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de la muestra evaluada. 1.2. Determinación de la conductividad térmica La conductividad térmica es la propiedad que caracteriza la capacidad de un material de conducir calor. A través de esta propiedad están relaMayo 2011 cionados el flujo de calor y el gradiente de calor, como se muestra en la ecuación (2): 2 El material fibroso fue puesto en un recipiente colocado en un baño maría, con el objetivo principal de estar suministrando calor de forma homogénea para el interior del mismo, como se muestra en la figura 1. En los diversos experimentos fue evaluada la temperatura del fluido en contacto con la superficie inferior del recipiente en el cual se encontraba el material fibroso, y de la superficie superior de la fibra, como se muestra en la figura. En estas condiciones, el flujo de calor es considerado como unidireccional, siendo dado por: 3 La capacidad calorífica aumenta alrededor de tres veces en el intervalo de temperatura comprendido de 0º a 120ºC Utilizándose materiales con conductividad térmica conocida, es posible determinar la variación del flujo de calor en función de la variación de temperatura en los puntos detallados en la figura 1. Para estudiar la conductividad de la fibra de paina, se colocó la misma dentro de un recipiente con tres grados de compactación: 10, 20 y 40kg/m3. 2. Discusión de resultados 2.1. Capacidad calorífica A través de los resultados obtenidos por medio de las técnicas de calorimetría (DSC), fue posible establecer una relación entre la capacidad calorífica de la fibra de paina húmeda y seca con la temperatura. La relación que se muestra en la figura 2 permite visualizar una fuerte influencia de la temperatura sobre la capacidad calorífica. Como era de esperar, la temperatura influencia de manera positiva la capacidad calorífica, aumentando el valor de esta propiedad alrededor de tres veces en el intervalo de temperatura comprendido de 0º a 120ºC. La forma como la energía es absorbida en la mayor parte de los sólidos es a través del aumento de la energía de vibración de los átomos, que puede ser entendido a través de la propagación de ondas elásticas en un material. La energía térmica del material consiste en una serie de estas ondas elásticas que vibran de manera más intensa, a medida que la temperatura aumenta. De acuerdo con Callister [9], para bajas temperaturas, la capacidad calorífica posee una dependencia cúbica en Ingeniería Química 101 fibras Figura 2 Variación de la capacidad calorífica de la fibra de paina en función de la temperatura flujo de calor es presentada a través de la ecuación (7), confirmando el comportamiento lineal: 7 relación a la temperatura, permaneciendo básicamente constante para temperaturas superiores a la temperatura de Debye (µD). Esa relación fue confirmada a través de los diversos experimentos, obteniéndose coeficientes de regresión próximos a 1, tanto para la fibra seca, como para la fibra húmeda. Las ecuaciones de tercer grado para la capacidad calorífica de la fibra de paina húmeda y seca en función de la temperatura se presentan a través de (4) y (5): 4 Fibra húmeda 5 Fibra seca La influencia de la humedad también puede observarse en la fi- gura 2. Para temperaturas inferiores a 70ºC, la humedad prácticamente no presenta una influencia sobre el calor específico, y para temperaturas mayores de 70ºC y hasta los 120ºC, la influencia de la humedad es más significativa sobre el calor específico. A partir de la figura es posible visualizar valores menores de Cp para la fibra húmeda, tal vez ocasionados por la transferencia de masa de agua del interior para la superficie de la fibra, teniendo influencia, de esta forma, en la capacidad calorífica de la fibra. 2.2. Conductividad térmica Los resultados obtenidos muestran una dependencia lineal del flujo de calor en función de la temperatura. En este caso puede considerarse que el flujo de calor depende de dos fenómenos: la conducción y convección de calor a través de la fibra, como se muestra en la ecuación (6): 6 La paina posee unas buenas características como aislante térmico para densidades de paquetes superiores a 20 kg/m3 102 Ingeniería Química En la anterior expresión, la derivada dT/dx representa la diferencia de temperatura entre la base del material y del agua dentro del recipiente inferior, mostrado en la figura 1. Para el intervalo de temperatura estudiado, la ecuación que describe el Para la determinación de la conductividad térmica fueron realizados ensayos experimentales por triplicado (ensayos: I, II y III) a diversas temperaturas y tomándose en consideración el flujo de calor obtenido a través de la ecuación (7). En estos ensayos fue utilizada fibra de paina húmeda con diferentes grados de compactación (10, 20 y 40 kg/m3) dentro del recipiente mostrado en la figura 1. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 3. Puede notarse que, para los tres valores de densidad del paquete dentro del recipiente, la conductividad varía rápidamente y de manera lineal entre 20 y 40ºC. En temperaturas superiores a los 40ºC y hasta los 65ºC, la conductividad térmica se torna prácticamente independiente de la temperatura, presentando un valor constante para los tres grados de compactación estudiados. En el experimento con un menor grado de compactación de la fibra (10 kg/m3, Figura 3(a)), la conductividad térmica presentó valores relativamente altos en comparación con otros aislantes térmicos usualmente utilizados en la industria (0,025 – 0,04 W/m.K), y en los otros dos experimentos (Figs. 3(b) y 3(c)), los valores obtenidos de la conductividad térmica son bastante satisfactorios, oscilando en torno de 0,03 W/m.K. 3. Conclusiones En este trabajo fueron determinadas la capacidad calorífica y la conductividad térmica de la fibra de paina extraída del fruto de la especie Chorisia Speciosa St. Hil. La capacidad calorífica fue evaluada con el uso de un calorímetro diferencial (DSC), mientras que para la evaluación de la conductividad térmica fue propuesta una metodología experimental basada en la ley de Fourier. Los resultados muestran que la paina posee unas buenas características como aislante térmico en el intervalo de temperatura estudiado y densidades Nº 494 Determinación de algunas propiedades térmicas de la fibra de paina Figura 3 Variación de la conductividad térmica con la temperatura para las densidades de paquete estudiadas: (a) ρ = 10 kg/m3, (b) ρ = 20 kg/m3 y (c) ρ = 40 kg/m3 Figura a Los resultados muestran una dependencia lineal del flujo de calor en función de la temperatura de paquetes superiores a 20 kg/m3. La utilización de la fibra en procesos efectuados a temperaturas inferiores a los 40oC también es interesante y puede justificarse desde el punto de vista de los bajos coeficientes de difusión térmica obtenidos a bajas temperaturas. Es interesante mencionar que, como se trata de una fibra natural, las ventajas de estar utilizando este material como aislante térmico serían grandes desde el punto de vista ambiental, pues, en el caso de descarte de la fibra en un proceso, ésta degradaría fácilmente. Referencias [1] MITCHELL, B. S., An Introduction to Materials Engineering and Science, John Wiley and Sons, New Jersey: 2004. Figura b [2] SOUZA, L. M. F. I., KAGEYAMA, P. Y. K. e SEBBENN, A. M., Sistema de Reprodução em População Natural de Chorisia Speciosa A. St. Hil. Revista Brasileira de Botânica, Vol. 26, n. 1, p. 113-121, 2003. [3] ANNUNCIADO, T. R., Estuda da Chorisia Speciosa e Outras Fibras Vegetais como Sorventes Para o Setor de Petróleo. Dissertação de Mestrado, Universidade Federal do Paraná, Programa de Pós-Graduação em Engenharia. Curitiba - PR: 2005. [4] ANNUNCIADO, T. R., SYDENSTRICKER, T. H. D. e AMICO, S. C., Avaliação da Capacidade de Sorção de Óleo Crú de Diferentes Fibras Vegetais. 3º Congresso Brasileiro de P & D em Petróleo e Gás, Salvador: 2005. [5]. ANNUNCIADO, T. R., SYDENSTRICKER, T. H. D. e AMICO, S. C., Utilização da Fibra de Chorisia Speciosa como Sorvente de Óleo Cru. Parte II: Caracterização da _bra X Capacidade de Sorção.3º Congresso Brasileiro de P & D em Petróleo e Gás, Salvador:2005. [6] ANNUNCIADO, T. R., SYDENSTRICKER, T. H. D. e AMICO, S. C., Fibra Vegetais Utilizadas como Sorventes no Setor de Petróleo. XVI Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, Porto Alegre: 2004. [7] CARNEIRO, E. B., SUGUI, J. A. e REICHER, F., Structural and Biological Features of a Hydrogel from Seeds Coats of Chorisia Speciosa. Phytochemistry, Vol. 61, p. 157 - 163, 2002. Figura c [8] INCROPERA, F. P., DEWITT, D. P., BERGMAN, T. L. e LAVINE, A. S., Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6ª ed, John Willey and Sons: 2007. [9] CALLISTER, W. D., Materials Science and Engineering, 7ª ed, John Willey and Sons, New York: 2007. Mayo 2011 Ingeniería Química 103