Caracterização química e estrutural de compósitos epóxi à base de ramie reforçados com biocarvão da casca de noz‑macadâmia

Transformando resíduos agrícolas em materiais resistentes

Produtos modernos, de automóveis a painéis de construção, exigem materiais que sejam ao mesmo tempo resistentes e benignos para o planeta. Este estudo explora uma forma engenhosa de transformar dois subprodutos agrícolas — fibras da planta ramie e cascas descartadas de noz‑macadâmia — em um material compósito leve que pode substituir alguns plásticos à base de petróleo e peças de fibra de vidro. Ao transformar cascas em um pó fino de carbono chamado biocarvão e misturá‑lo com fibras vegetais e resina epóxi, os pesquisadores mostram como o lixo das fazendas pode virar componentes duráveis e resistentes para a engenharia verde do futuro.

Por que fibras vegetais e cascas importam

Compósitos tradicionais, como os reforçados com fibras de vidro ou carbono, oferecem excelente resistência, mas são intensivos em energia para fabricar e difíceis de reciclar. Em contraste, fibras vegetais são renováveis, mais leves e podem ajudar a reduzir a pegada ambiental de produtos manufaturados. A ramie, uma cultura fibrosa amplamente cultivada na Ásia, é especialmente atraente porque suas fibras são naturalmente fortes e rígidas. Ao mesmo tempo, a indústria crescente da macadâmia produz enormes quantidades de cascas duras que normalmente têm pouco valor. Essas cascas são ricas em carbono e, quando aquecidas sem oxigênio, podem ser convertidas em biocarvão — um material poroso, semelhante a carvão vegetal, que pode atuar como um minúsculo grão de reforço dentro de plásticos.

Da casca ao biocarvão de alta superfície

A equipe concentrou‑se primeiro em transformar as cascas de macadâmia em um enchimento útil. Eles limparam e secaram as cascas, em seguida as aqueceram em um forno com baixo teor de oxigênio a cerca de 350 °C. Esse processo, conhecido como pirólise, queimou as partes voláteis da biomassa e deixou um carvão rico em carbono. Após moagem por esferas e peneiramento, o pó resultante consistia em partículas finas de apenas alguns micrômetros, com superfície rugosa e fissurada cheia de poros. Testes avançados mostraram que esse biocarvão possuía grande área interna de superfície e uma estrutura de carbono parcialmente ordenada. Essas características significam muitos pontos de contato onde ele pode aderir à resina e às fibras circundantes, além de estabilidade térmica suficiente para resistir às altas temperaturas envolvidas na cura do epóxi.

Construindo o compósito verde

Em seguida, os pesquisadores combinaram três ingredientes: fibras de ramie tratadas, resina epóxi e diferentes quantidades de biocarvão de macadâmia. Mantiveram o teor total de ramie em 40 por cento em massa e variaram o biocarvão entre 1, 3 e 5 por cento, nomeando as amostras MR1, MR3 e MR5. O biocarvão foi primeiro misturado e disperso por ultrassom na resina líquida para ajudar a distribuir as partículas de forma homogênea. Depois, a resina foi vertida sobre feixes alinhados de fibras de ramie em um molde, pressionada e curada. Os painéis planos resultantes foram cortados em corpos de prova padronizados. A equipe então mediu quanto esforço essas amostras suportavam em tração e flexão, quão bem absorviam impactos repentinos, a dureza de suas superfícies e como se comportavam quando expostas ao calor e à água.

Encontrando o ponto ideal de resistência

O resultado de destaque foi o compósito com 3 por cento de biocarvão (MR3). Em comparação com a versão de 1 por cento, o MR3 mostrou cerca de um terço a mais de resistência à tração, quase um quinto a mais de resistência à flexão e aproximadamente metade a mais de resistência ao impacto. Imagens microscópicas revelaram o motivo: partículas de biocarvão no MR3 estavam bem distribuídas ao redor das fibras de ramie, preenchendo pequenas lacunas e criando uma interface rugosa e entrelaçada. Isso permitiu que as tensões se espalhassem suavemente entre as fibras e a resina, forçando as trincas a torcerem e ramificarem em vez de cortarem em linha reta. Com 5 por cento de biocarvão, no entanto, as partículas começaram a aglomerar. Esses aglomerados criaram pontos fracos e pequenos vazios que reduziram ligeiramente a resistência e a tenacidade, apesar do maior teor de enchimento.

Calor, água e durabilidade a longo prazo

Além dos testes de resistência simples, a equipe investigou como os compósitos lidavam com calor e umidade — dois desafios-chave para uso no mundo real. Análises térmicas mostraram que o MR3 resistia à decomposição em temperaturas mais altas e deixava para trás mais carvão protetor do que as outras amostras, o que significa que seria mais estável em ambientes quentes. Testes de imersão em água revelaram que o MR3 absorveu a menor quantidade de umidade, sugerindo que o biocarvão pode ajudar a bloquear caminhos para a água se propagar pelas fibras vegetais. Mesmo após imersão e secagem, o MR3 reteve mais de 95 por cento de sua resistência original à tração e à flexão e quase toda sua resistência ao impacto, indicando boa durabilidade em condições úmidas ou molhadas.

O que isso significa para produtos do dia a dia

Em termos práticos, este trabalho mostra que existe uma quantidade “certa” de biocarvão de casca que transforma compósitos ramie‑epóxi em materiais mais fortes, mais tenazes e mais resistentes ao calor sem sacrificar a leveza. Em torno de 3 por cento de biocarvão, o compósito apresenta desempenho superior ao de teores menores ou maiores porque as partículas estão bem dispersas e fortemente ligadas às fibras e à resina. Ao desbloquear valor a partir de fluxos de resíduos agrícolas, materiais assim podem um dia aparecer em peças leves para automóveis, painéis de construção ou outros componentes onde reduzir peso e impacto ambiental importa.

Citação: Palaniappan, M., Kumar, P.M., Sivanantham, G. et al. Chemical and structural characterization of ramie-based epoxy composites reinforced with macadamia nut shell biochar. Sci Rep 16, 9374 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39764-1

Palavras-chave: compósitos com biocarvão, materiais de fibra natural, reutilização de resíduos agrícolas, polímeros sustentáveis, estruturas leves