Resistência do Pinus taeda termorretificado

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1 Resistência do Pinus taeda termorretificado Marcio Rogério da Silva, Universidade de São Paulo, Faculdade de Zootecnica e Engenharia de Alimentos FZEA, Pirassununga, SP. marciomr@sc.usp.br Gilmara de Oliveira Machado, Departamento de Engenharia Florestal, Universidade Estadual do Centro-oeste UNICENTRO, Irati, PR. marinaprz@hotmail.com e gilmaramachado@yahoo.com André Luis Christóforo, Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Civil, São Carlos, SP. alchristoforo@yahoo.com.br José Otávio Brito, Universidade de São Paulo, Laboratório de Celulose, Química e Energia do Departamento de Ciencias Florestais LQCE, Piracicaba, SP. jotbrito@esalq.usp.br José Silvio Govone, Universidade Estadual Paulista Julio de Mesquita Filho, Departamento de Estatística, Matemática Aplicada e Computação DEMAC, Rio Claro, SP. jsgovone@rc.unesp.brv Carlito Calil Junior, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos, SP. calil@sc.usp.br Resumo - O tratamento térmico da madeira (ou termorretificação) é conhecido por melhorar a sua estabilidade dimensional e por ser uma alternativa ao tratamento preservativo. Durante este processo, a madeira é aquecida em temperaturas superiores à usada na secagem. O calor causa mudanças na estrutura da madeira devido às alterações em seus principais constituintes químicos, podendo implicar em alterações em suas propriedades físico-mecânicas. Neste estudo, foi analisado o comportamento da espécie de Pinus taeda, frente a um programa de termorretificação, considerando as alterações nas propriedades mecânicas da madeira termorretificada, comparativamente à madeira in natura. O Pinus taeda foi termorretificado a temperatura de 180ºC, com patamares finais de 30 e de 120 min. O processo de termorretificação foi realizado em atmosfera inerte de gás nitrogênio, com taxa de aquecimento de 0,033ºC.min -1, em estufa elétrica. De maneira geral, os resultados nos ensaios das propriedades de resistência apresentaram aumento nos diferentes tratamentos realizados. As propriedades de rigidez nos ensaios de compressão paralela às fibras se mantiveram praticamente estáveis. Palavras chave: Tratamento térmico, propriedades de resistência e elasticidade. Strength of the Pinus taeda thermowood Abstract Thermal treatment is known to improve wood dimensional stability and for being an alternative to preservative treatment. In this process, the wood is heated at temperatures higher than the conventional drying one. There are changes in the wood structure, in the main chemical constituents, due to heat, which can provide changes in physical and mechanical properties of wood. In this study, the behavior changes to species of Pinus taeda when submitted to thermal treatment were analyzed. The changes of mechanical properties of wood thermally treated and control sample were evaluated. The Pinus taeda was thermally treated at temperature 180 ºC, with end point of 30 and 120 min. Both thermal treatment were carried out under inert atmosphere of nitrogen gas, with heating rate 0,033 ºC.min -1, in an electric laboratory furnace. As a result for different thermal treatment carried out to mechanical properties, the strength of Pinus taeda increased. For both treatments, the stiffness properties on compression parallel to grain remained basically stable. Keywords: thermal treatment, strength and elasticity properties. 55

2 1. Introdução O calor é um dos mais importantes tratamentos no processamento da madeira. Em alguns tratamentos, como é o caso da secagem, o calor não causa alterações significativas nas propriedades estruturais da madeira, enquanto em outros tratamentos como a carbonização da madeira, a gaseificação e a combustão, a degradação pode ser intensa (BRITO et al., 2008(1)). O tratamento térmico da madeira ou termorretificação é um método que causa alterações na estrutura da madeira devido à ação do calor. A madeira termorretificada é obtida pelo princípio da termodegradação de seus constituintes na ausência de oxigênio, ou na presença controlada de oxigênio ou ar. É definido, também, como o produto de uma pirólise controlada, interrompida antes de atingir o patamar das reações exotérmicas (que se iniciam aproximadamente à temperatura de 280 C), quando se inicia a combustão espontânea da madeira (BORGES e QUIRINO, 2004(2)). A parede celular da madeira é uma estrutura complexa formada por camadas de celulose, hemiceluloses, lignina e, em menor quantidade, compostos orgânicos e inorgânicos de baixo peso molecular, chamados de extrativos e cinzas. Na termorretificação, as cadeias de moléculas destes polissacarídeos sofrem diferentes mudanças, dependendo do tipo de molécula e do nível de temperatura. Em altas temperaturas, os grupos acetilas das hemiceluloses reagem formando ácido acético, que divide as cadeias de celulose em pequenas partes. Ao mesmo tempo o calor produz reações de desidratação e oxidação da celulose promovendo a condensação da lignina. Estas reações geram combinações que alteram as propriedades mecânicas e químicas da madeira. O escurecimento da madeira se deve à combinação de todas as reações citadas (WAHL et al., 2004(3); KARTAL, HWANG e IMAMURA, 2007(4)). A extensão das alterações térmicas depende de fatores como a espécie de madeira, a temperatura final, a atmosfera predominante e a duração do processo (SHI, KOCAEFE e ZHANG, 2007(5)). As propriedades mecânicas da madeira termorretificada foram estudadas por Unsal e Ayrilmis (2005)(6) e Pincelli, Brito e Corrente (2002)(7) e, de acordo com os autores, o grau de redução das propriedades mecânicas é dependente da madeira utilizada no tratamento, da temperatura máxima alcançada no processo, e do tempo exposição ao calor.quanto maior a temperatura utilizada, menor será a resistência mecânica da madeira e maior a sua fragilidade. Korkut et al. (2008)(8) estudaram as alterações nas propriedades mecânicas da espécie spruce, em que houve redução de 36% na resistência à compressão paralela às fibras e aumento de 39% no módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras, para termorretificação a 200ºC. Mburu et al. (2008)(9) estudaram o comportamento da madeira de Grevillea robusta frente ao tratamento térmico, nas temperaturas de 220 e 240 ºC. Os autores constataram que a redução no módulo de elasticidade à flexão (MOE) foi significativa somente com perda de massa acima de 16%, enquanto que, para o módulo de resistência à flexão (MOR), o efeito da redução da massa foi mais acentuado, mesmo em baixos níveis de degradação. Sundqvist (2004)(10) estudaram as propriedades mecânicas na madeira birch nas temperaturas de 160, 180 e 200ºC com o tempo de tratamento de 1, 2, 5 e 4 h. Constataram que houve um aumento no módulo de elasticidade `a flexão (MOE), no módulo de resistência à flexão (MOR) e na resistência ao impacto relacionados ao tratamento em temperaturas de 160, 180 e 200ºC com duração de 1 h. Para longos tempos de tratamento a 200ºC, as propriedades mecânicas de MOE, MOR e resistência ao impacto foram drasticamente reduzidas. Os objetivos deste trabalho são propor um método de termorretificação que garante a distribuição homogênea do calor ao longo de toda a peça de madeira e, avaliar as possíveis alterações nas suas propriedades de resistência e rigidez. 56

3 2. Materiais e métodos Para realização desta pesquisa foi estudada a espécie de Pinus taeda, na umidade de 12±2%. A taxa de aquecimento foi de 0,033 ºC.min -1, utilizada com base nos trabalhos realizados em coníferas e folhosas por Pincelli, Brito e Corrente (2002)(7). A baixa taxa de aquecimento foi adotada com o objetivo de evitar rachaduras e trincas na espécie em estudo. Para a termorretificação da madeira foi utilizada uma estufa, com aquecimento por resistência elétrica e circulação de ar. Dentro da estufa foi colocada uma caixa de metal com tampa, para acondicionamento da madeira. Para monitoramento da temperatura no interior da madeira foi utilizado o sistema de aquisição de dados Agilent, fig. 1. Figura 1 Estufa, caixa de metal e sistema de aquisição de dados Agilent. O processo de termorretificação foi realizado colocando-se dentro da caixa de metal sete peças de madeira com dimensões de 6x16x56 cm, entabicadas com duas barras de ferro de 1 cm de diâmetro cada. Este procedimento foi utilizado para promover a circulação de gases entorno da madeira. Com objetivo de evitar a oxidação da madeira foi injetado gás nitrogênio dentro da caixa de metal. A temperatura em que as peças de madeira foram termorretificadas foi de 180±5ºC, com patamares finais de 30 e de 120 minutos. O patamar final foi iniciado quando a temperatura estipulada de termorretificação foi alcançada e, seu andamento pode variar em função do tempo necessário para homogeneização do calor no interior da peça de madeira. O tempo necessário para que a estufa deixe a temperatura ambiente e chegue ao inicio da rampa de aquecimento foi de 30 minutos. Para garantir que a distribuição de calor seja homogênea ao longo de toda a peça de madeira, durante o processo de termorretificação foram instalados dois termopares na terceira peça de madeira, contada de cima para baixo. A profundidade de instalação dos termopares foi de 3 cm, (assim, atingindo o centro da peça em relação a sua altura de 6 cm). Sendo que o primeiro foi posicionados à distância de 3 cm da extremidade da peça de madeira e, o segundo ao centro, com 8 cm de distância em relação a largura da peça de madeira. Foram utilizados termopares do tipo K, em que estes foram ligados ao sistema de aquisição de dados Agilent. Para avaliação da perda de massa (PM), inicialmente é necessário calcular a massa seca (m s ) da peça estrutural, com base em sua umidade, de acordo com a equação 1: 57

4 100. mi ms = (2.1) U Em que: m s = massa seca da madeira (g); m i = massa inicial da madeira (g); U = umidade da madeira (%). Com o resultado obtido para a massa seca, calcula-se a perda de massa (PM), com base na equação 2: ms m1 PM =.100 (2.2) ms Em que: PM = perda de massa (%); m s = massa seca da madeira (g); m 1 = massa após a termorretificação (g). Os ensaios realizados para determinação das propriedades mecânicas da madeira termorretificada e da testemunha foram: resistência à compressão paralela às fibras (f co ), módulo de elasticidade na compressão paralela às fibras (E co ) e, resistência ao cisalhamento paralelo às fibras (f vo ). Todos os ensaios foram realizados de acordo a norma brasileira NBR 7190/97(11). Após a caracterização das propriedades mecânicas para a madeira natural (testemunha) e termorretificada, os resultados obtidos foram analisados estatisticamente, com a finalidade de se observar a existência de diferença entre os mesmos. Foi realizada análise de variância (ANOVA), em blocos casualizados, com nível de confiança α de 5%. Rejeitada a hipótese nula H 0, de igualdade de médias, foi utilizado o teste de Tukey para testar toda e qualquer diferença entre as médias dos tratamentos. 3. Resultados e discussões No gráfico de aquecimento para o tratamento térmico do Pinus taeda a 180ºC, com patamar final de 30 min, a rampa de aquecimento foi iniciada em 100ºC e finalizada em 180ºC, conforme a fig. 2. A diferença de temperatura dentro da estufa e no interior da peça de madeira foi de 13ºC. Deste modo, as condições adotadas para este tratamento térmico não foram suficientes para que a temperatura no interior das peças de madeira atingisse 180±5ºC. Na fig. 3, encontra-se o gráfico de aquecimento para a termorretificação do Pinus taeda a 180ºC, com patamar final de 120 minutos, sendo que a rampa de aquecimento foi iniciada em 108ºC e finalizada em 188ºC. Com este programa de termorretificação a temperatura foi superior a 180ºC. Assim, o programa de termorretificação foi adequado para garantir a homogeneidade de calor ao longo de toda a peça de madeira. 58

5 Pinus taeda ºC patamar final de 30 min 180 Temperatura (ºC) Temperatura dentro da estufa Temperatura no meio da peça de madeira Temperatura na extremidade da peça de madeira Temperatura dentro da caixa termorretificação Tempo (h) Figura 2 Gráfico de termorretificação do Pinus taeda com patamar final de 30 minutos. 190 Pinus taeda ºC patamar final de 120 min 180 Temperatura (ºC) Temperatura dentro da estufa Temperatura no meio da peça de madeira Temperatura na extremidade da peça de madeira Temperatura dentro da caixa de termorretificação Tempo (h) Figura 3 Gráfico de termorretificação com patamar final de 120 minutos. 59

6 Com o aumento na temperatura e no patamar final no processo de termorretificação, a madeira torna-se mais escura. A alteração na cor é significativa quando comparada à testemunha. Na fig. 4 encontra-se a madeira natural e termorretificada. A B C Figura 4 Diferença de coloração entre as madeiras natural e termorretificadas (A = testemunha, B = 180 ºC 30 min e C = 180 ºC 120 min). Esteves et al. (2008)(12) e Kocaefe, Poncsak e Boluk (2008)(13) relatam que a celulose e hemiceluloses da madeira natural não absorvem luz na região visível, portanto, não contribuem na mudança de cor. Entretanto, subprodutos da degradação das hemiceluloses podem levar a madeira à tonalidade escura, ou seja, redução de sua claridade. A formação de produtos de oxidação, tais como quinonas, também é referida como a razão para a mudança de cor. A ação do calor provoca alterações na madeira, e quanto maior for a temperatura, maiores serão as alterações na cor, nas dimensões e na massa da madeira. O cálculo da perda de massa da madeira termorretificada com base em seu peso seco foi realizado para ambos os programas em estudo, e os resultados foram apresentados na tab. 1. Não foram observadas fendas nas peças de madeira termorretificada de acordo programa adotado. Tabela 1 Porcentagem da perda de massa para a madeira termorretificada Faixas de tratamento Perda de massa (%) 180ºC - 30 min 0,54 180ºC min 2,81 Poncsak et al. (2006)(14) relatam que as hemiceluloses são os componentes mais reativos da parede celular, por causa do seu baixo peso molecular elas degradam em temperaturas, entre 160 e 220 ºC. A degradação da celulose começa ao redor de 220ºC (BOONSTRA e TJEERDSMA, 2006(15)). A lignina sofre alterações em temperaturas acima de 250ºC (WINDEISEN e WEGENER, 2008(16)). Assim, a perda de massa da madeira termorretificada está associada à degradação dos principais componentes da parede celular (hemicelulose, celulose e lignina). Os resultados de perda de massa acompanharam o programa de tratamento adotado, em que quanto mais longo foi o patamar final, maior foi a perda de massa. Os resultados médios de seis corpos-de-prova para os ensaios de resistência e rigidez da madeira in natura e tratada termicamente, juntamente com o desvio padrão e análise estatística são apresentados na tab

7 Tabela 2 Resultados das propriedades de resistência e rigidez para o Pinus taeda. Tratamento f c0 (MPa) E c0 (GPa) f v0 (MPa) Testemunha 31 ±2 A 8 ±1 A 8 ±1 A 180ºC - 30 min 38 ±3 AB 7 ±1 A 10 ±1 B 180ºC min 45 ±12 B 9 ±5 A 7 ±1 A *Médias seguidas pela mesma letra em uma mesma coluna não são significativamente diferentes (Tukey α = 5%) Com a termorretificação a 180 ºC, a resistência à compressão paralela às fibras (f c0 ) aumentou em função do aumento do patamar final, atingindo-se um aumento de 45% para o patamar final de 120 min em relação à testemunha. Assim, este não é estatisticamente equivalente a testemunha. O módulo de elasticidade não sofreu alteração estatisticamente significativa, de acordo com a Análise de Variância (5% de probabilidade). Os resultados obtidos para a resistência ao cisalhamento paralelo às fibras (f vo ) foram seguidos por um aumento para o tratamento com patamar final de 30 min e, com uma pequena redução para o tratamento com patamar final de 120 min. Analise estatística revelou que somente o tratamento com patamar de 120 min é equivalente à testemunha. 4. Conclusões A distribuição homogênea de calor ao longo da peça de madeira só foi possível com o tratamento térmico com patamar de 120 min, em que a maior temperatura para o inicio e final da rampa de aquecimento foi satisfatória para atingir a temperatura de 180ºC (±5). Com a elevação do patamar final há maior perda de massa com base no peso seco da madeira, assim, o tratamento térmico com patamar final de 120 min sofreu maiores alterações. Não foram encontradas rachas anelares e trincas nas peças de madeira com os diferentes programas de termorretificação utilizados. O calor afetou propriedades de resistência e rigidez da madeira e, inicialmente houve um ganho na resistência para os ensaios de compressão paralela às fibras para ambos os processos de tratamento térmico. Nos ensaios de cisalhamento paralelo às fibras houve ganho nas propriedades de resistência seguido por uma leve redução para o tratamento com patamar final de 120 min. De acordo com a análise estatística, em relação às propriedades de rigidez, para ambos os tratamentos térmicos, o módulo de elasticidade (E c0 ) se manteve praticamente estável nos ensaios de compressão paralela às fibras. Contudo, a ação do calor provoca alterações na madeira e, as propriedades mecânicas de resistência e rigidez podem aumentar ou diminuir, dependendo do programa de tratamento térmico adotado e da espécie utilizada. Deste modo, para utilização da madeira termorretificada para fins estruturais recomenda-se a caracterização das propriedades mecânicas para cada espécie e programa de tratamento térmico utilizado. 5. Agradecimentos Os autores agradecem à FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo), ao LaMEM (Laboratório de Madeiras e Estruturas de Madeira) e, ao LQCE (Laboratório de Química, Celulose e Energia) pelo suporte financeiro e técnico dado a essa pesquisa. 61

8 6. Referências (1) BRITO, J.O.; SILVA, F.G.; LEÃO, M.M.; ALMEIDA, G. (2008). Chemical composition changes in eucalyptus and pinus woods submitted to heat treatment. Bioresource Technology, v.99, p (2) BORGES, L.M.; QUIRINO, W.F. (2004). Higroscopicidade da madeira de Pinus caribaea var.hondurensis tratado termicamente. Revista Biomassa & Energia, v.1, n.2, p (3) WAHL, P.; SIMONAHO, S.P.; PAKARINEN, T.; SILVENNOINEN R. (2004). Effect of heat-treatment on scattering of laser light from wood grains. Holz Roh-Werkstoff, v.62,n.5, p (4) KARTAL, S.P.; HWANG, W.; IMAMURA, Y. (2007). Water absorption of boron-treated and heat-modified wood. Journal Wood Science, v.53, p (5) SHI, J.L.; KOCAEFE, D., ZHANG, J. (2007). Mechanical behaviour of Québec wood species heat-treated using Thermo Wood process. Holz Roh-Werkstoff, v.65, p (6) UNSAL, O.; AYRILMIS, N. (2005). Variations in compression strength and surface roughness of heat-treated Turkish river red gum (Eucalyptus camaldulensis) wood. Journal Wood Science, v.51, p (7) PINCELLI, A.L.P.S.M.; BRITO. J.O.; CORRENTE, J.E. (2002). Avaliação da termorretificação sobre a colagem na madeira de Eucalyptus saligna e Pinus caribaea var. hondurensis. Scientia Forestalis, n. 61, p (8) KORKUT, S.; HIZIROGLU, S. (2008). Effect of heat treatment on mechanical properties of hazelnut wood (Corylus colurna L.). Materials and Design, v.30 p (9) MBURU, F.; DUMARÇAY, S.; BOCQUET, J.F.; PETRISSANS M.; GÉRARDIN, P. (2008). Effect of chemical modifications caused by heat treatment on mechanical properties of Grevillea robusta wood. Polymer Degradation and Stability, v. 93, p (10) SUNDQVIST, B. (2004). Colour changes and acid formation in wood durating heating f. Thesis, Divisions of Wood Material Science, Lulea University of Technology, Sweden. (11) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1997). NBR Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro, ABNT. (12) ESTEVES, B.; MARQUES, A.V.; DOMINGOS, I.; PEREIRA, H. (2008). Heat-induced colour changes of pine (Pinus pinaster) and eucalypt (Eucalyptus globulus) wood. Wood Science and Technology, v.42, p (13) KOCAEFE, D.; PONCSAK, S.; BOLUK, Y. (2008). Effect of thermal treatment on the mechanical composition and mechanical properties of Birch and Aspen. BioResources Technology, v.3, n.2, p (14) PONCSAK, S.; KOCAEFE, D.; BOUAZARA, M.; PICHETTE. (2006). Effect of high temperature treatment on the mechanical properties of birch (Betula papyrifera). Wood Science Technology, v. 40, p (15) BOONSTRA, M.J.; TJEERDSMA, B. (2006). Chemical analysis of heat treated softwoods. Holzforschung, v.64, p (16) WINDEISEN, E.; WEGENER, G. (2008). Behaviour of lignin during thermal treatments of wood. Industrial crops and products, v.27, p