Gradiente de Umidade e Tensões

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1 ERNESTO AUGUSTO GARBE Gradiente de Umidade e Tensões Monografia apresentada ao Mestrado de Tecnologia de Produtos Florestais, do Departamento de Engenharia e Tecnologia Florestal, do Setor de Ciências Agrárias, da Universidade Federal do Paraná, como requisito parcial para a matéria de Relação Água Madeira. Orientador: Prof. Dr. Ivan Tomaselli CURITIBA 2008

2 ERNESTO AUGUSTO GARBE Gradiente de Umidade e Tensões Monografia apresentada ao Curso de Engenharia Industrial Madeireira, do Departamento de Engenharia e Tecnologia Florestal, do Setor de Ciências Agrárias, da Universidade Federal do Paraná, como requisito parcial para a matéria de Relação Água Madeira. Orientador: Prof. Dr. Ivan Tomaselli CURITIBA 2008

3 1 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO REVISÃO DE LITERATURA ANISOTROPIA DA MADEIRA PERMEABILIDADE NATURAL PERMEABILIDADE EM CONÍFERAS PERMEABILIDADE NAS FOLHOSAS GRADIENTE DE UMIDADE TENSÕES DE SECAGEM TRINCAS TRINCAS INTERNAS TRINCAS SUPERFICIAIS CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 15

4 2 1. INTRODUÇÃO A secagem racional da madeira é uma das mais importantes operações dentro da indústria madeireira. A remoção de sua umidade até um teor adequado irá melhorar sua estabilidade dimensional, o que resultará em um produto final de alta qualidade. O objetivo principal da secagem artificial é promover o equilíbrio entre a velocidade de evaporação da água na superfície da madeira, a taxa de movimentação interna (tanto de calor como de umidade) e as reações da madeira durante o processo, de forma a tornar a secagem o mais rápida possível e com um nível de perdas ou um padrão de qualidade aceitável para o produto que se pretende. Para se atingir esse objetivo é necessário não só o conhecimento sobre a termodinâmica da secagem como também sobre as características da madeira e sobre o funcionamento do secador (JANKOWSKY, 1995). Segundo JANKOWSKY (1983), durante o processo de secagem, a água presente na madeira movimenta-se do interior das peças até a superfície evaporante, dando origem a um gradiente de umidade. Esse fluxo de umidade é limitado pela permeabilidade natural da madeira enquanto o teor de umidade estiver acima do ponto de saturação das fibras (PSF), passando a sofrer a influência do gradiente de umidade abaixo do PSF. FERNANDES e GALVAO (1978/1979) mostram que a rapidez da secagem está diretamente relacionada com a inclinação do gradiente de secagem e essa gradiente decresce à medida que a secagem progride, diminuindo também a rapidez da secagem, ou seja, a secagem se dá com mais velocidade nas primeiras horas, com a retirada da água livre, e tende a diminuir progressivamente a medida que a água de impregnação começa a se movimentar para fora da peça. Porém, é importante ressaltar que durante esse processo, devido à retração da madeira em função da distorção de umidade, surgem tensões internas capazes de ocasionar defeitos, tais com rachaduras superficiais e internas.

5 3 Estudos conduzidos por McMILLEN ( ) mostram que, se as tensões de secagem ultrapassarem o limite de proporcionalidade da madeira ocorrerá uma fixação de tensões, ou seja, a madeira sofrerá uma deformação permanente que irá causar problemas durante o processamento final. De acordo com HART (1966), tanto o gradiente de umidade como as tensões internas são importantes na secagem racional da madeira, estando intimamente associados com a sua permeabilidade natural.

6 4 2. REVISÃO DE LITERATURA 2.1. ANISOTROPIA DA MADEIRA A anisotropia traz como conseqüências diferentes valores para o inchamento e para a contração nos três sentidos de orientação da madeira. Esta diferença se deve a estrutura microscópica e sub-microscópica da madeira. A maior alteração dimensional se manifesta no sentido tangencial, depois no sentido radial e finalmente no longitudinal, que por ser tão baixa, é normalmente negligenciada na prática. As relações entre as contrações verificadas nos diferentes sentidos indicam: 10 (tangencial): 5 (radial) : 0,1 (longitudinal). A pequena alteração no sentido longitudinal explica-se por estar à maioria dos elementos estruturais constituintes da madeira organizados verticalmente, o que faz com que o número de paredes por cm2 seja bem menor neste sentido. Além disso, cada fibra de madeira tende muito pouco a se contrair axialmente devido a inclinação das micro-fibrilas de celulose constituintes da parede celular propiciarem a contração da célula em sua seção, e não na direção do seu comprimento. Algumas vezes podem mesmo ocorrer contrações negativas ao longo da grã, isto é, a madeira pode ter dimensão axial um pouco maior na condição seca que verde. Na FIGURA 01, pode-se observar o comportamento físico sofrido pela madeira devido a anisotropia após a secagem. FIGURA 01 COMPORTAMENTO FÍSICO DA MADEIRA APÓS A SECAGEM

7 5 A mudança de volume da madeira que se verifica devido à desorção e adsorção de água é considerada uma de suas propriedades físicas mais importantes, afetando e limitando consideravelmente o seu uso industrial em vários ramos de utilização. O aumento de volume ou inchamento de uma madeira, deve-se principalmente, à inclusão de moléculas de água nos espaços sub-microscópicos localizados entre as micelas, afastandoas, alterando as dimensões da madeira. Da mesma forma, a diminuição de volume deve-se a retirada de moléculas de água mencionadas, por evaporação, ocasionando a aproximação das micelas e finalmente a retração da madeira. A anisotropia de contração é a relação entre a contração máxima tangencial e a contração máxima radial. A avaliação da qualidade da madeira segundo sua anisotropia esta apresentada na FIGURA 02. FIGURA 02 QUALIDADE DA MADEIRA CONSIDERANDO A ANISOTROPIA DE CONTRAÇÃO COEFICIENTE DE ANISOTROPIA QUALIDADE DA MADEIRA < 1,5 Madeira Muito Estável 1,6 até 2,0 Média Baixa 2,0 até 2,5 Média Alta >2,6 Madeira Muito Instável Madeiras que apresentarem alta Contração Volumétrica, alta Anisotropia de Contração e Massa Específica elevada são madeiras com grandes dificuldades de secagem, devendo ser empregado programas de secagem brandos PERMEABILIDADE NATURAL Quando se fala em secagem, preservação e fabricação de polpa e papel, a permeabilidade da madeira se torna uma característica de fundamental importância. Madeiras de alta massa específica apresentam maior dificuldade na secagem e impregnação com soluções preservativas por apresentarem menor volume de espaços vazios para a circulação de fluidos.

8 6 A maior penetração ou eliminação de líquidos depende dos vasos e raios nas Angiospermas e dos traqueídeos axiais e transversais, bem como dos raios, nas Gimnospermas, porque são os elementos estruturais que desempenham primordialmente a função de condução de líquido no lenho. Nas Angiospermas, inclusive, o grau de permeabilidade é muito influenciado pelos aspectos anatômicos, como tamanho, abundância, distribuição dos poros e a presença de gomas-resina, tilos e outras substâncias obstrutoras. Nas espécies com porosidade em anel, o lenho inicial é muito mais permeável que o lenho tardio; o parênquima axial é mais permeável que as fibras; e as proporções com que estes elementos ocorrem no lenho repercutem sobre essa característica. A própria estrutura geral da madeira explica o fato de que a permeabilidade é maior no sentido axial do que no sentido transversal. O fluxo capilar é aproximadamente 50 vezes maior na direção longitudinal do que na direção transversal, porque nesse sentido existe um menor número de obstáculos e menos presença de substâncias que possam obstruir a passagem de água. O fator mais importante que afeta o fluxo capilar é a permeabilidade. A relação entre os fluxos longitudinal e transversal geralmente é muito maior para folhosas que para coníferas, devido à alta condutividade dos vasos. De modo geral a permeabilidade é definida para os líquidos como a medida de maior ou menor facilidade de escorrimento em um material poroso, sobre a influência de um gradiente de pressão. A permeabilidade obedece a lei de Darcy, que estabelece que a permeabilidade é igual a razão entre o fluxo e o gradiente de pressão. O fluxo é definido como a razão de escorrimento por unidade de área de seção transversal em um determinado tempo, e gradiente de pressão, como a diferença de pressão que causa o escorrimento por unidade de comprimento do material poroso. Assim para uma amostra de madeira a equação de permeabilidade segundo SIAU (1971) é:

9 7 FÓRMULA 01 EQUAÇÃO DA PERMEABILIDADE PARA UMA AMOSTRA DE MADEIRA Onde: Pe Permeabilidade (cm³.cm); V - Volume do líquido escorrido através da madeira (cm³); T - Tempo de escorrimento (seg); P - Gradiente de pressão existente entre os extremos da madeira (dinas/cm²); A - Área da amostra (cm²); L - Comprimento da amostra de madeira em direção ao escorrimento (cm) PERMEABILIDADE EM CONÍFERAS A condução de líquidos está relacionada com os traqueóides axiais e radiais e com suas pontoações areoladas, ocorre ainda por parênquima axial e radial com suas pontoações simples, e semi-areoladas, por canais resiníferos, longitudinais, transversais e por células epiteliais. Os traqueóides constituem em maior percentagem do volume (cerca de 93%). A translocação dos líquidos ocorre através destes elementos essenciais. A condução de líquidos ocorre nos sentidos, radial, tangencial e longitudinal. A permeabilidade é maior na direção longitudinal devido a facilidade do fluxo no sentido das fibras, para a permeabilidade na direção transversal, a condução radial é maior que a tangencial devido a maior permeabilidade dos traqueóides e dos parênquimas radiais. A permeabilidade na direção das fibras é vezes maior que perpendicular as fibras. A permeabilidade do lenho tardio é maior do que a do lenho inicial, apesar de sua maior densidade, isto ocorre por razão do lenho tardio possuir membranas das

10 8 pontoações areoladas mais resistentes a aspiração pela sua maior espessura de parede e rigidez. A permeabilidade do alburno é maior que do cerne, devido a maior quantidades de pontoações aspiradas e obstruções destas por resina existentes no cerne. O alburno submetido a secagem é 200 vezes mais permeável que o cerne. A permeabilidade em coníferas está controlada quase que exclusivamente pelas pontoações areoladas. As aspirações de pontoação se constituem em um importante fator da condução da água livre dentro da madeira, sendo a tensão capilar, a causa de sua ocorrência PERMEABILIDADE NAS FOLHOSAS A condução de líquidos é realizada nos sentido radial, tangencial e longitudinal como nas coníferas, através das suas pontoações as quais unem os elementos estruturais e pelas placas de perfuração dos vasos. A permeabilidade do alburno é maior que a do cerne e se realiza da mesma forma que nas coníferas exceto quando os vasos estão obstruídos por tiloses as quais reduzem a permeabilidade. A translocação de líquidos em folhosas é mais complexa que em coníferas devido o feito dos poros por produzirem os tilos, madeiras com porosidade anelar a permeabilidade é maior que em madeiras com porosidade difusa GRADIENTE DE UMIDADE Somente em madeira recém cortada se encontra uma distribuição mais ou menos uniforme do conteúdo de umidade através da seção transversal de uma peça. Assim que

11 9 comece a secagem seja natural ou artificial, a distribuição do conteúdo de umidade no interior da peça se modifica. De forma simples pode-se explicar a secagem da madeira como um resultado do movimento da umidade desde o interior até a superfície, onde se evapora e escapa para a atmosfera circundante. Ao colocar-se uma peça de madeira úmida em contato com um ambiente seco inicia-se a evaporação da água presente nas capas superficiais, enquanto que as capas internas permanecem ainda úmidas. A diferença entre o teor de umidade do centro da peça e da superfície denomina-se gradiente de umidade (GU), significando que quanto maior a diferença entre o teor de umidade da superfície e do centro mais elevado o GU, quer dizer eu quanto maior a diferença entre o teor de umidade da superfície do centro, mais rapidamente secará a madeira e inversamente, se o gradiente for baixo, o tempo de secagem aumentará causando um aumento nos custos de secagem. Na FIGURA 03 pode-se observar o gradiente de umidade desenvolvido num peça de madeira. FIGURA 03 GRADIENTE DE UMIDADE EM UMA PEÇA DE MADEIRA

12 10 Na secagem artificial da madeira é importante estabelecer um GU ótimo que determina o tempo de secagem sem ocorrer riscos de ocasionar danos a madeira. Elevado GU causa um conteúdo de umidade abaixo do PSF nas partes externas da peça de madeira, as quais ficam impedidas de contrair porque as capas internas ainda contêm muita água livre (acima do PSF), gerando tensões na madeira que podem ocasionar deformações, podendo causar interrupções na circulação da água pela formação de uma capa muito seca que obstrui o fluxo capilar da umidade originando-se o fenômeno chamado endurecimento superficial, causar rachaduras internas ou de superfície, etc. Na secagem natural não tem condições de controlar o GU da peça de madeira. O gradiente de umidade durante o princípio da secagem faz com que a madeira esteja sob tração na superfície e compressão no interior (SKAAR, 1972) TENSÕES DE SECAGEM ALBUQUERQUE (1999) define tensão como sendo uma força interna resultante de uma aplicação de carga em um material. Quando as tensões são decorrentes de um processo de secagem da madeira, estas ocorrem devido a diferenças na magnitude de contrações entre zonas ou partes adjacentes de uma peça lenhosa. A tensão de tração se caracteriza por uma força que tende a esticar o material, ou resistir à redução dimensional, enquanto que, a tensão de compressão, tende a comprimir ou resistir a um estiramento. Para ALBUQUERQUE (1999), na secagem da madeira, se for considerada uma peça extremamente delgada, esta irá se contrair sem que seja notado qualquer distúrbio. Entretanto, quando se considera uma peça lenhosa de maior espessura, provavelmente ocorrerão dificuldades entre a parte interna e a externa da peça, pois na superfície, inicialmente, ocorrerá uma evaporação mais acentuada, que terá de ser compensada pela umidade existente no interior da peça. Todavia, pode ocorrer a condição em que a umidade interna não é suficiente para transportar a água evaporada e, por conseqüência, a superfície lenhosa irá secar de forma mais rápida do que o interior da peça. Ao desenrolar deste

13 11 processo, quando o grau de umidade superficial se reduzir abaixo do ponto de saturação das fibras, as camadas superficiais irão se contrair, enquanto as camadas mais internas estarão acima deste ponto. Por conseguinte, as camadas externas sofrerão uma tensão de tração, pois estarão contidas pelas camadas internas em seu processo de retração, e estas últimas uma tensão de compressão, devido à retração das externas TRINCAS De modo geral as trincas são defeitos ocasionados durante um processo de secagem mal conduzido. As tensões de secagem geradas devido ao aparecimento de gradiente de umidade durante o processo de secagem podem ocasionar trincas no interior da madeira ou em sua superfície. Esses defeitos têm como origem tensões de compressão (da superfície em relação ao centro da peça) e tensões de tração (do centro em relação à superfície). Essas forças quando superam o limite de resistência das fibras da madeira geram colapsos nas mesmas TRINCAS INTERNAS Quando a superfície da peça está perdendo água de impregnação, e o interior ainda esta com água livre, gera um gradiente de umidade muito elevado, que faz com que o interior fique comprimido pela superfície, gerando tensões de secagem. Seqüencialmente, o centro da peça começa a secar e esse fator faz com que o interior tenha uma tendência a tracionar no sentido transversal, e esse movimento quando supera a resistência perpendicular às fibras, causa trincas internas que só podem ser detectadas quando a peça for serrada transversalmente.

14 12 Segundo KLITZKE (2005) as trincas internas aparecem na fase de secagem, quando se desenvolvem a tensões de tração no interior da peça, estas tensões causam rachadura internas. As rachaduras internas são atribuídas a um controle ineficaz do processo de secagem podendo ser evitado por meio da seleção de um programa de secagem correto. O controle deve ser feito na fase inicial da secagem. Quando a secagem é muito acelerada, causa desequilíbrio entre as tensões no interior e superfície da peça produzindo rachaduras internas. Como é conseqüência de um endurecimento superficial o lote deve ser detectado a tempo e eliminado. Uma vez que já tenha formado as rachaduras não tem mais retorno a madeira já esta perdida. Um exemplo de rachadura interna pode ser vista na FIGURA 04. FIGURA 04 GRADIENTE DE UMIDADE EM UMA PEÇA DE MADEIRA TRINCAS SUPERFICIAIS Segundo a JUNTA DEL ACUEDO DE CARTAGENA (1989), as trincas na superfície aparecem quando tensões que excedem a resistência da madeira à tração perpendicular às fibras desenvolvem-se na superfície, devido a uma secagem inicial muito

15 13 acelerada que produz diferença acentuada entre os teores de umidade da superfície e do centro da madeira. Quanto mais espessa for a madeira, maior a possibilidade do aparecimento de rachaduras superficiais. Este defeito ocorre principalmente na fase inicial da secagem e, quando detectado a tempo, pode ser reduzido, aumentando-se a umidade relativa do ar dentro da estufa E segundo KLITZKE (2005) este defeito ocorre, principalmente na fase inicial da secagem e, quando detectado a tempo, pode ser reduzido, aumentando-se a umidade relativa dentro da câmara. Isto é conseguido elevando-se a temperatura do bulbo úmido sem alterar a temperatura do bulbo seco. As rachaduras de topo são causadas pela secagem rápida das extremidades em comparação com o restante da peça de madeira, principalmente durante a fase inicial. São mais freqüentes em peças de maior espessura e podem ser reduzidas aplicando-se o mesmo procedimento anterior, sendo também recomendada a vedação dos topos das peças com produtos impermeáveis. Deve-se evitar a ação de corrente de ar muito seco e forte sobre a madeira úmida. Na FIGURA 05, temos a demonstração de trincas superficial. FIGURA 05 TRINCA SUPERFICIAL

16 14 3. CONCLUSÃO O processo de secagem deve ser bem conduzido, aliando mínimo de defeitos com alta produtividade. Na secagem da madeira a retirada de água causa gradientes de umidade entre a superfície e o interior da peça, gerando então tensões de secagem que podem ocasionar trincas tanto internas, quanto externas.

17 15 4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALBUQUERQUE, C. E. C. Tensões Internas Devido a Gradientes de Umidade. Curitiba, p. JUNTA DEL ACUERDO DE CARTAGENA. Manual del Grupo Andino para el Secado de Maderas. 1ª Ed. Lima, KOLLMANN, F. F. P.; COTÊ JUNIOR., W. A. Principles of Wood Science and Technology. Berlin: Springer, v. KLITZKE, R.; Apostila de Secagem da Madeira. Curitiba, FERNANDES, P.S. & GALVÃO, A.P.M.. Gradiente de umidade em peças de jatobá (Hymenaea stilbocarpa Hayme). Silvicultura em São Paulo, São Paulo, 11/12: 87-92, 1977/1978. GALVÃO, A.P.M.. Secagem acelerada: programa para a madeira de jatobá (Hymenaea stilbocarpa Hayne). IPEF, Piracicaba (12): , JANKOWSKY, I.P.. Efeito do aparelhamento e do tratamento preservativo superficial na secagem da madeira de Pinus spp.. Circular técnica. IPEF, Piracicaba (109): 1-11, McMILLEN,J.M. Drying stresses in red oak. Forest products journal, Madison, 5 (2): 71-6, McMILLEN,J.M. Stresses in wood during drying. Madison, Forest Products laboratory, 1963.