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i UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA FLORESTAL Influência de Tratamentos Térmicos em duas Propriedades Mecânicas das Madeiras de Pinus sp. e Eucalyptus urograndis. Estudante: Gabriela da Silva Xavier, Matrícula 08/30194 Orientador: Fernando Nunes Gouveia LPF/SFB Co-orientador: Prof. Alexandre Florian da Costa EFL/FT Projeto de pesquisa apresentado ao Departamento de Engenharia Florestal da Universidade de Brasília, como parte das exigências para obtenção do título de Engenheiro Florestal. Brasília DF, março de 2013

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA FLORESTAL

Influência de Tratamentos Térmicos em duas

Propriedades Mecânicas das Madeiras de Pinus sp. e

Eucalyptus urograndis.

Estudante: Gabriela da Silva Xavier, Matrícula 08/30194

Orientador: Fernando Nunes Gouveia – LPF/SFB

Co-orientador: Prof. Alexandre Florian da Costa – EFL/FT

Projeto de pesquisa apresentado

ao Departamento de Engenharia

Florestal da Universidade de

Brasília, como parte das

exigências para obtenção do

título de Engenheiro Florestal.

Brasília – DF, março de 2013

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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA

FACULDADE DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA FLORESTAL

Influência de Tratamentos Térmicos em duas Propriedades

Mecânicas das Madeiras de Pinus sp. e Eucalyptus urograndis.

Aluna: Gabriela Da Silva Xavier

Matrícula: 08/30194

Trabalho Final de Curso apresentado ao Departamento de Engenharia Florestal

da Universidade de Brasília, como requisito parcial para obtenção do título de

Engenheira Florestal.

Menção: _____

Aprovado por:

_____________________________________

Dr. Fernando Nunes Gouveia

Orientador (LPF/SFB/MMA)

_____________________________________

Prof. Dr. Alexandre Florian da Costa

Coorientador (EFL/UnB)

_____________________________________

Prof. Dr. Ailton Teixeira do Vale

Membro Externo da Banca (EFL/UnB)

Brasília – DF, março de 2013.

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AGRADECIMENTOS

Agradeço a Deus, por sua companhia, apoio espiritual e por guiar minha vida.

A minha família; aos meus pais Dalva e Geraldo, e ao meu irmão Fernando (in

memoriam) pela compreensão, amor, carinho e apoio incondicional aos meus sonhos.

A Universidade Brasília, por me proporcionar grande aprendizado e muitos momentos

de felicidades, pelos amigos que fiz.

Aos amigos da NOVACAP e Câmara dos Deputados pelo apoio, aprendizado e

momentos muito felizes.

Aos funcionários do LPF pela ajuda e ensinamentos durante o desenvolvimento do

projeto.

Aos professores do Departamento de Engenharia Florestal pela formação e orientação

na carreira de Engenheira Florestal.

Ao meu Orientador e Coorientador, Fernando Nunes Gouveia e Alexandre Florian da

Costa, pela enorme paciência, apoio, orientação e colaboração. Muito Obrigada.

Em especial agradeço ao meu colega de curso, Renato Vieira Tormin, pelo

companheirismo, ajuda, apoio e cooperação durante o projeto.

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RESUMO

Influência de Tratamentos Térmicos em duas Propriedades Mecânicas das

Madeiras de Pinus sp. e Eucalyptus urograndis.

O tratamento térmico tem sido utilizado com o objetivo conferir maior estabilidade

dimensional, bem como melhorar as propriedades mecânicas na madeira. O presente

estudo teve como objetivo avaliar a resistência mecânica das madeiras do híbrido

Eucalyptus urograndis e Pinus sp. tratadas termicamente. Para tanto, três árvores de

cada espécie foram utilizadas as quais foram classificadas em 3 alturas a partir da base

do seu fuste. O tratamento térmico foi realizado em estufa com duas temperaturas,

180ºC e 200°C, com dois tempos de exposição de 1 e 2 horas, totalizando quatro

tratamentos térmicos. A resistência mecânica da madeira foi avaliada através de dois

métodos destrutivos e um método não destrutivo utilizando o equipamento Stress Wave

Timer. Os resultados mostraram que a resistência mecânica foi afetada positivamente

pelos tratamentos térmicos, com incremento significativo para o Pinus sp. em todos os

tratamentos, e em dois tratamentos no Eucalyptus urograndis. A correlação linear entre

o método destrutivo e não destrutivo de resistência à flexão não foi satisfatória. A

resistência à flexão e a densidade não sofreram alterações significativas dos tratamentos

térmicos.

Palavras-chave: Tratamento térmico, Resistência mecânica, Stress Wave Timer, Pinus

sp., Eucalyptus urograndis.

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ABSTRACT

Influence of Heat Treatment on Mechanical Properties of two woods of Pinus sp.

and Eucalyptus urograndis.

The heat treatment has been used in order to confer greater dimensional stability as well

as improve mechanical properties on wood. The present study aimed to evaluate the

mechanical strength for Eucalyptus urograndis and Pinus sp. heat treated. For this

purpose, three trees of each species were used which were classified in 3 heights from

the base of its stem. The heat treatment was performed in an oven with two

temperatures, 180°C and 200°C, with two exposure times of 1 and 2 hours, totaling four

heat treatments. The mechanical strength of the wood was assessed by two methods

destructive and one non-destructive method using equipment Stress Wave Timer. The

results showed that the strength was positively affected by heat treatment, with

significant growth for Pinus sp. in all of treatments and in two treatments for Eucalyptus

urograndis. The linear correlation between the destructive and non-destructive method

for bending strength was not satisfactory. The bending strength and density did not

change significantly the heat treatments.

Keywords: Heat treatment, Mechanical resistance, Stress Wave Timer, Pinus sp.,

Eucalyptus urograndis.

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SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS................................................................................................ VIII

LISTA DE TABELAS .................................................................................................. IX

1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................1

2 OBJETIVO ...............................................................................................................2

3 HIPÓTESE ...............................................................................................................2

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................2

4.1 Espécies de Madeiras ..................................................................................... 2

4.1.1 Pinus ................................................................................................................. 2

4.1.2 Eucalipto ........................................................................................................... 3

4.1.2.1 Eucalyptus urograndis ................................................................................ 4

4.2 Propriedades Mecânicas da Madeira ........................................................... 4

4.2.1 Testes mecânicos destrutivos ........................................................................... 5

4.2.1.1 Ensaio de Flexão Estática ........................................................................... 5

4.2.1.2 Ensaio de Compressão Paralela às fibras ................................................... 5

4.2.2 Testes não destrutivos ....................................................................................... 6

4.2.2.1 Stress Wave ................................................................................................. 6

4.3 Massa Específica ............................................................................................. 6

4.4 Tratamento Térmico ...................................................................................... 7

4.4.1 Modificações químicas da madeira exposta à temperatura .............................. 8

5 MATERIAL E MÉTODOS .....................................................................................8

5.1 Confecção e Preparo dos Corpos de Prova .................................................. 8

5.2 Massa Específica Básica ............................................................................... 10

5.3 Tratamentos Térmicos ................................................................................. 10

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5.4 Avaliação da Resistência por Meio de Stress Wave. .................................. 11

5.5 Avaliação da Resistência Mecânica da Madeira ........................................ 12

5.5.1 Flexão estática ................................................................................................ 12

5.5.2 Compressão paralela às fibras ........................................................................ 12

5.6 Análise Estatística ......................................................................................... 13

6 RESULTADOS E DISCUSSÕES .........................................................................13

6.1 Massa Específica Básica ............................................................................... 13

6.1.1 Eucalyptus Urograndis ................................................................................... 13

6.1.2 Pinus sp. ......................................................................................................... 14

6.2 Avaliação de Testes Destrutivos .................................................................. 15

6.2.1 Eucalyptus Urograndis ................................................................................... 15

6.2.2 Pinus sp. ......................................................................................................... 16

6.3 Análise do Ensaio Destrutivo x Ensaio Não Destrutivo ............................ 17

6.3.1 Eucalyptus Urograndis ................................................................................... 17

6.3.2 Pinus sp. ......................................................................................................... 19

7 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ............................................................21

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................22

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Corpos de prova na estufa antes dos tratamentos térmicos (A) e corpos de

prova após os tratamentos térmicos (B).............................................................................11

Figura 2- Densidade de Eucalyptus Urograndis antes e depois dos tratamentos

térmicos..............................................................................................................................13

Figura 3- Densidade de Pinus sp. antes e depois dos tratamentos térmicos.....................14

Figura 4 - Comportamento linear comparativo nos tratamentos térmicos entre Módulo de

elasticidade e Módulo de elasticidade Dinâmico em Eucalyptus urograndis...................17

Figura 5 - Comportamento linear comparativo nos tratamentos térmicos entre Módulo de

elasticidade e Módulo de elasticidade Dinâmico em Pinus sp..........................................19

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Tratamentos térmicos realizados em cada espécie..............................................9

Tabela 2- Resultados do ensaio de Compressão Paralela e Flexão Estática (MOR, MOE)

de Eucalyptus urograndis tratados termicamente..............................................................15

Tabela 3- Resultados do ensaio de Compressão Paralela e Flexão Estática (MOR, MOE)

de Pinus sp. tratados termicamente....................................................................................16

Tabela 4-Modelo de regressão linear para estimativa da resistência à flexão de E.

urograndis..........................................................................................................................17

Tabela 5-Modelo de regressão linear para estimativa da resistência à flexão de Pinus

sp........................................................................................................................................18

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1 INTRODUÇÃO

O uso de tratamento térmico em madeiras de uso comercial tem imensa

importância, sobretudo no momento que o Brasil se encontra em busca do crescimento

sustentável.

O uso de tratamentos térmicos em madeiras além de poder melhorar as

propriedades mecânicas, pode proporcionar a diminuição do uso de produtos químicos

agressivos e que demandam grandes investimentos, e assim, abrir um novo mercado de

madeiras com propriedades melhoradas e com métodos de obtenção facilitados.

Os resultados obtidos em artigos científicos relacionados a madeiras tratadas

termicamente têm impulsionado novas pesquisas no Brasil, possibilitando o crescimento

dessa prática, e disponibilizando novos métodos de tratamento de madeiras.

Esse crescimento é pode ser explicado pelo maior valor agregado e custo-

benefício desta madeira com características melhoradas, pois ela pode apresentar maior

tempo de vida útil em serviço, menor variação dimensional, menor susceptibilidade ao

ataque de organismos xilófagos. Por conseguinte, o consumo de novos recursos

madeireiros diminui, ou seja, o desmatamento de novas áreas diminui em detrimento

dessas madeiras. Em contrapartida, o uso de tais materiais incentiva o aumento do

consumo consciente e de qualidade de matéria-prima florestal.

Madeiras como as dos gêneros Pinus e Eucalipto, que movimentam diversos

segmentos de produção, seja fornecendo energia, ou como produto em si, ainda tem

problemas em atingir parcelas do mercado mais exigentes, como movelaria e uso

estrutural, estes setores demandam madeiras de alta massa específica e de ciclo de vida

extenso, o que implica em grande valor de mercado. Todavia o valor das madeiras

destes gêneros pode ser mudado, utilizando peças tratadas termicamente, que podem

gerar um produto de alta qualidade, durabilidade, mais barato, e com diferencial

ecológico.

Segundo WINANDY e ROWELL (2005), durante a degradação térmica a

madeira pode perder resistência mecânica devido à diminuição de componentes como a

xilose, a galactose e arabinose. Entretanto, cada madeira pode reagir de modo diferente

devido a variação entre os tipos de tratamentos térmicos e das características intrínsecas

a cada espécie.

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Alguns trabalhos já constataram que os tratamentos térmicos, que utilizam

temperaturas entre 120°C e 200°C, em diferentes espécies, aumentam a dureza

superficial, melhora a compatibilidade da superfície com componentes orgânicos,

reduzem a flexibilidade, provocam escurecimento, diminuem a higroscopicidade e

resistência mecânica.

2 OBJETIVO

Este estudo tem como objetivo, avaliar os efeitos de tratamentos térmicos sobre

a resistência mecânica das madeiras de Pinus sp. e Eucalyptus urograndis por meio de

testes destrutivos e não-destrutivos.

3 HIPÓTESE

A diminuição da resistência mecânica de madeiras tratadas termicamente é

diretamente proporcional ao maior tempo de exposição e maiores temperaturas dos

tratamentos térmicos.

4 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

4.1 Espécies de Madeiras

4.1.1 Pinus

Espécies de Pinus vêm sendo introduzidas no Brasil há mais de um século para

diversas finalidades. Muitas foram trazidas por imigrantes europeus, para fins

ornamentais e também para produção de madeira. A primeira implantação que se tem

notícia foi de Pinus canariensis, proveniente das Ilhas Canárias, no Rio Grande do Sul,

por volta de 1880 (SHIMIZU, 2006).

Segundo o mesmo autor, em 1936, foram iniciados os primeiros plantios de

introdução de Pinus, de origem europeia, para fins silviculturais. No entanto, não houve

sucesso, em decorrência da má adaptação ao nosso clima. Somente em 1948, por meio

do Serviço Florestal do Estado de São Paulo, foram introduzidas, as espécies

americanas conhecidas como "pinheiros amarelos" que incluem P. palustris, P.

echinata, P. elliottii e P. taeda.

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A madeira juvenil de Pinus apresenta características indesejáveis na produção de

peças sólidas, em razão de sua presença inevitável, pois é aquela parte da tora formada

inicialmente, pelos anéis de crescimento mais próximos à medula. Alterações na

densidade não são as únicas características ligadas a juvenilidade da madeira, os

traqueóides também se alteram na madeira adulta, em relação à juvenil (SHIMIZU,

2006).

O desenvolvimento da tecnologia de utilização da madeira de Pinus e a

ampliação das alternativas de uso tornaram esse gênero cada vez mais importante e

demandado no setor florestal brasileiro. O Pinus apresenta varias utilizações, dentre

elas: madeira serrada, painéis reconstituídos, móveis, extração de celulose de fibra longa

e resina (FACCIO, 2010).

Segundo KLITZKE (2002), a secagem da madeira de Pinus no Brasil surgiu no

início da década de 80, juntamente com o desenvolvimento das indústrias de produtos

de madeira sólida, particularmente as indústrias de móveis e produtos de maior valor

agregado instaladas na região sul do país.

A grande importância desta madeira tem refletido na economia mundial, pois a

movimentação dos mercados de madeira e produtos derivados cresce continuamente,

como mostram os números do comércio entre países exportadores e importadores

(NAHUZ, 2005).

4.1.2 Eucalipto

O eucalipto é a espécie florestal mais plantada no mundo, com 17,8 milhões de

hectares. De acordo com MARCHIORI e SOBRAL (1997), o Eucalipto é uma planta

originária da Austrália, onde existem mais de 600 espécies. Dentre os países com maior

área reflorestada, destaca-se a Índia com 8 milhões de hectares, seguido do Brasil, com

cerca de 3 milhões (FAO, 2000). A eucaliptocultura no Brasil é intensiva, com elevada

produtividade média da ordem de 45-60 m³/ha/ano (MORA e GARCIA, 2000), e está

baseada principalmente em florestas clonais (ALFENAS et al., 2004).

A madeira de Eucalipto é considerada medianamente leve, fácil de ser

trabalhada em operações de usinagem. É considerada de baixa estabilidade, mas de

elevada permeabilidade. É utilizada intensivamente na Austrália, África do Sul, Brasil e

Argentina como madeira de construção, movelaria e celulose e papel, além de

caixotaria, páletes, carvão e mourões (ROSSO, 2006).

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Pelo seu elevado ritmo de crescimento, adaptabilidade à variadas condições

climáticas e troncos limpos e esteticamente atrativos, o Eucalyptus sp. passou a ser

considerado, há várias décadas, como um dos mais importantes gêneros utilizados em

reflorestamento de rápido crescimento em todo o mundo (SEVERO, 2000).

Segundo Jankowsky, et al. (2000) existe a necessidade de adequação dos

processos de beneficiamento da madeira, pois a utilização do eucalipto implica no

processamento de árvores jovens e com diâmetros reduzidos. O grande desafio é buscar

alternativas de processos técnica e economicamente viáveis, objetivando madeira e

produtos derivados com razoável padrão de qualidade, bem como a redução nos custos

de beneficiamento.

4.1.2.1 Eucalyptus urograndis

O Eucalyptus urograndis é um hibrido desenvolvido no Brasil, através do

cruzamento do E. grandis x E. urophylla. Atualmente mais de 600.000 ha são

cultivados com este hibrido, constituindo a base da silvicultura clonal brasileira. O

objetivo do cruzamento destas duas espécies é obter plantas com um bom crescimento,

características do E. grandis e um leve aumento na densidade da madeira e melhorias no

rendimento e propriedades físicas da celulose, características do E. uroplylla. A

rusticidade, propriedades da madeira e resistência ao déficit hídrico do E. uroplylla

também fazem parte deste interesse no cruzamento destas duas espécies (AGROTECA

TANABI, 2008).

O primeiro cultivo de E. urograndis foi no estado do Espírito Santo no final da

década de 1970. Porém só na década de 1990 que esta espécie impulsionou o ritmo de

crescimento florestal, bem como a qualidade mais homogênea das florestas plantadas

(COSTA, J. A., 2011 apud LOPES, 2008).

4.2 Propriedades Mecânicas da Madeira

As propriedades mecânicas da madeira são fortemente influenciadas por fatores

diversos, como idade da árvore, ângulo da grã, teor de umidade, temperatura,

constituintes químicos, fadiga, apodrecimento, massa específica, constituição

anatômica, duração da tensão e da deformação, radiação nuclear, falhas na madeira,

presença de nós e outros defeitos (KOLLMANN & CÔTÉ, 1968).

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As aplicações do estudo de propriedades mecânicas da madeira estão ligadas a

construções e produção de móveis, barcos, carrocerias, enfim todo uso comercial que se

pretende dar às peças de madeira que estarão submetidas a esforços (MADY, 2010).

4.2.1 Testes mecânicos destrutivos

As propriedades mecânicas definem o comportamento de uma espécie de

madeira quando submetida a esforços de natureza mecânica, permitindo compará-la

com espécies e por analogia, indicar usos potenciais (STANGERLIN et al., 2008).

4.2.1.1 Ensaio de Flexão Estática

De acordo com Yang e Evans (2003), o módulo de elasticidade obtido em flexão

é uma propriedade mecânica que tem recebido considerável atenção, sobretudo quando

se trata de madeiras provenientes de plantações comerciais de rápido crescimento, pois

estas madeiras suprem a demanda comercial. Esse material, geralmente, contém grande

proporção de madeira juvenil (JANKOWSKY, 1979) e pode não apresentar

propriedades mecânicas satisfatórias para determinados usos (EVANS et al., 2000). Na

literatura encontram-se vários estudos que investigam as propriedades mecânicas

medidas em ensaio de flexão (TREVISAN et al., 2007; LIN e FU, 2008). Entretanto,

verifica-se que poucos são os trabalhos que avaliam a rigidez e a resistência medidas em

ensaio de compressão paralela às fibras da madeira.

4.2.1.2 Ensaio de Compressão Paralela às fibras

Como o próprio nome do ensaio sugere a compressão paralela às fibras ou

compressão axial, é avaliada com a aplicação de uma carga no sentido das fibras da

madeira, com velocidade controlada, até a sua ruptura. Da mesma forma que para a

determinação da flexão estática, na avaliação da compressão axial é usual a

determinação do limite de elasticidade, para cálculo do módulo de elasticidade ao

esforço a compressão paralela às fibras (MORESCHI 2010).

Ainda segundo o mesmo autor, para a determinação do módulo de elasticidade e

da resistência máxima à compressão axial, ou compressão paralela às fibras, utiliza-se

da tabela de carga de deformação ou do gráfico confeccionado com estes valores para a

determinação do limite de proporcionalidade, da deformação e da carga aplicada

correspondente.

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4.2.2 Testes não destrutivos

Os métodos utilizados para classificar a madeira não destrutivamente possuem o

objetivo de facilitar a especificação do material na fase de concepção do projeto

estrutural, enquanto os métodos de classificação visual e mecânica são utilizados com a

intenção de homogeneizar e selecionar lotes de madeira com características específicas,

visando o adequado aproveitamento do material para fins estruturais (SALES, 1998).

Ensaios não destrutivos de madeira podem ser definidos como métodos

utilizados para identificação das propriedades físicas e mecânicas de um material sem

que haja o comprometimento de seu uso final (GABRIEL, 2000).

4.2.2.1 Stress Wave

Novas técnicas, como os métodos não destrutivos estão sendo estudados para a

avaliação das propriedades da madeira e de seus subprodutos. Dentre eles, podem ser

destacados os testes de stress wave, ultrassom, deflexão, propriedades elétricas,

radiações gama, espectroscopia no infravermelho próximo e método de raios X

(MORALES, 2006).

Na técnica de stress wave, são geradas ondas através de uma vibração produzida

por impacto na peça em estudo. Mede-se a velocidade do som, cujo valor é utilizado na

determinação da constante dinâmica (BODIG, 2001). O stress wave utiliza baixos

movimentos moleculares de tensão para medir duas propriedades fundamentais dos

materiais: a energia armazenada e a dissipação. A energia armazenada manifesta-se pela

velocidade com a qual a onda percorre o material, enquanto que a taxa sob a qual a onda

é atenuada é uma indicação de dissipação de energia (MORALES, 2006).

4.3 Massa Específica

Segundo SILVA (2002) a massa específica da madeira é o resultado de uma

complexa combinação dos seus constituintes internos, fornecendo inúmeras

informações sobre as características da madeira, devido principalmente a sua íntima

relação com várias outras propriedades. Segundo o mesmo autor, esta característica

torna-se um parâmetro muito utilizado para qualificar a madeira nos diversos segmentos

da atividade industrial. HASELEIN et al. (2002) afirmam existir uma estreita relação

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entre a massa específica da madeira e as propriedades mecânicas sendo que, desta

forma, qualquer fator que acarrete alteração na primeira irá produzir efeitos nas últimas.

4.4 Tratamento Térmico

O tratamento térmico tem como princípio a termodegradação de seus

constituintes. É definido, também como o produto de uma pirólise controlada,

interrompida antes de atingir o patamar das reações exotérmicas (280°C), quando se

inicia a combustão espontânea da madeira. É interessante salientar que os resultados em

decorrência dos tratamentos térmicos dependem de um conjunto de fatores: taxa de

aquecimento, temperatura final, tempo de tratamento, atmosfera redutora ou oxidante,

pressão e espécie de madeira tratada (BORGES, 2005).

O tratamento térmico diminui a higroscopicidade da madeira, tornando-a

dimensionalmente mais estável e também podendo ser utilizado como método

preservativo devido à alteração de alguns constituintes da madeira, o que pode ocorrer

pela deterioração de hemiceluloses como as pentosanas, base nutritiva para o

desenvolvimento de colônias de fungos, ou pela esterificação da celulose pelo ácido

acético, liberado pela quebra das hemiceluloses, ou mesmo pela formação de novos

compostos como o furfural, que se une às cadeias aromáticas da lignina (WEILAND e

GUYONNET, 2003).

O tratamento térmico, com a finalidade de conferir estabilidade dimensional à

madeira, tem sido pesquisado nos Estados Unidos desde a década de 40, quando

STAMM patenteou esse processo de madeira tratada e deu a ele o nome de

“staybwood”.

Os trabalhos já efetuados mostraram que o tratamento térmico aumenta a dureza,

reduz a flexibilidade da madeira, altera a cor e reduz sua higroscopicidade, conferindo

lhe uma melhor estabilidade dimensional. A modificação térmica possibilita maior

homogeneidade à madeira, colocando à disposição do mercado algumas espécies

atualmente marginalizadas (AZEVEDO, 2006).

A melhoria na estabilidade dimensional pode ser explicada pela alta degradação

das hemiceluloses, o mais hidrofílico dos constituintes da madeira e, por conseguinte,

da redução dos sítios de sorção, principalmente as hidroxilas (BRITO et al., 2006;

WEILAND e GUYONNET, 2003). A menor variação dimensional da peça agrega valor

ao produto comercializado (BORGES e QUIRINO, 2004).

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Segundo JONES e HILL (2007), as propriedades de madeiras modificadas pelos

tratamentos de calor incluem: mudança na coloração; redução da contração e

inchamento entre 50 e 90%; aumento da durabilidade natural; e redução nas

propriedades mecânicas em até 30%.

4.4.1 Modificações químicas da madeira exposta à temperatura

De acordo com TSOUMIS (1991) temperaturas acima de 100°C causam a

evaporação da umidade; entre 95°C e 150°C ou mais ocorre a evaporação de

substâncias voláteis; entre 150°C e 200°C ocorre a carbonização superficial e lenta

liberação de gases inflamáveis; entre 200°C e 370°C ocorre a liberação rápida de gases

inflamáveis seguida de ignição; e entre 370°C e 500°C ocorre a ignição dos gases

inflamáveis e formação de carvão.

Segundo o mesmo autor, durante a decomposição térmica da madeira, produtos

como monóxido de carbono, ácido fórmico, ácido acético, metano e alcatrão podem ser

formados. Além disso, ao variar a intensidade da temperatura e o tempo de exposição, a

madeira pode apresentar as seguintes modificações: perda de massa; alterações da

estrutura microscópica; amaciamento, redução da higroscopicidade, aumento da

contração e redução da resistência mecânica.

O teor de hemicelulose da madeira diminui sensivelmente, quando tratada

termicamente, devido ao seu baixo peso molecular e sua estrutura ramificada.

Simultaneamente a madeira também perde extrativos e outras substâncias secundárias,

de baixo peso molecular, solúveis em água, oriundas dos outros componentes da

madeira. A quantidade destes compostos é dependente da espécie, da temperatura, da

taxa de aquecimento e do tempo de exposição da madeira no tratamento (PONCSÁK et

al., 2006).

5 MATERIAL E MÉTODOS

5.1 Confecção e Preparo dos Corpos de Prova

Foram utilizadas três árvores de Eucalyptus urograndis com 13 anos de idade e

três árvores de Pinus sp. com 20 anos de idade, provenientes de plantios na Fazenda

Água Limpa (FAL), pertencente à Universidade de Brasília (UnB), DF. A FAL está

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9

localizada a uma altitude média de 1.100m, 47°59’02,23”W e 15°58’32,77”S, dentro da

Área de Proteção Ambiental Gama e Cabeça-de-Veado, DF.

As árvores foram inicialmente cortadas em toretes de um metro, e encaminhadas

ao Laboratório de Produtos Florestais-LPF do Serviço Florestal Brasileiro-SFB, para

serem armazenadas e posteriormente processadas.

Para avaliação em nível de posicionamento dos corpos de prova, foram

estabelecidas três alturas (base, meio e topo) a partir da definição dos primeiros oito

toretes de cada árvore. Os toretes 1 e 2 corresponderam à base, os toretes 3, 4 e 5 ao

meio, e os toretes 6, 7 e 8 ao topo. Foram avaliados dois níveis de temperatura (180ºC,

200°C) e dois níveis de tempo de exposição (1 e 2 horas), totalizando quatro

tratamentos térmicos. (Tabela 1).

Tabela 1: Tratamentos térmicos realizados em cada espécie de madeira.

Tratamentos Temperatura Tempo Posição

I 180°C 1 hora

Base

Meio

Topo

II 180°C 2 horas

Base

Meio

Topo

III 200°C 1 hora

Base

Meio

Topo

IV 200°C 2 horas

Base

Meio

Topo

A obtenção das tábuas ocorreu primeiramente com o corte das toras ao meio, e

em seguida processadas em tábuas com espessura de 30 mm.

As tábuas foram redimensionadas em amostras medindo 600 x 30 x 30

mm (comprimento x largura x espessura), e secas em estufa com circulação de ar da

marca CIENLAB sob a temperatura de 40°C para evitar o empenamento das madeiras

de Eucalipto e o surgimento de fungos nas madeiras de Pinus. Logo após esse processo,

as amostras foram submetidas a uma avaliação visual de suas condições quanto à

orientação dos anéis de crescimento, ocorrência de nós, defeitos como empenamento,

encurvamento, para que fossem selecionadas as amostras com as melhores condições

para o preparo dos corpos de prova.

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10

A partir das amostras pré-selecionadas, foram selecionadas, aleatoriamente, 25

corpos de prova por posição axial, para cada uma das espécies. Após a aleatorização,

foram confeccionados os corpos de prova com dimensões 350 x 20 x 20 mm

(comprimento x largura x espessura) destinados aos testes de flexão estática e stress

wave, e 100 x 25 x 25 mm (comprimento x largura x espessura) para determinação de

compressão paralela e densidade básica.

Após o redimensionamento, cada corpo-de-prova foi lixado manualmente. O

lixamento dos corpos de prova teve por objetivo remover as imperfeiçoes oriundas do

corte da serra e deixá-los mais homogêneos possíveis, de forma a não interfir na

obtenção dos dados e consequentemente, nos resultados. Após o processo de lixamento

os corpos de prova foram armazenados na sala de climatização (65% UR; 20ºC) até

atingir massa constante.

5.2 Massa Específica Básica

A massa específica básica foi determinada antes e após a realização dos

tratamentos térmicos, em diferentes grupos de corpos de prova, em quantidades iguais.

Em laboratório as amostras foram imersas em água até atingirem a saturação completa.

O volume das amostras foi determinado em balança eletrônica com 0,01 g de precisão e

todas as dimensões foram mensuradas com um paquímetro digital de 0,01 mm de

precisão. Após a determinação do volume, as amostras foram levadas à estufa de

secagem a temperatura de 103 ± 2°C até atingirem massa constante, sendo a seguir

determinada a massa específica básica através da equação 1:

saturado

seco Básica Específica Massa

Volume

Peso Eq. 1

5.3 Tratamentos Térmicos

Após o período de climatização, alguns corpos de prova foram encaminhados

para testes preliminares em estufas para ajuste dos tratamentos. Após vários ensaios

preliminares, optou-se por realizar o tratamento térmico utilizando estufa com

circulação e renovação de ar da marca TECNAL modelo TE-394/2 do LPF. Para cada

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11

tratamento foram utilizados 5 corpos de prova por altura e outros 5 utilizados como

testemunhas, totalizando 20 amostras de cada dimensão, por tratamento/espécie.

Figura 1: Corpos de prova na estufa antes os tratamentos térmicos (A) e corpos de prova

após os tratamentos térmicos (B).

5.4 Avaliação da Resistência por Meio de Stress Wave.

Para determinação da flexão estática por meio do ensaio não destrutivo foii

utilizado um aparelho de ondas de tensão Stress Wave Timer 239A (Metriguard Inc.).

Esse aparelho verifica o tempo de propagação de uma onda de tensão através das

amostras, constituído de um sistema de garras, acelerômetros e um registrador de

tempo.

Foram realizadas leituras do tempo de propagação das ondas no sentido axial de

todas as amostras destinadas ao teste de flexão estática com dez repetições, antes e

depois dos tratamentos térmicos.

A velocidade de propagação da onda foi determinada pela equação 2 e o módulo de

elasticidade dinâmico foi determina pela equação 3.

A B

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12

60

10

t

LV Eq. 2

5

2

0 10

g

MvEd Eq. 3

Onde:

V0 = velocidade de propagação da onda, m/s;

Ed = módulo de elasticidade dinâmico, N/mm2;

L = distância percorrida pela onda, m;

t = tempo de trânsito da onda, μs;

M = massa específica da madeira, kg/m³ a 12% de umidade;

g = aceleração da gravidade, 9,804 m/s²;

5.5 Avaliação da Resistência Mecânica da Madeira

5.5.1 Flexão estática

Os testes de flexão estática foram conduzidos seguindo os procedimentos da

norma ASTM D143-94. Utilizou-se a máquina universal de ensaios mecânicos

INSTRON dotada de sistema automatizado de aquisição dos dados. Para o teste foram

confeccionados 150 corpos-de-prova de cada espécie, com dimensões de 20 x 20 x 350

mm (radial, tangencial e longitudinal).

Para avaliação da flexão estática dos corpos-de-prova, determinou-se o módulo

de elasticidade (MOE). O vão entre os apoios durante a realização dos testes foi de 280

mm e a velocidade de 1 mm/min.

5.5.2 Compressão paralela às fibras

Os ensaios de compressão paralela às fibras, assim como nos ensaios de flexão,

foram realizados na máquina INSTRON. Para o teste foram confeccionados 150 corpos-

de-prova de cada espécie, com dimensões de 25 x 25 x 100 mm (radial, tangencial e

longitudinal) com 5 repetições para cada tratamento.

O ensaio consistiu na aplicação contínua de carga em corpos de prova até o

rompimento dos mesmos.

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Os ensaios obedeceram à relação da altura do corpo-de-prova quatro vezes

maior que sua largura além da forma de realização dos ensaios, como contemplado na

norma ASTM D143-94. A velocidade de aplicação da carga foi de 0,3 mm/min.

5.6 Análise Estatística

Os dados obtidos foram analisados estatisticamente por meio de análise de

variância (ANOVA), seguida de teste de Tukey a 5% de probabilidade de erro. Para

comparação entre os métodos de avalição de resistência destrutivo e não destrutivo, foi

feita análise de correlação de Pearson (r) entre as variáveis MOE (Em) e MOED (Ed).

Posteriormente, estes dados foram utilizados para gerar um modelo de regressão linear

simples para estimar valores de uma variável em função da outra. Nesta análise foi

utilizado o método enter, em que, Em (y) foi a variável independente e Ed (x) a variável

dependente.

6 RESULTADOS E DISCUSSÕES

6.1 Massa Específica Básica

6.1.1 Eucalyptus Urograndis

Figura 2: Massa específica de Eucalyptus Urograndis antes e depois dos tratamentos

térmicos.

Analisando a Figura 2, diferentemente de estudos semelhantes, a densidade ao

longo do fuste do Eucalyptus urograndis teve uma tendência decrescente no sentido

base – topo antes dos tratamentos térmicos.

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Ao estudar a densidade básica de clones de Eucalyptus grandis,

ARANGO et al. (2005), observaram um decréscimo da densidade básica até metade da

altura seguida de um aumento até o topo. Já OLIVEIRA et al. (2005) observaram em

árvores de Eucalyptus grandis um decréscimo da densidade básica da madeira da base

até um quarto da altura seguida de um aumento até o topo da árvore.

Apesar das variações de massa específica ao longo do fuste não serem

significativas, os tratamentos térmicos, influenciaram negativamente base e meio, e

positivamente o topo,

6.1.2 Pinus sp.

Figura 3: Massa específica de Pinus sp. antes e depois dos tratamentos térmicos.

Analisando a Figura 3, no comportamento da densidade ao longo do fuste,

observa-se uma tendência decrescente no sentido base – topo antes dos tratamentos

térmicos.

Resultados semelhantes foram observados por SIQUEIRA (2004) ao estudar as

variações da massa específica básica da espécie de Pinus taeda, por meio de análise de

variância feita para as diferentes alturas estudadas que não ocorriam diferenças

estatísticas significativas em nível de 5% de probabilidade. Ainda segundo o autor, foi

observada uma pequena tendência de diminuição da massa específica da base para o

topo. VALE et al. (2009) em estudo de massa específica básica da madeira de Pinus

caribaea var. hondurensis, relata decréscimo da base para o topo. TSOUMIS (1991) e

BITTENCOURT (2004) ao estudarem espécies do mesmo gênero, encontraram essa

mesma tendência de diminuição da massa específica básica da base para o topo da

árvore.

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Após os tratamentos térmicos realizados no Pinus sp., os resultados comprovam

o aumento da densidade das amostras da porção mediana do fuste , e diminuição na base

e topo, apesar de não serem diferenças significativas estatisticamente (Figura 3).

6.2 Avaliação de Testes Destrutivos

6.2.1 Eucalyptus Urograndis

Na Tabela 2 são apresentados os resultados do ensaio destrutivo (MOE e MOR)

de Eucalyptus urograndis, tratados termicamente.

Tabela 2: Valores de Compressão Paralela e Flexão Estática (MOR, MOE) de

Eucalyptus urograndis tratados termicamente.

Tratamentos CP

MOR

MOE

1 68 a 103 b c 13.779 a

2 71 a 92 b 13.618 a

3 63 a b 88 a b 13.9915 a

4 62 a b 72 a 13.646 a

Testemunhas 53 b 115 c 13.482 a

CP=Compressão Paralela, MPa; MOR= Módulo de ruptura, MPa; MOE= Módulo de elasticidade, MPa;

Letras distintas indicam diferença significativa entre as médias segundo o teste de Tukey a 5% de

probabilidade..

Os resultados apresentados na Tabela 2 mostram que para as amostras

submetidas à 180oC pelo tempo de 1 e 2 horas (tratamentos 1 e 2), obteve crescimento

significativo de Compressão Paralela, em relação as amostras testemunhas. Já as

amostras submetidas à 200oC (tratamentos 3 e 4) apresentaram um menor crescimento

em comparação com os tratamentos a 180°C, evidenciando uma influência da

temperatura, apesar do tempo de duração do tratamento não ter sido significativo.

Apesar de JONES e HILL (2007) apresentarem estudos com decréscimo nas

propriedades mecânicas, VERNOIS (2000) ressalta que, dependendo da espécie tratada,

as propriedades mecânicas a temperaturas de até 210°C permanecem com valores

próximos aos originais.

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16

O módulo de ruptura em flexão estática, ocorreu variação entre os

tratamentos, com diminuição significativa nos tratamento 2 e 4, evidenciando a

influencia do tempo de exposição nos tratamentos. Em ambos tratamentos, os valores

foram inferiores aos com mesma temperatura.

Foi observado também que os tratamentos térmicos não exerceram influência

significativa no módulo de elasticidade em relação às testemunhas. Apesar dos valores

não diferirem significativamente, os resultados do MOE foram superiores em todos os

tratamentos, em relação às testemunhas.

Esteves e Pereira (2009) inferem que o módulo de elasticidade aumenta com o

aumento da cristalinidade da celulose e com a redução do conteúdo de umidade. O

efeito da cristalinidade prevalece no início do tratamento, mas com sua continuidade a

degradação térmica é dominante, levando a uma redução dessa variável.

6.2.2 Pinus sp.

Na Tabela 3 são apresentados os resultados do ensaio destrutivo (MOE e MOR)

de Pinus sp., tratados termicamente.

Tabela 3: Valores de Compressão Paralela e Flexão Estática (MOR, MOE) de

Eucalyptus urograndis tratados termicamente.

Tratamentos CP

MOR

MOE

1 46 b 74 a 9.060a

2 50 b 77 a 9.457 a

3 45 b 71 a 8.993 a

4 48 b 47 b 8.443 a

Testemunhas 34 a 75 a 8.151 a

CP=Compressão Paralela, MPa; MOR= Módulo de ruptura, MPa; MOE= Módulo de elasticidade, MPa;

Letras distintas indicam diferença significativa entre as médias segundo o teste de Tukey a 5% de

probabilidade..

Os resultados mostraram que em relação às testemunhas, os tratamentos

térmicos proporcionaram um aumento da compressão paralela para os 4 tratamentos

térmicos, não havendo diferença significativa entre eles. Foi observado ainda um

aumento nos dados dos tratamentos submetidos ao tempo de exposição de 2 horas.

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Segundo BOONSTRA et al. (2007) essa maior resistência atribuída ao

tratamento térmico pode ser explicada pelo aumento do montante de celulose cristalina

altamente ordenada, devido à degradação e/ou cristalização da celulose amorfa. Essa

celulose cristalina mostra significativa anisotropia, e sua estrutura rígida pode ser

responsável pelo aumento da resistência à compressão longitudinal. Outra explicação

talvez seja devido a um aumento nas ligações cruzadas da rede polimérica da lignina.

Ainda segundo os autores, a lignina atua como um reforçador das microfibrilas

de celulose, e um aumento da ligação cruzada desse polímero, parece impedir ou limitar

o movimento perpendicular a grã (que ocorre durante a compressão paralela a grã).

Além disso, a lignina é o principal componente da lamela média e um aumento desse

fenômeno melhora a resistência da lamela média que, consequêntemente, afeta as

propriedades de resistência da peça de madeira como um todo.

Nesse mesmo sentido, YILDIZ et al. (2006), examinando as mudanças na

estrutura química, celulose, hemicelulose e lignina, da madeira tratada sob diferentes

temperaturas e duração do tratamento, concluiu que o conteúdo de lignina, ao contrário

da celulose e hemicelulose exibiu um aumento com os tratamentos mais agressivos.

Analisando MOR, o tratamento térmico 1, 3 e 4 teve diminuição em relação as

testemunhas, com variação acentuada e significativa no tratamento 4. O tratamento 2,

apesar do aumento de MOR, não foi significativo.

Em relação ao MOE, não foi observada diferença significativa entre as amostras

testemunhas e as tratadas termicamente, mostrando que essa propriedade mecânica não

foi influenciada pelos tratamentos térmicos à 180°C e 200°C por 1 e 2 horas para Pinus

sp. No entanto, foi observada uma tendência de aumento dessa propriedade

principalmente nas amostras tratadas à 180°C. SANTOS (2000) também verificou um

aumento no módulo de elasticidade da madeira de eucalipto tratada a 180°C.

6.3 Análise do Ensaio Destrutivo x Ensaio Não Destrutivo

6.3.1 Eucalyptus Urograndis

A análise comparativa entre módulo de elasticidade dinâmico (Ed) e estático

(Em) mostrou que a correlação entre as variáveis obteve um coeficiente de Pearson de

0,437. Foi realizada ainda uma análise de regressão (Tabela 4), obtendo-se um valor

para o coeficiente de determinação (R²) de 0,191. Este valor indica que apenas 19,1% da

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variação do módulo de elasticidade dinâmico pode ser explicada pelo módulo de

elasticidade estático, no modelo de regressão linear simples usado.

Tabela 4: Modelo de regressão linear para estimativa da resistência à flexão de E.

urograndis.

Propriedade Equação R² F* SD

Em = f(Ed) Em =74378,658 + 0, 312 Ed 0,191 17,269 11287,724

*Significativo ao nível de 5% de probabilidade.

A Figura 4 permite analisar que na comparação entre os dois métodos de

avaliação, como verificado pela analise de regressão, não apresentou tendência no

comportamento em nenhum tratamento térmico.

Figura 4: Comportamento linear comparativo nos tratamentos térmicos entre Módulo de

elasticidade estático e Módulo de elasticidade Dinâmico em Eucalyptus urograndis.

Ao analisar cada tratamento, observa-se maiores valores de correlação. Para o

tratamento 1, o coeficiente de Pearson foi de 0,443 e coeficiente de determinação de

0,196. O tratamento 2, obteve maior valor nos coeficientes em comparação com a

analise agrupada dos tratamentos. O coeficiente de Pearson foi de 0,730 e de

determinação de 0,534. Os tratamentos 3 e 4, tiveram menores valore de coeficientes.

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19

Para coeficiente de Pearson, de 0,393 e 0,177 e de determinação de 0,153 e 0,031, para

os tratamentos 3 e 4 respectivamente.

6.3.2 Pinus sp.

A correlação entre módulo de elasticidade dinâmico (Ed) e estático (Em), e seu

comportamento linear, foi calculado através do coeficiente de correlação de Pearson,

com resultado de 0,737 indicando boa correlação entre as duas variáveis. A análise de

regressão (Tabela 5) mostrou um valor para o coeficiente de determinação (R²) de

0,543. Este valor, indica que para o Pinus sp., os métodos avaliados (destrutivo e não

destrutivo) têm maior relação, e a variável independente, MOE, pode ser explicada em

54,3% através do MOED. DEL MENEZZI et al. (2010), em estudo com madeiras

amazônicas, obteve coeficiente de determinação igual a 0,911 na comparação entre Em e

Ed.

Tabela 5: Modelo de regressão linear para estimativa de propriedade de flexão de Pinus

sp.

Propriedade Equação R² F* SD

Em = f(Ed) Em =30797,828 + 0, 566 Ed 0,543 86,864 9502,531

*Significativo ao nível de 5% de probabilidade.

Ao analisar a Figura 5, observa-se que, assim como no E. urograndis a

comparação entre os métodos de avaliação destrutivos e não destrutivos, não apresentou

tendência no comportamento nos tratamentos térmicos, com melhor relação nos

tratamentos 2 e 4.

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Figura 5: Comportamento linear comparativo nos tratamentos térmicos entre Módulo de

elasticidade estático e Módulo de elasticidade Dinâmico em Pinus sp.

A analise separadamente de cada tratamento, comprovou a melhor relação entre

o modulo de elasticidade estático e dinâmico nos tratamento submetidos ao tempo de 2

horas. Os coeficientes de Pearson foram 0,730 e 0,844 e R² foram 0,533 e 0,713. O

tratamento 3 também teve valores maiores em relação a analisa geral dos tratamentos,

com valores de 0,698 e 0,487 para os coeficientes de Pearson e de determinação

respectivamente. O tratamento 1, obteve os menores resultados com coeficiente de

Pearson 0,532 e R² de 0,284.

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21

7 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

Todos os tratamentos térmicos foram eficazes no incremento da compressão

paralela na madeira de Eucalyptus urograndis e Pinus sp.

Para o Pinus sp., todos os tratamentos térmicos aumentaram de forma

significativa a resistência máxima, enquanto para o E. urograndis apenas os

tratamentos à 180oC.

Os tratamentos térmicos não influenciaram de forma significativa o módulo de

elasticidade estático e dinâmico para ambas as espécies.

Para ambas as espécies, os tratamentos térmicos não alteraram de forma

significativa a massa específica básica das amostras de madeira.

Para o Eucalyptus urograndis, os métodos destrutivos e não destrutivos

apresentaram baixa correlação, em que resultados do MOE podem ser explicados

apenas 19% através do MOED.

Para o Pinus sp. os métodos destrutivos e não destrutivos apresentaram uma

melhor correlação, em que os resultados do MOE podem ser explicados em mais

de 54% através do MOED, com melhores resultados para os tratamentos

submetidos ao tempo de 2 horas.

Com base nos resultados obtidos, sugere-se a condução de novos estudos para

definir os métodos mais adequados em tratamentos térmicos com diferentes

tempos de exposição e temperaturas, a fim de se melhorar a influencia da

temperatura controlada sobre os parâmetros avaliados.

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8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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