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PINUS TRATADO EM AUTOCLAVE

A madeira é um material higroscópico, sendo capaz de absorver ou perder água para o meio ambiente. Essa característica é explicada pela constituição química da madeira, composta pelos polímeros de celulose, hemiceluloses e lignina. Dentre essas substâncias, a hemicelulose é a mais hidrófila, contribuindo para a variação dimensional da madeira em função da troca de água com o meio. .

A variação de umidade dentro das peças de madeira promove defeitos quando a peça atinge um teor de umidade inferior ao ponto de saturação das fibras ― PSF (em torno de 28% de umidade). Desse modo, a variação dimensional pode ser controlada se os constituintes hidrófilos da madeira alterarem sua afinidade pela água. Através do tratamento térmico, essa higroscopicidade pode ser reduzida devido à degradação da hemicelulose e demais modificações na estrutura da madeira.

A madeira de Pinus sp. é designada na literatura internacional como “softwood” , ou seja, madeira macia ou de baixa densidade. Foram encontradas densidades de 0,36 g/cm3 para o lenho juvenil de Pinus caribaea e 0,68 g/cm3 para o lenho adulto dessa mesma espécie. A durabilidade natural da madeira das espécies de Pinus sp. é estimada por vários autores como inferior a dois anos, se estiver em contato direto com o solo.

A madeira de uma árvore recém-abatida apresenta uma grande quantidade de água no seu interior. Algumas espécies de Pinus sp. apresentam uma proporção de água, em relação ao seu peso seco, superior a 100%.

O teor de umidade da madeira interfere nos tratamentos, como curvamento, preservação, secagem, colagem, fabricação de compensados e aglomerados, produção de carvão vegetal, processamento mecânico, entre outros. O estudo do comportamento das variações dimensionais da madeira é essencial para a sua utilização industrial. As relações existentes entre densidade, umidade, retratibilidade e expansão volumétrica são de fundamental importância para um aproveitamento mais eficiente dessa matéria-prima. .

A ocorrência de empeno na madeira está relacionada à variação dimensional e tem como algumas causas: as diferenças entre as contrações radial, tangencial e longitudinal na peça de madeira (anisotropia), a presença de lenho juvenil e a presença de madeira de tração ou compressão. O lenho de compressão é característico das coníferas, sendo caracterizado pelo maior teor de lignina e menor teor de celulose, o que pode influir na higroscopicidade da madeira.

Desse modo, madeiras que tenham maior quantidade de lenho juvenil tendem a apresentar maior variação dimensional, influenciando na qualidade final do produto obtido a partir dessa matéria-prima. Atualmente, com o decréscimo do suprimento de árvores adultas com grandes diâmetros, provenientes de florestas naturais, tornou-se comum a produção de madeira em ciclos curtos, através da adoção de espécies de rápido crescimento. É ressaltado que as propriedades químicas, físicas, anatômicas e mecânicas da madeira juvenil são diferentes e, em geral, inferiores às da madeira adulta.

A retificação térmica, no Brasil, é pouco pesquisada, apesar de seus benefícios comprovados em espécies de madeira da Europa, onde esse tipo de tratamento já foi bastante abordado. Atualmente, são comercializados no continente europeu, produtos retificados termicamente para pisos ou para a indústria siderúrgica. Uma madeira de baixa densidade e macia adquire maior dureza superficial quando tratada termicamente em autoclave, tornando possível sua utilização em pisos, apesar de haver alteração na cor original da madeira. Além disso, já se constatou que esse mesmo tratamento aumenta a resistência à degradação fúngica, mas não tem efeito sobre a resistência à degradação de térmita, que a madeira estabilizada dimensionalmente pelo tratamento térmico adquire considerável resistência ao apodrecimento.

O tratamento térmico, com a finalidade de conferir estabilidade dimensional à madeira, tem sido pesquisada nos Estados Unidos desde a década de 40, quando STAMM patenteou esse processo de madeira tratada de ‘’staybwood” (madeira estável). No Brasil, uma das primeiras referências sobre a termorretificação foram os resultados sobre a influência da temperatura na redução da massa, modificação na densidade e composição química da madeira e sobre a capacidade de retração volumétrica de Eucalyptus saligna.Desenvolveu-se também um projeto de preservação de algumas espécies nativas da Caatinga e Eucalyptus sp. através de retificação térmica, confirmando dados da literatura, como a resistência ao ataque de fungos e a perda da resistência (ou flexibilidade) das espécies tratadas.

Recentemente, ao avaliar o resultado um tratamento em condições de temperatura de 100°C e umidade relativa de 100%, respectivamente, concluiu que a umidade de equilíbrio da madeira de Eucalyptus dunnii, e o teor de umidade de equilíbrio reduziu de forma significativa com esse tratamento.

A madeira de Pinus caribaea foi termorretificada com tratamentos na faixa de 120°C a 180°C, observando a influência desse aquecimento sobre a colagem na madeira. Foi observado para a madeira de Pinus caribaea, a tendência de que o aumento da temperatura de termorretificação ocasiona a redução na resistência ao cisalhamento na linha de cola.

Existem trabalhos sobre a estabilização dimensional da madeira, mas utilizando outros tratamentos. Os autores avaliaram a capacidade de um resíduo de origem petrolífera (LCO ou “Liquid Cycle Oil” – Ciclo do Óleo Líquido) no aumento da estabilidade dimensional das madeiras de Pinus sp. e Mimosa scabrella. Quanto maior for a concentração da solução de tratamento, maior depósito permanecerá no interior da parede celular, reduzindo a contração da madeira proporcionalmente ao volume ocupado pelo soluto em solução. Assim, a estabilidade dimensional depende principalmente do preenchimento das fibras, o que pode produzir resultados não satisfatórios, dependendo da permeabilidade da peça.

Analisando as possíveis modificações da madeira tratada termicamente, esclarecem que a maior estabilidade advém devido à redução na higroscopicidade, pela degradação do constituinte mais hidrófilo que é a hemicelulose, pela quebra dos polímeros da lignina e pelo surgimento de novas ligações químicas entre eles, sendo o fenômeno denominado “reticulação”. Frente à elevação da temperatura, a degradação ocorre primeiro com as hemiceluloses, seguido da celulose e, por fim, da lignina. Esta última, embora comece a degradar em temperatura mais baixa (em torno de 150°C), observa-se que a sua degradação é mais lenta, ao contrário das hemiceluloses e da celulose. Contudo, é relevante salientar que a degradação da lignina acontece na região de 250 a 500°C sem, no entanto, estar completa. Já a hemicelulose degrada com mais facilidade devido a sua natureza amorfa e, por isso, menos estável. .

A madeira retificada termicamente é obtida pelo princípio da termodegradação de seus constituintes na ausência de oxigênio, ou forte deficiência de ar É definida, 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. Conceitua-se pirólise como carbonização ou destilação seca, isto é, um processo em que a madeira é aquecida em uma atmosfera controlada.

Desse modo, ao promover a degradação da hemicelulose, a termorretificação confere à madeira um aspecto de baixa higroscopicidade. Essa redução da higroscopicidade pode ser facilmente identificada ao submeter amostras de madeira tratada e não tratada termicamente às mesmas condições de umidade. As amostras tratadas atingem um teor de equilíbrio menor do que as não tratadas, evidenciando a perda de higroscopicidade. Essa característica, portanto, impede que a peça permute grandes quantidades de água com o meio, conferindo-lhe maior estabilidade dimensional. Verifica-se que os corpos-de-prova vaporizados não apresentaram o mesmo teor de umidade de equilíbrio dos corpos-de-prova controle, após o condicionamento em ambiente com temperatura de 21°C e umidade relativa de 65%, o que corrobora a eficiência do tratamento térmico para fins de estabilização dimensional da madeira.

É interessante salientar que os resultados referentes à termorretificação dependem de um conjunto de fatores, como: taxa de aquecimento, temperatura final e tempo de tratamento, uso de atmosfera redutora ou oxidante, pressão e a espécie de madeira tratada.

Metodologia

O projeto foi desenvolvido no Laboratório de Produtos Florestais no IBAMA, nas instalações do setor de energia da biomassa e setor de secagem de madeiras.

Foi utilizada a madeira de Pinus caribaea var. hondurensis proveniente de um reflorestamento de 9 anos, situado no município de Prata (Minas Gerais). É importante ressaltar que, em função da idade do povoamento, trabalhou-se excencialmente com o lenho juvenil. A partir dessas toras de Pinus, foram retirados e lixados os corpos-de-prova de dimensões 2x2x2 cm, perfeitamente orientados em relação aos eixos do tronco da árvore. Os corpos-de-prova numerados totalizaram 40 amostras e cada tratamento foi realizado com 8 repetições, portanto, 5 tratamentos (referência, 120°C, 140°C, 160°C, 180°C). Essas amostras foram termorretificadas em uma autoclave, colocando-os em uma cesta metálica, acima de um fundo falso, de modo que não ficassem em contato direto com a água do fundo da autoclave.

Esses tratamentos foram realizados com os corpos-de-prova saturados em água, submetidos a aquecimento em meio oxidante, saturado de vapor de água, propiciando assim uma termo-hidrólise. Nos tratamentos de 140C, 160C e 180C, foi programado um patamar na temperatura de 105C, de forma a permitir o material ultrapassar de forma homogênea a transição viscoelástica da lignina.

Após o término do tratamento de termorretificação, o resfriamento foi efetuado com a abertura da tampa da autoclave em temperatura próxima a 100°C. Após tratamento, as amostras foram pesadas e então saturadas em água, a fim de proporcionar uma condição inicial homogênea, tomada como ponto de partida da secagem na sala de climatização. Nessa sala, as amostras permaneceram até atingirem o equilíbrio higroscópico com o meio, cuja temperatura média esteve em torno de 20oC e a umidade relativa do ar em torno de 65%.

Após a climatização, as amostras foram armazenadas em uma cuba de acrílico hermeticamente vedada com silicone, de modo que a atmosfera dentro do aparato se mantivesse constante e com umidade relativa do ar igual a 90%. A umidade dentro da cuba foi obtida e mantida constante por uma solução saturada de sulfato de zinco, sem que a mesma entrasse em contato com os corpos-de-prova. A temperatura da sala foi mantida a 19oC por um aparelho de ar condicionado. Sob essas condições, acompanhou-se a variação da massa das amostras em intervalos regulares até atingir a umidade de equilíbrio. Durante o condicionamento na cuba de atmosfera igual a 90%, o registro da variação da massa foi realizado em uma balança eletrônica de marca BEL, de precisão 0,001g.

Cuba de acrílico, com umidade relativa de 90 %, contendo os corpos-de-prova acima de uma solução saturada de sulfato de zinco ao fundo.

As amostras, após estabilização da umidade na cuba, foram secas em estufa a 103°C ± 2oC até massa constante.

O procedimento adotado para definir o teor de umidade de equilíbrio de cada corpo-de-prova foi de obter a média das quatro últimas medições de massa após estabilização, tanto na situação de 65% quanto 90% de umidade relativa do ar. Essa média foi adotada como a umidade de equilíbrio naquelas condições e considerada como peso úmido para cálculo do teor de umidade de equilíbrio da madeira de cada tratamento.

A partir do teor de umidade de equilíbrio das amostras de cada tratamento, foi efetuada a análise de variância e realização do teste de Tukey, para comparar o teor de umidade de equilíbrio dos tratamentos. Tal metodologia permitiu verificar a inflluência da retificação térmica sobre o teor de umidade de equilíbrio e, indiretamente, sobre a higroscopicidade da madeira. O mesmo procedimento de análise dos teores de umidade de equilíbrio foi usado para a fase de condicionamento na sala de climatização, o que permitiu comparar o efeito do tratamento térmico em duas atmosferas distintas.

Resultados

Foi possível confirmar o escurecimento das amostras devido ao tratamento térmico, fato que foi mais proeminente na temperatura de 180C .Além da cor, observou-se que o tratamento a 180C provocou carbonização parcial de uma amostra, provavelmente porque estava no fundo da cesta em contato com o metal. Foi constatada ainda a redução de massa das amostras nas quatro termorretificações, sendo que esse efeito foi mais acentuado para o tratamento a 180C. De acordo com o processo , a redução na massa pode ser atribuída à perda de água livre e higroscópica e à degradação parcial das hemiceluloses.Na condição de 90% de umidade, é possível observar que as amostras tratadas atingiram um teor de equilíbrio menor do que as não tratadas, evidenciando a perda de higroscopicidade. .

Contudo, essa diferença esperada entre os teores de umidade de equilíbrio dos tratamentos não foi tão evidente na condição de 65% de umidade.Apesar de não demonstrar com clareza a redução do teor de umidade de equilíbrio, a análise estatística mostra uma diferença significativa entre os tratamentos em nível de 5% de probabilidade. Em ambas condições de umidade relativa do ar, de 65% e 90%, o teste F foi significativo. .

Foi possível observar que as madeiras tratadas apresentaram maiores teores de umidade de saturação do que a referência. Tal constatação pode ser explicada pelo efeito do tratamento térmico ter ocasionado a degradação de parte de seus constituintes, tornando-a mais porosa e, portanto, proporcionando maior absorção de água livre. Apesar disso, a higroscopicidade da madeira foi reduzida, como é evidenciado pelas médias dos teores de umidade de equilíbrio na sala de climatização. .

Se há distinção clara entre o teor de umidade de equilíbrio dos tratamentos, essa diferença é notada e quantificada estatisticamente em outro estudo. Assim, observando-se o equilíbrio de umidade das amostras na sala de climatização, pode-se notar que: ao nível de 5% de significância não existe diferença entre a referência e 120oC. O mesmo acontece entre 120oC e 140oC, entre 140oC e 160oC e entre 160oC e 180oC. Apesar do teste de Tukey não indicar diferença significativa entre alguns tratamentos, é possível notar redução no teor de umidade de equilíbrio à medida que a temperatura do tratamento é elevada. .

A igualdade estatística das médias, na condição de 65% de umidade, pode ser explicada pelo uso de balança de menor precisão para acompanhar a variação de massa dos corpos-de-prova. Além do fato de que a sala de climatização apresenta variações em suas condições de temperatura e umidade relativa do ar, que podem ter influenciado as variações do equilíbrio da madeira. .

Para a umidade de 90%, o teste de Tukey confirmou o observado na figura 5, indicando que os teores de umidade de equilíbrio dos tratamentos diferiram estatisticamente em nível de 5% de probabilidade.

A redução da higroscopicidade está de acordo com diversas citações na literatura. Essa redução é observada pelo decréscimo do teor de umidade de equilíbrio das amostras retificadas em relação à referência. .

O tratamento em meio não oxidante, previsto inicialmente, não foi realizado em função da limitação de tempo para o projeto de iniciação científica, devendo ser efetuado em uma nova etapa da pesquisa no LPF/IBAMA. .

Comparação entre médias dos teores de umidade de equilíbrio obtidos na condição de 90% de umidade por meio do teste de Tukey (5% de probabilidade). .

A retificação térmica, como descrita nessa metodologia, é um tratamento eficiente para promover a redução na higroscopicidade da madeira e, conseqüentemente, pode tornar-se uma alternativa promissora para promover maior estabilidadade dimensional da madeira. .

Conforme mencionado na literatura, o teor de umidade de equilíbrio das amostras tratadas termicamente foi inferior ao valor encontrado para a referência. Sob esse aspecto, o tratamento térmico pode ser utilizado para produzir produtos florestais de maior qualidade e valor no mercado, configurando-se como um possível incremento no beneficiamento de madeiras. Além de potencializar o uso de madeiras marginalizadas, poupando a utilização de madeiras intensamente exploradas. .

A realização deste trabalho permitiu analisar a higroscopicidade da madeira de Pinus caribaea var. hondurensis, porém seria interessante efetuar medições dos corpos-de-prova para quantificar a variação dimensional nos diferentes tratamentos. Ademais, sugere-se a realização do tratamento térmico em meio não-oxidante e efetuar comparações com a termo-hidrólise.

Lívia Marques Borges.

Waldir Ferreira Quirino, PhD.
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Extraido da Revista da Madeira
http://www.remade.com.br/pt/revista_materia.php?edicao=89&id=736


 

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