UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP Instituto de Ciências e Engenharia- Campus de Itapeva IÉRIKE APARECIDO MEIRA DA SILVA INFLUÊNCIA DA PRENSAGEM NAS PROPRIEDADES FÍSICO- MECÂNICAS EM MADEIRA DE PINUS SP. Itapeva-SP 2024 IÉRIKE APARECIDO MEIRA DA SILVA INFLUÊNCIA DA PRENSAGEM NAS PROPRIEDADES FÍSICO- MECÂNICAS EM MADEIRA DE PINUS SP. Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia industrial - Madeira pela Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", Instituto de Ciências e Engenharia, Câmpus de Itapeva. Orientador: Prof. Dr. Higor Rogerio Favarim Itapeva-SP 2024 D RESUMO A madeira de pinus, apesar de sua versatilidade e rápido crescimento, apresenta baixa densidade, o que limita seu uso em aplicações que exigem alta resistência. Este trabalho buscou melhorar essas propriedades por meio da densificação sob altas temperaturas e pressão controlada, resultando em maior densidade e estabilidade dimensional. O presente trabalho teve como objetivo o estudo da influência densificação à quente nas propriedades físico-mecânicas da madeira de Pinus sp., com foco em aprimorar suas características para aplicações estruturais. Os experimentos analisaram corpos de prova submetidos a tratamentos variados, como prensagem a quente, prensagem à frio, além de amostras parcialmente deslignificadas. Avaliaram-se propriedades como densidade, higroscopicidade e resistência mecânica na flexão estática (módulo de elasticidade - MOE e módulo de ruptura - MOR). A densificação a quente de corpos naturais apresentou os melhores resultados, aumentando em até 2,9 vezes o MOE e 2,3 vezes o MOR, excedendo em mais de 40% os valores recomendados pela norma NBR 7190-2:2022. O estudo sugere que futuras pesquisas considerem variações nos parâmetros de temperatura e tempo de prensagem para otimizar os resultados, além de tratamentos adicionais. Palavras-chave: pinus, densificação, propriedades físico-mecânicas, madeira estruturada, sustentabilidade. ABSTRACT Despite its versatility and rapid growth, pine wood has low density, which limits its use in application that require high strength. This study sought to improve these properties through densification under high temperatures and controlled pressure, resulting in greater density and dimensional stability. The present work aimed to study the influence of hot densification on the physical-mechanical properties of Pinus sp. wood, with a focus on improving its characteristics for structural applications. The experiments analyzed specimens subjected to various treatments, such as hot pressing, cold pressing, and partially delignified samples. Properties such as density, hygroscopicity, and mechanical strength in static flexion (modulus of elasticity - MOE and modulus of rupture - MOR) were evaluated. The hot densification of natural specimens yielded the best results, increasing the MOE by up to 2.9 times and the MOR by 2.3 times, exceeding the values recommended by NBR 7190-2:2022 standard by more than 40%. The study suggests that future research should consider variations in temperature and pressing time to optimize results, in addition to different approaches. Keywords: pine, densification, physical-mechanical properties, structural wood, sustainability. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Participação de cada grupo de produtos no valor de produção da silvicultura.................................................................................................................. 11 Figura 2 - Visualização das faces da madeira em microscopia eletrônica de varredura ................................................................................................................... 13 Figura 3 - Planos de direções de cortes da madeira ................................................. 13 Figura 4 – Procedimento ilustrativo da densificação da madeira .............................. 17 Figura 5 - Dimensionamento dos corpos de prova segundo a NBR 17002:2021 ...... 21 Figura 6 – Imagem de perfil dos corpos de provas adaptados para a norma NBR 17002:2021. .............................................................................................................. 21 Figura 7 – Corpos de prova em pré prensagem térmica ........................................... 23 Figura 8 - Máquina Universal de Ensaios EMIC ........................................................ 24 Quadro 1 - Descrição dos Tratamentos de Densificação Aplicados aos Corpos de Prova ......................................................................................................................... 26 Figura 9 - Imagem dos Corpos de provas após o processo de prensagem .............. 27 Figura 10 – Imagem do corpo de prova densificado ................................................. 30 Figura 11 - Corpos de provas em comparação de dimensão .................................... 30 Figura 12 – Painel controlador da Prensa à quente .................................................. 32 Figura 13 - Características visuais dos corpos de prova de (a) 30 mm de espessura, (b) 13 mm de espessura e (c) corpo de prova densificado ....................................... 33 Figura 14 – Imagens dos corpos de prova após os ensaios mecânicos. .................. 34 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Densidade aparente de pinus e eucalipto 15 Tabela 2 – Dimensões utilizadas para os corpos de prova 19 Tabela 3 - Dimensões dos corpos de prova e valores médios da densidade (Dap), os termos em parênteses representam o desvio padrão associado à cada medida 29 Tabela 4 - Média dos valores calculados, os termos em parênteses representam o desvio padrão associado à MOE e MOR. 35 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 8 2 OBJETIVOS ....................................................................................................... 10 2.1 OBJETIVO GERAL ...................................................................................... 10 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................ 10 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................. 11 3.1 PINUS: PROPRIEDADES E APLICAÇÕES INDUSTRIAIS ......................... 11 3.2 PLANO DE CORTE...................................................................................... 12 3.3 PROPRIEDADES ESTRUTURAIS............................................................... 14 3.4 DENSIFICAÇÃO .......................................................................................... 16 4 MATERIAL E MÉTODOS ................................................................................... 19 4.1 MATERIAL ................................................................................................... 19 4.2 MÉTODOS ................................................................................................... 19 4.2.1 Seccionamento das tabuas ................................................................... 19 4.2.2 Densidade aparente .............................................................................. 21 4.2.3 Densificação .......................................................................................... 23 4.2.4 Determinação do MOE e MOR na flexão .............................................. 23 4.2.5 Ensaios preliminares ............................................................................. 25 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................... 27 5.1 ENSAIOS PRELIMINARES .......................................................................... 27 5.2 INFLUÊNCIA DAS VARIÁVEIS FÍSICAS NA DENSIFICAÇÃO DE MATERIAIS ............................................................................................................ 29 5.2.1 Densidade aparente .............................................................................. 29 5.2.2 Higroscopicidade ................................................................................... 31 5.2.3 Temperatura .......................................................................................... 32 5.3 ENSAIOS MECÂNICOS ............................................................................... 34 6. CONCLUSÃO ..................................................................................................... 37 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 38 8 1 INTRODUÇÃO A busca contínua por avanços tecnológicos tem impulsionado atualizações nos processos de inúmeros segmentos e, a madeira como um dos materiais de construção mais antigo e extensivamente estudado, possui uma notável capacidade de aprimoramento em suas propriedades. No entanto, devido ao preconceito em relação aos defeitos associados ao material madeira, sua utilização é muitas vezes limitada. As propriedades da madeira variam em termos de cor, grão, textura e padrões naturais presentes na própria estrutura da madeira, incluindo características como cheiro e sabor (Moreschi, 2014). Embora essas propriedades sejam frequentemente empregadas em aplicações decorativas, é importante destacar que a madeira possui outras propriedades essenciais, como massa específica, teor de umidade, contração e expansão, propriedades térmicas, elétricas, acústicas e propriedades mecânicas. Essa diversidade de características torna a madeira um material versátil, utilizado não apenas em aplicações decorativas, mas também de maneira significativa em meios engenheirados. A madeira, em especial o pinus, se destaca por suas diversas finalidades, como a produção de papel, resina, lâminas para compensados, carvão, entre outros subprodutos. Sua principal vantagem incluem a facilidade de reflorestamento em larga escala, no entanto, uma desvantagem do pinus é sua baixa densidade aparente. O que mais contribui para a baixa densidade são seus espaços vazios, sendo menos massa de parede celular por volume de madeira, contudo a densidade ao longo do tronco é heterogênea com uma das causas podendo ser atribuída às diferenças entre o lenho inicial e lenho tardio. O lenho inicial, formado nas primeiras etapas de crescimento anual, tende a ser menos denso e mais poroso, enquanto o lenho tardio, formado no final do ciclo de crescimento, possui células mais compactas e densas. Essa diferença influência a uniformidade da madeira e pode afetar o seu desempenho em determinadas aplicações estruturais, onde uma densidade mais constante é desejável (Belokopytova et al., 2023; Rezende; Severo; Quintana, 1999). Nesse sentido, a fim de aumentar a densidade da madeira, garantir uma maior uniformização do material e, consequentemente, uma maior possibilidade de utilização, pode-se comprimir o material para garantir que espaços vazios sejam 9 diminuídos. A densificação da madeira é um processo que envolve a compressão do material sob altas temperaturas e pressões, reduzindo seu volume e aumentando sua densidade. Durante esse tratamento, as fibras da madeira são comprimidas e a estrutura interna é rearranjada, resultando em um material mais compacto e com propriedades melhoradas. Estudos demonstram que a densificação pode aumentar significativamente o módulo de elasticidade (MOE) e o módulo de resistência à flexão (MOR), com valores até 2 ou 3 vezes superiores aos observados na madeira natural. Esse processo é especialmente benéfico para madeiras de menor densidade, como o pinus, que podem ser melhoradas para aplicações em construção civil e fabricação de móveis mais resistentes e duráveis (Luan et al., 2021). Um processo complementar que vem ganhando destaque para melhoria nas propriedades físico-mecânicas da madeira é a deslignificação parcial, processo que implica na remoção parcial da lignina, componente chave da parede celular da madeira e um dos grandes responsáveis por sua estrutura. Processos químicos utilizando substâncias como clorito de sódio (NaClO2) e hidróxido de sódio (NaOH) induzem a fragmentação e degradação parcial da lignina, tornando a madeira mais hidrofílica e favorecendo a adesão entre as fibras durante a prensagem. Isso pode resultar em uma melhoria significativa das propriedades mecânicas finais, como maior resistência à flexão e compressão, além de melhor estabilidade dimensional. Pesquisas recentes indicam que a combinação desses processos pode ampliar as possibilidades de aplicação da madeira em projetos que demandam maior resistência e durabilidade (Gullo et al., 2023; Khakalo et al., 2019; Li et al.., 2021; Luan et al., 2022; Yan et al. 2022). 10 2 OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Investigar a influência da prensagem a quente nas propriedades físico-mecânicas da madeira de Pinus sp., buscando aprimorar sua densidade, estabilidade dimensional e resistência mecânica para aplicações estruturais. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ● Verificar a eficácia do método de prensagem a quente em relação a outros tratamentos preliminares. ● Analisar as alterações na densidade aparente da madeira de Pinus sp. após a prensagem a quente, considerando diferentes condições iniciais. ● Avaliar o impacto do processo de densificação sobre o módulo de elasticidade (MOE) e módulo de ruptura (MOR) das amostras. ● Comparar as propriedades físico-mecânicas de amostras densificadas e não densificadas, levando em conta as variações de espessura e quantidade de anéis de crescimento. ● Comparar os resultados obtidos com os valores de referência da norma NBR 7190-2:2022, analisando a viabilidade do uso da madeira densificada em aplicações estruturais. 11 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 PINUS: PROPRIEDADES E APLICAÇÕES INDUSTRIAIS A madeira é um material muito usado para diversas finalidades, que vem se provando bem atrativo nos últimos anos. Em 2017, por exemplo, a silvicultura gerou mais de R$ 19,1 bilhões em valor, com 62,3% da produção concentrada nas regiões Sul e Sudeste do Brasil, predominadas por florestas plantadas segundo IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (Agência IBGE Notícias, 2018). O grupo que mais contribui é o da indústria de papel e celulose, seguido pelo setor de construção civil, pisos, móveis, painéis, e outros produtos, assim como apresentado na Figura 1. Entre as espécies que se destacam nesse cenário está o pinus, uma madeira que vem ganhando relevância global por sua versatilidade e eficiência no cultivo, além de suas amplas aplicações industriais. Figura 1 - Participação de cada grupo de produtos no valor de produção da silvicultura Fonte: Agência IBGE Notícias, 2018. O pinus é uma árvore nativa do hemisfério norte, com presença comum no Canadá, Europa e Estados Unidos. O pinus é composto por uma variedade de árvores coníferas, conhecidas popularmente como pinheiros, que foi introduzido no Brasil por imigrantes, onde mostrou uma excelente adaptação aos diferentes ecossistemas brasileiros. Entre as décadas de 1960 e 1970, a espécie Pinus elliottii destacou-se pela alta produtividade, atraindo o interesse de silvicultores e empresas florestais nos setores de celulose e papel. Com avanços no melhoramento genético, o cultivo de pinus tornou-se ainda mais eficiente, consolidando sua importância na economia mundial (KLABIN, 2024). 12 O pinus é um material amplamente utilizado na construção civil devido à sua versatilidade, durabilidade e sustentabilidade. A madeira de pinus é caracterizada por uma estrutura fibrosa composta principalmente de celulose, hemicelulose e lignina, que variam em quantidade entre as espécies. Conhecida como "softwood" (madeira macia), possui baixa densidade, o que a torna mais fácil de trabalhar e adequada para diferentes aplicações na construção, desde madeira bruta até produtos industrializados, como CLT (Cross-Laminated Timber) e MLC (Madeira Laminada Colada) (Rosa et al., 2007). O pinus ainda tem suas peculiaridades, uma vez que a madeira é um material anisotrópico, ou seja, suas propriedades variam de acordo com a direção das fibras e do tronco, como lenho inicial e lenho tardio. Dependendo da forma como é cortada e utilizada, a mesma madeira pode apresentar características diferentes, ressaltando a relevância de compreender as consequências das direções do corte (Mayard et al., 2022; Moreira et al., 2014) 3.2 PLANO DE CORTE Os planos de corte da madeira auxiliam na determinação da finalidade do produto final, assim é importante entender da anatomia da madeira a fim de garantir seu melhor aproveitamento. Visando um projeto estrutural, como vigas e pilares, a melhor direção para o corte da madeira é a axial, por conta dos sentidos das fibras, tendo uma melhor resistência mecânica sobre esse eixo, como pode ser ilustrado pela imagem apresentada na Figura 2 (Hoss, 2023). 13 Figura 2 - Visualização das faces da madeira em microscopia eletrônica de varredura Fonte: Hoss, (2023). O plano radial da madeira proporciona maior estabilidade dimensional, com menor expansão e contração comparadas ao sentido tangencial. Ele é ideal para cortes que valorizam a resistência e a estética da madeira, com um padrão de anéis como mostrado na Figura 3, acabam sendo uma boa escolha para uso de tampões e mesas. Figura 3 - Planos de direções de cortes da madeira Fonte: Adaptado de Botosso, 2011 O plano tangencial, apesar de ter características mecânicas e físicas bem inferiores ao plano axial, tem uma maior flexibilidade, podendo ser usado em tabuas e pisos que necessitam de uma maior flexibilidade. A aplicação ideal é determinada de acordo com a sua variação de direção, além de ter como foco a madeira estrutural (Botosso, 2011). 14 3.3 PROPRIEDADES ESTRUTURAIS Uma das principais aplicações do pinus na construção é como material estrutural em uma variedade de empreendimentos, incluindo residências e edifícios comerciais, pontes, estruturas de suporte e estruturas móveis. Sua utilização como material estrutural é atribuída à sua grande disponibilidade, rápida taxa de crescimento, o que o torna ambientalmente mais sustentável que outros materiais. Além disso, o pinus tem uma variedade de outras qualidades que o tornam valioso em uma variedade de aplicações. Dessas qualidades estão a durabilidade, a leveza, a facilidade de processamento, os padrões de grãos distintivos e a aparência estética, que a tornam única em diferentes situações de uso (Vidaurre et al., 2011). No contexto das aplicações industriais, o pinus é amplamente utilizado na construção de casas, edifícios comerciais e infraestruturas. Além de seu rápido crescimento para diversas finalidades de uso, desde carvão vegetal até 9 anos, papel aos seus 11 anos e como madeira estrutural a partir dos seus 20 anos (Brito; Nucci, 1984; Klock et al., 2004; Vivian et al., 2022) Na escolha do tipo de madeira para uma estrutura, diversos fatores precisam ser considerados, pois influenciam diretamente no orçamento e na viabilidade do projeto. O uso de pinus em esquadrias, por exemplo, pode ser vantajoso quando há poucas paredes estruturais, resultando em uma menor quantidade de peças e reduzindo custos de montagem e deslocamento. Além disso, a leveza do pinus contribui para a minimização do uso de vigas metálicas como suporte auxiliar, o que pode ser um fator importante em projetos que buscam economia e eficiência. Por outro lado, projetos que incluem elementos mais complexos, como lajes curvas ou coberturas não lineares, tendem a demandar um maior volume de peças de pinus, resultando em maiores perdas durante o processo de usinagem e custos mais elevados de montagem e transporte. Mesmo assim, a versatilidade do pinus e os avanços no melhoramento genético têm permitido criar madeiras cada vez mais adaptadas a diferentes necessidades estruturais, consolidando sua importância na construção civil (Lotufo et al., 2023; Souza et al., 2017) A leveza da madeira de pinus é o que é a torna um material de fácil manuseio e transporte, mas consequentemente a torna menos densa, acarretando menor uso 15 estrutural comparado a outras espécies, por conta da sua densidade, que é mais suscetível a deformações como empenamento, torção e rachaduras (Oliveira et al., 2006). Tabela 1 - Densidade aparente de pinus e eucalipto Espécie Densidade aparente (g/cm³) Pinus taeda 0,571 Pinus oocarpa 0,556 Pinus carubaea hondurensis 0,465 Pinus chiapensis 0,394 Eucalypto grandis 0,436 Eucalypto saligna 0,687 Eucalypto globulus 0,564 Eucalypto viminalis 0,617 Fonte: Iwakiri et al., (2012) A densidade aparente da madeira de pinus, conforme indicado na Tabela 1, mostra que existe uma diferença entre as densidades específica do pinus e do eucalipto, que é seu forte concorrente, sendo respectivamente aproximadamente 0,48 g/cm³ e 0,58 g/cm³. Em testes com diferentes gêneros de pinus Fiorelli e colaboradores observaram uma correlação entre a densidade da madeira e o número de anéis de crescimento (Fiorelli et al., 2009). Madeiras com densidades mais altas tendem a ser mais resistentes e duráveis, enquanto aquelas com densidades menores tendem a serem mais fáceis de trabalhar. Portanto, é possível determinar a densidade de pinus e suas implicações nas propriedades do material, como resistência e facilidade de trabalho. O pinus apresenta suscetibilidade à deformação quando exposto a condições extremas de umidade e temperatura, o que pode comprometer a secagem da madeira e resultar na incidência de nós, além de desdobros inadequados por diversos motivos. No entanto, com o avanço da tecnologia e das técnicas de processamento, muitos desses desafios podem ser mitigados, ampliando o potencial de uso do pinus em uma variedade de aplicações industriais e comerciais (Rosa et al., 2007). Um dos métodos mais eficazes para superar essas limitações é a densificação, que não apenas melhora as propriedades mecânicas da madeira, mas também aumenta sua estabilidade dimensional. Dessa forma, a densificação emerge como uma solução 16 promissora para maximizar a utilidade do pinus em contextos que exigem maior resistência e durabilidade. 3.4 DENSIFICAÇÃO A densificação é uma técnica essencial para aprimorar as propriedades físico- mecânicas da madeira, permitindo seu uso em aplicações estruturais que exigem alta resistência e estabilidade. Esse processo aumenta a densidade da madeira e reduz sua porosidade, tornando-a mais compacta e resistente à compressão. Como resultado, a densificação amplia as possibilidades de utilização da madeira em estruturas, garantindo um desempenho mecânico superior (Frey et al., 2018). Em determinadas situações, a densificação pode ser combinada com a deslignificação para otimizar características da madeira. A deslignificação é um processo químico amplamente utilizado que emprega reagentes como hidróxidos alcalinos e compostos oxidantes para fragmentar e remover parte da lignina presente nas paredes celulares da madeira. Essa técnica promove uma série de reações químicas que quebram ligações específicas da lignina, tornando-a solúvel e facilitando sua separação das fibras de celulose. Dependendo dos reagentes utilizados, como soluções alcalinas, o processo pode variar em intensidade, modificando as propriedades físicas e químicas da madeira de acordo com o objetivo final. Embora tenha sido originalmente desenvolvida para a indústria de papel e celulose, a deslignificação tem se mostrado eficaz para aplicações em que a modificação estrutural da madeira é desejada (Li et al., 2021). A remoção parcial da lignina, realizada durante o processo de deslignificação, confere maior flexibilidade e maleabilidade à madeira, atributos vantajosos para componentes que requerem conformação específica, onde ter um material leve e maleável é desejado. Contudo, essa remoção compromete a densidade e aumenta a porosidade, resultando em uma redução na resistência à compressão. Para superar essa limitação, o processo de densificação após a deslignificação surge como uma estratégia eficaz, pois fortalece as propriedades mecânicas da madeira, tornando-a 17 adequada para uso em estruturas de maior exigência estrutural e durabilidade (Maturana et al., 2023). Quando o pinus é submetido ao processo de densificação, obtém-se um material mais homogêneo, denso e com resistência mecânica superior. Essa abordagem tecnológica abre novas possibilidades para a utilização sustentável da madeira de pinus em diversas indústrias, desde a construção civil até a fabricação de móveis e produtos de design (Budakçi; Senol, 2022) Uma ilustração do processo de densificação pode ser visualizada na Figura 4, que apresenta uma amostra de madeira antes e após o processo de densificação. A compressão do material aumenta a densidade da madeira e melhora suas propriedades mecânicas, podendo ocorrer em prensas quentes ou frias, reduzindo até 80% do volume quando comparado com a madeira natural. Figura 4 – Procedimento ilustrativo da densificação da madeira Fonte: Song et al., (2018) Estudos indicam que a aplicação da densificação como um método subsequente à deslignificação resulta em reduzir a higroscopicidade da madeira. Em experimentos conduzidos, observou-se um incremento de 50% a 70% na resistência à ruptura (MOR) e um aumento de 76% na densidade. Além disso, demonstrou-se promissor em testes de módulo de elasticidade (MOE), com um aumento de 67% a 68,6% (Budakçi; Senol, 2022; Wang et al., 2020) 18 Portanto, a densificação da madeira de pinus se apresenta como uma técnica essencial para aprimorar suas propriedades físico-mecânicas, transformando um material naturalmente leve e poroso em uma alternativa resistente e versátil para diversas aplicações industriais. Com a capacidade de aumentar significativamente a densidade e a resistência, a densificação amplia o potencial de uso sustentável do pinus, contribuindo para uma maior eficiência no aproveitamento de recursos renováveis. Assim, os avanços tecnológicos na área continuam a abrir novas oportunidades para a indústria, permitindo que o pinus se consolide como uma matéria-prima viável e competitiva em setores como construção civil, design de interiores e fabricação de produtos de alta performance. 19 4 MATERIAL E MÉTODOS 4.1 MATERIAL -Tábuas de madeira Pinus sp. doadas pela UNESP. -Paquímetro digital com precisão de 0,01 mm. -Máquina universal de Ensaios (EMIC DL30000N); -Balança semi-analítica com precisão de 0,01 g. -Prensa hidráulica termo aquecida (Hidral-Mac PHH 80T); -Papel Alumínio. -Haste de metal de 13mm. -Estufa de Secagem 103±2ºC. 4.2 MÉTODOS 4.2.1 Seccionamento das tabuas Os corpos de provas foram retirados a partir de tábuas de pinus e foram escolhidos de forma a apresentarem anéis de crescimento o mais paralelos possível com relação à direção a serem comprimidos. As dimensões dos corpos de prova utilizadas ao longo do trabalho estão definidas conforme a Tabela 2. Tabela 2 – Dimensões utilizadas para os corpos de prova Descrição Quantidade de Amostras Dimensões (LxExC) (mm) Madeira natural (13mm) 6 20x13x310 Madeira natural (30mm) 6 20x30x310 Madeira densificada 6 20x30x310 Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 20 Para garantir um parâmetro de comparação adequado entre os corpos de prova, as amostras foram avaliadas em dois grupos. Em um primeiro grupo, a madeira de pinus foi cortada para ter uma espessura de 13 mm, sendo comparada com um corpo de prova densificado com 13 mm de espessura. No segundo grupo, será comparado o comportamento da madeira natural de 30 mm de espessura com o corpo de prova densificado que, apesar de apresentar 13 de espessura final, teve como partida a espessura de 30 mm. Essa abordagem permite comparar as propriedades da madeira densificada, que passou por um processo de compactação e modificação estrutural, com a amostra de 13 mm que foi simplesmente cortada e uma amostra de 30 mm que apresenta número de fibras similar, destacando assim o impacto do processo de densificação em si, independentemente das variações de espessura física. Para a confecção dos corpos de prova, foi adaptada a ABNT NBR 17002 (Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2021), seguindo o critério que leva em conta as dimensões e, principalmente, a espessura, sendo esta 20 vezes a espessura do corpo de prova, além de uma sobra de 25 mm em cada lado para apoio, devido ao cutelo exercer pressão no meio do corpo de prova, localizado a uma distância de L/2 dos apoios, conforme indicado na Figura 5. A escolha dessa norma foi motivada pelas limitações dimensionais da prensa hidráulica térmica utilizada, que possui área útil de 600 mm x 600 mm, inviabilizando a aplicação de normas como a ABNT NBR 7190 (ABNT, 2022), cuja especificação requer corpos de prova maiores. Dessa forma, a ABNT NBR 17002 (ABNT, 2021), mostrou-se uma alternativa adequada para viabilizar os ensaios realizados dentro das condições experimentais disponíveis. 21 Figura 5 - Dimensionamento dos corpos de prova segundo a NBR 17002:2021 Fonte: ABNT NBR 17002 (2021). Os corpos de provas foram seccionados nas dimensões indicadas na Tabela 2, no sentido transversal de crescimento, sendo a parte que sofre a densificação é contra os anéis de crescimento, conforme mostrado na Figura 6. Figura 6 – Imagem de perfil dos corpos de provas adaptados para a norma NBR 17002:2021. (a)CP de 13mm (b) CP de 30mm Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 4.2.2 Densidade aparente A determinação da densidade foi realizada com base na relação entre a massa e o volume da madeira, seguindo critérios padronizados para assegurar a precisão dos resultados. Para garantir a consistência, foram usados como base 6 corpos de prova, com um teor de umidade para alcançar 12%, conforme determinações técnicas, e submetidos a um processo de secagem por 2 dias em estufa a uma temperatura 22 controlada de 103 ± 2°C, para remover qualquer umidade residual e padronizar os corpos de prova, conforme a Equação 1: 𝜌𝑎𝑝 = 𝑀12 𝑉12 (1) Onde: 𝑝𝑎𝑝 é a densidade aparente (g/m³); 𝑀12 é a massa dos corpos provas em 12% de umidade (g); 𝑉12 é o volume dos corpos de provas em 12% de umidade (Cm³); Para a determinação da densidade aparente, presente nos corpos de prova, utilizou-se das mesmas amostras preparadas para o ensaio de densidade. Antes de serem colocados na estufa, os corpos de prova foram pesados para medir a massa úmida, e após o período de secagem de 2 dias, foram novamente pesados para determinar a massa seca. O cálculo do teor de umidade foi realizado pela relação entre a diferença das massas úmida e seca sobre a massa seca, conforme a formula da Equação 2: 𝑈 = 𝑀𝑈 − 𝑀𝑆 𝑀𝑆 × 100 (2) Onde: • U: teor de umidade (%); • MU: massa úmida do corpo de prova (g); • MS: massa seca do corpo de prova (g) 23 4.2.3 Densificação Foi estabelecido um critério para otimizar o processo de densificação com foco em um tratamento mais rápido similar ao do PertuzzattI et al., (2018). Foram colocadas as amostras utilizando em uma manta de teflon e papel alumínio para melhor retenção de calor. Uma haste de metal foi usada para assegurar uma padronização de 13 mm nos corpos de prova, enquanto a temperatura da prensa foi ajustada para 80°C, aplicando calor por 10 minutos com a pressão máxima (30 toneladas) da prensa térmica. Após esse período, os corpos de prova permaneceram sob pressão por mais 20 minutos, contudo, com as resistências desligadas, conforme ilustrado na Figura 7. Figura 7 – Corpos de prova em pré prensagem térmica (a)Corpos de provas com hastes (b)Manta teflon com papel alumínio Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 4.2.4 Determinação do MOE e MOR na flexão Após a densificação, os corpos de prova foram submetidos à máquina universal de ensaios EMIC, conforme ilustrado na Figura 8, para determinar o módulo de elasticidade (MOE) e o módulo de ruptura (MOR), calculados pela Equação 3 e Equação 4, respectivamente conforme a NBR 17002 (ABNT, 2021). Os ensaios foram realizados no sentido paralelo às fibras, com um carregamento monotônico crescente aplicado de taxa 0,1 mm/s. 24 Figura 8 - Máquina Universal de Ensaios EMIC Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 A realização dos testes mecânicos foi calculada para ter os respectivos módulos de elasticidade (MOE) na Equação 3 e a resistência à flexão estática (MOR) na Equação 4. 𝐸𝑏 = 𝐿3 ∗ (𝐹2 − 𝐹1) 4 ∗ 𝑙 ∗ 𝑒3(𝑆2 − 𝑆1) (3) Onde: ● Eb : é o módulo de elasticidade (MPa). ● L : é a distância entre os centros de apoios (mm). ● l : é a largura do corpo de prova (mm). ● e : é a espessura do corpo de prova (mm). ● F2-F1 : é o incremento de carga no trecho reto da curva carga -deformação (N). ● S2-S1 : é o incremento de deflexão no ponto central do vão (mm). 25 𝑇𝑟 = 3∗𝐹𝑚á𝑥∗𝐿 2∗𝑙∗𝑒2 (4) Onde: ● Tr : é a tensão de ruptura à flexão estática (MPa). ● Fmáx : é a carga de ruptura (N). ● L,l,e : conforme a Equação 3(mm). 4.2.5 Ensaios preliminares A fim de determinar os tipos de tratamentos a serem utilizados ao longo do trabalho, foi realizado um ensaio preliminar com corpos de prova de menor dimensão (50x30x20mm). Foram avaliados quatro tratamentos distintos descritos no Quadro 1. Foram avaliadas duas abordagens em função da temperatura, densificação à frio e à quente, além da influência da deslignificação parcial para a densificação e o cozimento do corpo de prova por 24 horas há 80ºC. 26 Quadro 1 - Descrição dos Tratamentos de Densificação Aplicados aos Corpos de Prova Tratamentos Descrição Deslignificação parcial Os corpos de prova foram imersos em uma solução de clorito de sódio tamponada com ácido acético glacial até pH 4,6. A solução foi aquecida a 80ºC por 5 horas. Após este procedimento, os corpos de prova foram prensados à quente (Frey et al., 2018). Densificação alta umidade Os corpos de prova foram cozidos em água destilada em 80ºC por 24 horas. Após este procedimento, os corpos de prova foram prensados à quente. Densificação à frio Os corpos de prova foram prensados à frio na EMIC. Foi estipulado um valor máximo de 70KN que aproximou de 13 mm para a espessura final. Densificação à quente Os corpos de prova foram prensados em uma prensa térmica com espaçadores dimensionados para os corpos de prova atingirem a dimensão final de 13 mm. Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 As amostras foram mantidas aquecidas até o momento da prensagem à quente na prensa hidráulica, a fim de evitar um estresse de temperatura dos corpos de prova com o contado da prensa quente. 27 5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1 ENSAIOS PRELIMINARES A fim de criar um maior entendimento sobre o processo de prensagem e os diferentes parâmetros que poderiam ser modificados ao longo do trabalho, foram realizados alguns testes preliminares. Os testes foram a densificação da madeira seca à frio, densificação da madeira seca à quente em uma prensa térmica, densificação da madeira à quente após um processo de branqueamento usando o clorito de sódio e a densificação da madeira à quente com uma amostra apresentando alta umidade. Figura 9 - Imagem dos Corpos de provas após o processo de prensagem (a) Deslignificação parcial (b)Densificação alta umidade (c)Densificação à frio (d)Densificação a quente. Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 28 O resultado do procedimento de prensagem preliminar com diferentes abordagens pode ser visualizado nas imagens apresentadas na Figura 9. A Figura 9(a) mostra o ensaio realizado na EMIC e verifica-se que a amostra apresentou rasgos e desagregação das fibras, podendo ser uma consequência da falta de calor, pois ele causa um amolecimento das fibras, resultando em uma prensagem mais homogênea e uma força mais aplicada em todas as amostras Na Figura 9(b), apresenta-se o teste de deslignificação parcial usando clorito de sódio e prensagem a quente. Verifica-se que a amostra apresentou rachaduras profundas e inchamento pós prensa, comprometendo a adesão das fibras na amostra. A compressão da madeira causou o colapso das fibras previamente enfraquecidas, resultando nas rachaduras. Entanto, também se observa um fenômeno de spring- back, onde as tensões internas acumuladas durante a compressão são parcialmente liberadas, fazendo com que a madeira tente retornar ao seu volume original. O ensaio de densificação da amostra com alta umidade na prensa quente é apresentado na Figura 9(c). Neste processo, a madeira foi cozida em água destilada e apresentou o mesmo aspecto da amostra tratada com clorito de sódio, contudo, com rachaduras e quebras mais expressivas. Acredita-se que o amolecimento das fibras da amostra com o uso do cozimento levou as tensões internas não serem uniformes, provocando além do spring-back, o enfraquecimento da estrutura em geral gerando um esmagamento. O resultado do processo de densificação da madeira a seco utilizando uma prensa à quente pode ser observada na Figura 9(d). Notavelmente, este processo foi o que apresentou melhores resultados, e acredita-se que devido ao controle preciso da temperatura e pressão aplicadas, fatores cruciais para a modificação das propriedades físicas e mecânicas da madeira. Diferente dos outros métodos, a ausência de umidade excessiva permitiu uma maior compactação das fibras, resultando em uma estrutura mais homogênea e densa. Além disso, o processo de prensagem a quente facilitou a plasticidade da madeira, permitindo uma melhor deformação permanente sem causar danos significativos à estrutura celular, o que contribuiu para uma maior resistência mecânica e estabilidade dimensional da peça. 29 A partir dessas observações, determinou-se por seguir o trabalho a partir da prensagem à quente de amostras quentes, visto que esse tratamento se mostrou eficaz para alcançar resultados mais consistentes na densificação da madeira. 5.2 INFLUÊNCIA DAS VARIÁVEIS FÍSICAS NA DENSIFICAÇÃO DE MATERIAIS 5.2.1 Densidade aparente As amostras utilizadas para o ensaio de densidade foram retiradas dos corpos de prova do teste mecânico, que foram cortados para ter o comprimento final de 5 cm. Os valores médios e os respectivos desvios padrão dos corpos de prova foram calculados e apresentados na Tabela 3. Tabela 3 - Dimensões dos corpos de prova e valores médios da densidade (Dap), os termos em parênteses representam o desvio padrão associado à cada medida Corpos de provas Comprimento (mm) Largura (mm) Altura (mm) Dap(kg/m³) não densificado 13mm 49,3 (0,4) 19,6 (0,3) 12,9 (0,1) 441 (43) não densificado 30mm 49 (2) 19,6 (0,1) 29,6 (0,1) 454 (71) Densificado com 13mm 50 (1) 21,4 (0,1) 13,1 (0,8) 836 (101) Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 A densidade dos corpos de prova densificados, apresentou um certo desafio, visto que algumas amostras apresentaram uma deformação entre os anéis de crescimento, sendo pressionado a sair para as laterais, como pode ser observado pela imagem apresentada na Figura 10, contudo o volume foi estimado da forma mais fiel possível, considerando as imperfeições observadas. 30 Figura 10 – Imagem do corpo de prova densificado Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 Os dados apresentados na Tabela 3 revelam que os corpos de prova naturais com 13 mm apresentam uma densidade ligeiramente menor que os corpos de prova com 30 mm, o que pode ser atribuído à presença de um menor número de anéis de crescimento nos corpos de prova de 13 mm, como pode ser verificado nas imagens apresentadas na Figura 11, que mostra o perfil transversal dos corpos de prova com 13 e 30 mm naturais, bem como o corpo de prova densificado. Figura 11 - Corpos de provas em comparação de dimensão (A) natural 30mm (B) natural 13mm (C) densificado 13mm Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 Comparativamente, os corpos de prova densificados exibiram uma densidade 1,9 vezes maior em relação aos de 13 mm naturais não densificados e 1,8 vezes maior que os de 30 mm naturais não densificados, evidenciando a eficiência do processo de densificação e obtendo valores comparáveis aos relatados na literatura. A densidade da madeira de Pinus taeda varia conforme as características do lenho e a altura do corpo de prova, refletindo as diferenças estruturais da madeira em diferentes partes da árvore. Estudos prévios relataram densidades de 335 kg/m³ para árvores com 9 31 anos e 411 kg/m³ para árvores com 21 anos, assim como densidades de 460 kg/m³ e 440 kg/m³ para madeiras de 50 anos das espécies Pinus tecunumanii e Pinus caribaea, respectivamente, provando que usar a densificação a um ganho expressivo que é superior a madeira até mais velhas, gerando então uma madeira de alta densidade sem precisar esperar muito anos para atingir esse ganho (Bonazza et al., 2022; Lima et al., 2021; Pertuzzatti et al., 2018; Trianoski et al., 2013). Mesmo considerando madeiras de maior idade e diferentes espécies, a densificação mostrou-se eficaz para promover um aumento significativo na densidade final, o que é fundamental para aplicações estruturais que demandam maior resistência e durabilidade. Frey e colaboradores relataram resultados semelhantes em testes com madeira nativa de pinus, registrando uma densidade próxima a 800 kg/m³ após a densificação, demonstrando que o processo pode quase dobrar a densidade natural da madeira (Frey et al., 2018) 5.2.2 Higroscopicidade No processo de densificação a quente, o calor e a pressão aplicados causam alterações significativas na estrutura celular da madeira. Sob essas condições, as paredes celulares da madeira sofrem colapso e compactação, resultando em uma redução da porosidade e, consequentemente, em uma menor capacidade de absorção de umidade. Além disso, a característica notável observada no corpo de prova densificado foi a resistência ao inchamento, uma vez que, mesmo após três semanas de exposição em temperatura e umidade ambientes, não houve alterações perceptíveis em suas dimensões. Essa diminuição na higroscopicidade traz diversas vantagens para o uso prático da madeira densificada, incluindo uma maior estabilidade dimensional e menor suscetibilidade ao inchaço e à contração causados por variações de umidade (Blomberg et al., 2005; He et al., 2022). 32 5.2.3 Temperatura A temperatura desempenha um papel crucial no processo de densificação a quente, pois ajuda a reduzir a influência da umidade superficial no material, promovendo uma densificação mais uniforme e eficaz. Estudos de Fang, Pertuzzatti e colaboradores mostram que o tempo de exposição ao calor e à pressão durante o processo de densificação é determinante para o sucesso do procedimento (Fang et al., 2012; Pertuzzatti et al., 2018). Se a madeira for submetida a temperaturas superiores a 250ºC, pode ocorrer degradação significativa da lignina, celulose e hemicelulose, o que afeta as propriedades físicas e mecânicas do material. Quando a temperatura do corpo de prova se aproxima de 100 °C, a taxa de evaporação ocorre de forma mais efetiva, sendo um fator essencial para o processo de densificação. Em nossos ensaios, embora a prensa esteja programada para operar a uma temperatura média de 80ºC, o sistema apresenta grande inércia, excedendo um pouco a temperatura desejada mesmo com as resistências desligadas. Como resultado, a temperatura do sistema oscila perto dos 100 ºC, assim como pode ser verificado na imagem apresentada na Figura 12. A temperatura da prensa superior chegou a 105 °C, enquanto a inferior registrou 98 °C próximo ao final do experimento. Figura 12 – Painel controlador da Prensa à quente Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 33 A carbonização parcial pode iniciar em temperaturas mais baixas, especialmente se a prensagem for prolongada. Esse fenômeno pode alterar o aspecto visual da madeira, resultando em colorações mais escuras e, potencialmente, comprometendo sua integridade estrutural. Após o desligamento da prensa quente, a madeira passa por um processo de estabilização até ser retirada, permitindo que se adapte ao ambiente e minimizando a ocorrência de defeitos, em nossos ensaios, a madeira fica por um período de 20 minutos após o processo de aquecimento (Cencin et al., 2021; Fang et al., 2019; Poletto et al., 2012). Não foram observadas alterações significativas na coloração da madeira após o processo de densificação a quente, ou mesmo a presença de saliências ou sulcos superficiais, como pode ser observado pela imagem apresentada na Figura 13(c), que traz a comparação com os corpos de prova naturais de 30mm e 13 mm, Figura 13 (a) e Figura 13 (b) respectivamente, graças à influência controlada da pressão aplicada durante a prensagem. Essa pressão, aliada ao calor, contribui para manter a umidade interna do material em níveis equilibrados, prevenindo deformações indesejadas. Figura 13 - Características visuais dos corpos de prova de (a) 30 mm de espessura, (b) 13 mm de espessura e (c) corpo de prova densificado (a) natural (30mm) (b) natural (13mm) (c) densificado Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 A combinação adequada de temperatura e tempo é, portanto, essencial para otimizar o processo de densificação a quente, evitando a carbonização parcial ou excessiva, mantendo as propriedades mecânicas desejadas no material final. 34 5.3 ENSAIOS MECÂNICOS As amostras foram ensaiadas na EMIC e, a título de exemplo, as imagens dos corpos de prova densificados após o ensaio mecânico estão apresentadas na Figura 14(a). O cutelo desceu sobre os corpos de prova a uma velocidade padronizada de 0,1 mm/s em todos os tratamentos. Observou-se que a aplicação da força resultou em danos na região onde a pressão foi exercida, conforme evidenciado pelas imagens na Figura 14 (b), tais danos se mostram mais evidenciados na interface entre a região mais densa (região mais escura) e a região menos densa (região mais clara). É importante ressaltar que, em função da ausência de uma norma específica para ensaios, foi utilizada a norma para painéis compensados ABNT NBR 17002(ABNT, 2021) como referência para a realização dos testes. Figura 14 – Imagens dos corpos de prova após os ensaios mecânicos. (a) Corpos de provas após ensaio mecanico (b) Corpos de provas com danos na interface das regiões Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 O resultado obtido para as propriedades mecânicas é apresentado na Tabela 5, nela são apresentados os valores de Módulo de Elasticidade (MOE) e Módulo de Ruptura (MOR), bem como o desvio padrão entre parênteses. 35 Tabela 4 - Média dos valores calculados, os termos em parênteses representam o desvio padrão associado à MOE e MOR. AMOSTRAS MOE (MPa) MOR (MPa) 30mm não densificado 8839 (2680) 73 (15) 13mm não densificado 5808 (1323) 65 (10) Densificado com 13mm 16810 (4543) 150 (30) Fonte: Elaborado pelo autor, 2024 Os resultados para os corpos sem densificação mostram uma diferença significativa nas propriedades mecânicas entre as amostras com espessuras de 13 mm e 30 mm. O corpo de prova de 30 mm apresentou um módulo de elasticidade (MOE) 52% superior e um módulo de resistência à flexão (MOR) 11% maior em relação ao de 13 mm. Esse comportamento pode ser explicado pela presença de mais anéis de crescimento na amostra de 30 mm, o que contribui para uma maior massa de parede celular por unidade de volume. Os resultados mostram que o processo de densificação apresentou valores de MOE e MOR, sendo 1,9 vezes e 2 vezes maiores respectivamente, quando comparado ao corpo de prova natural com 30 mm de espessura. Isso indica que o processo de densificação contribui para um aumento expressivo na estabilidade dimensional e resistência mecânica, resultando em um material mais robusto e menos propenso a deformações sob cargas. A comparação da amostra natural de 13 mm com o corpo de prova densificado mostra que, apesar dos corpos terem a mesma espessura, o corpo densificado mostrou um aumento de 2,9 vezes no Módulo de Elasticidade (MOE) e 2,3 vezes no Módulo de Ruptura (MOR) em relação ao não densificado, reforçando a eficiência do processo de densificação na melhoria das propriedades mecânicas. Uma análise da literatura acerca do procedimento de densificação da madeira natural apresenta valores de Módulo de Ruptura de 150 MPa a 216MPa e Módulo de Elasticidade entre 8913 MPa e 18864 MPa, indicando que os valores obtidos em nosso estudo estão de acordo com os valores encontrados na literatura (Cruz et al., 2018; Frey et al., 2018; Grześkiewicz et al., 2023; He et al., 2022). 36 O processo de densificação entre 10 até 50% da espessura pode promover uma melhoria nas propriedades mecânicas e densidade com relação à madeira natural. Entretanto, o aumento adicional na compactação (maior que 50%) oferece um benefício marginal e pode tornar o processo menos viável para aplicações em larga escala, além de aumentar o risco de rachaduras ou trincas na madeira (Laine et al., 2016) Essas observações confirmam que a redução volumétrica induzida pela densificação pode ser vantajosa para aplicações que exigem materiais com maior resistência mecânica, oferecendo uma solução eficiente para potencializar as propriedades da madeira sem a necessidade de aditivos químicos. Os resultados obtidos se mostram promissores quando comparados com a norma de projeto de estruturas de madeira NBR 7190-2:2022, a qual padroniza um teor de umidade de 12% para todos os testes e apresenta valores de referência para resistência e densidade de coníferas. Segundo a norma, a densidade média de coníferas recomendada para aplicações estruturais é de 460 kg/m³ e o valor do MOE é acima de 12000MPa. Desta forma, observa-se que o corpo de prova desenvolvido neste trabalho apresenta um desempenho 41% superior ao recomendado pela norma, destacando o potencial da densificação como uma técnica eficaz para aprimorar as propriedades mecânicas da madeira, tornando-a adequada para aplicações estruturais de maior exigência. Este estudo contribui para o desenvolvimento de alternativas sustentáveis e economicamente viáveis no uso da madeira em estruturas, evidenciando a importância de novos tratamentos na melhoria das propriedades físicas da madeira. A seguir, as conclusões sintetizam os avanços observados e indicam direções para futuros estudos e aplicações dessa tecnologia. 37 6. CONCLUSÃO A realização deste trabalho e a análise dos resultados obtidos permitiram chegar às seguintes conclusões: ● O experimento demonstrou que a prensagem a quente foi o método mais eficaz entre os testes realizados, apresentando resultados superiores em relação aos outros métodos, como a densificação a frio na EMIC e a deslignificação parcial. As ocorrências nos testes piloto indicaram que a prensagem a frio resultou em rasgos e desagregação das fibras, enquanto a deslignificação apresentou rachaduras e inchamento, evidenciando a fragilidade desse processo. ● Os valores de resistência mecânica obtidos a partir da densificação a quente mostraram-se alinhados com a literatura. O módulo de elasticidade (MOE) e o módulo de ruptura (MOR) atingidos superaram os valores recomendados pela norma NBR 7190-2:2022, evidenciando a viabilidade da madeira densificada para aplicações estruturais. Isso reforça a eficácia do tratamento, uma vez que o desempenho foi 41% superior ao mínimo exigido pela norma. ● De maneira geral, os resultados indicam que a densificação a quente do pinus é uma alternativa promissora para a melhoria das propriedades físico- mecânicas da madeira, potencializando seu uso na indústria. No entanto, são necessários mais estudos para investigar diferentes combinações de temperatura, espessura e a possibilidade de aplicação de outros processos de deslignificação, a fim de obter melhores resultados do produto final. 38 REFERÊNCIAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 7190: Projeto de estruturas de madeira. Rio de Janeiro: ABNT, 2022. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. ABNT NBR 7190: Compensado- Requisitos e métodos de ensaios. São Paulo: ABNT, 2022. BELOKOPYTOVA, Liliana V. et al. Modeling of the statistical distribution of tracheids in conifer rings: finding universal criterion for earlywood latewood distinction. 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