CORRELAÇÕES ENTRE MÓDULO DE ELASTICIDADE E CONSTATE
DINÂMICA EM CHAPAS MDF
Raquel Gonçalves
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
[email protected]
Sérgio Augusto Mello da Silva
Universidade Estadual Paulista - UNESP
[email protected]
Resumo: A produção das chapas de fibra com madeiras de reflorestamento, denominadas “Medium Density Fiberboard
(MDF)”, vêm conquistando um importante e promissor espaço no parque industrial brasileiro. A tecnologia
desenvolvida para as chapas MDF possibilita agregar valor, transformando madeiras de baixo custo em produtos
nobres, principalmente para a confecção de móveis, pois, possuem excelentes estabilidades dimensionais,
possibilitando torneamentos, fresamentos e acabamentos de alta qualidade. A manutenção das características das
chapas MDF se faz por meio de rigoroso controle de qualidade. O processo de manufatura exige o monitoramento das
propriedades de resistência das chapas, o que demanda muito tempo e depende de técnicos com treinamento
especializado. Para a madeira maciça, estudos realizados com as Constantes Dinâmicas obtidas por meio de ensaios
com equipamentos de ultra-som, indicam a possibilidade de serem estabelecidas correlações com o Módulo de
Elasticidade obtido por meio de ensaio destrutivo. Dentre as vantagens da aplicação do ultra-som pode ser destacada a
possibilidade de realização da avaliação das chapas na linha de produção, com a vantagem adicional de se realizar a
avaliação de toda a linha e não somente de amostras. O objetivo desse trabalho foi avaliar a existência de correlações
entre o ensaio destrutivo de determinação de Módulo de Elasticidade praticado pela empresa e o ensaio não-destrutivo
utilizando equipamento de ultra-som. Para isso foram confeccionadas chapas de fibra, com diferentes características
em termos de teor de adesivo, umidade, temperatura de prensagem e espessura. Essas chapas foram inicialmente
ensaiadas com equipamento da marca Steinkamp, modelo BP7, com transdutores exponenciais de 45 Hz.
Posteriormente as mesmas chapas foram submetidas a ensaio destrutivo, segundo a Euro MDF Board – EN310, de
onde se calculou o Módulo de Elasticidade (MOE). Os resultados da análises estatísticas indicaram resultados de
correlação linear simples entre o Módulo de Elasticidade e a Constante Dinâmica da ordem de 95% para todos os casos
e a análise estatística comprovou, ainda, a significância do modelo. Esses resultados, altamente significativos, indicam
ser viável a utilização do equipamento de ultra-som na predição do MOE nas chapas.
Palavras Chave: chapas de fibra de média densidade, ultra-som, modulo de elasticidade
Abstract: The production of fiberboards with reforestation wood, denominated “Medium Density Fiberboard - MDF”
is getting an important and promising space in the Brazilian industrial park. The technology developed for MDF makes
possible to add value, transforming low cost wood in noble products, mainly for furniture pieces manufacturing,
because they have excellent dimensional stabilities, making possible lathe, milling and high quality finish. The
maintenance of the MDF characteristics is guaranteed through rigorous quality control. Due to the manufacturing
process it is fundamental to control resistance properties, demanding a long time and depending on technicians with
specialized training. For solid wood, studies accomplished with the Dynamic Constants obtained through tests with
ultrasound equipments, indicate the possibility of establishing a correlation with the Module of Elasticity (MOE)
obtained through destructive test. Among the advantages of the use of the ultrasound it can be highlighted the
possibility of accomplishment of the evaluation of the fiberboards in the production line, with the additional advantage
of evaluating the whole line and not only samples. The objective of this work was to verify the existence of a
statistically significant correlation, between the destructive test for MOE determination and the nondestructive test
using ultrasound equipment. For that fiberboards were made, with different characteristics in terms of sticker content,
humidity, press temperature and thickness. Those fiberboards were tested initially with Steinkamp, model BP7, with 45
Hz exponential transducer. Later the same fiberboards were submitted to destructive test, according to Euro MDF Board
- EN310, from where the MOE was calculated. The results were then submitted to statistical analyses in which the
correlation between the results obtained in both tests was verified. The validity of the correlation model adopted was
also checked. The value of the simple linear correlation between the MOE and the Dynamic Constant was of the order
of 95% for all the cases. Those highly significant results, indicate that it is possible the use of the ultrasound equipment
in the prediction of the MOE for fiberboards.
Keywords: fiberboards; Medium density fiberboard; ultrasound
02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003
Rio de Janeiro - RJ - Brasil
1.
Introdução
Embora sendo uma nação detentora de vastas áreas florestadas do planeta, o Brasil pouco incorporou os avanços
tecnológicos alcançados na utilização da madeira para a Construção Civil. A maneira inadequada de utilização da
madeira, por exemplo, gerou preconceitos sobre o material, inviabilizando, muitas vezes, que tecnologias apropriadas,
desenvolvidas sob conceitos corretos de aproveitamentos racionais da matéria-prima sejam reconhecidas e aplicadas.
Um estudo recente revela que, em nível mundial, o comércio de produtos de maior valor agregado chegou a US$ 41,5
bilhões em 2000, o que representou um aumento de 27% sobre o valor de 1996, ou seja, um crescimento de 6,5% ao
ano. A venda de matéria-prima em bruto já não é a melhor opção para garantir mercado e muito menos para aumentar
os valores exportados, pois é necessário adequar-se as necessidades do mercado e oferecer um produto mais elaborado (
REVISTA DA MADEIRA, 2002). O grande exemplo desta estratégia vem dos países asiáticos. A China, a Indonésia e
a Malásia lideram as exportações de produtos de maior valor agregado em madeira, pois, somente a China exportou
US$ 5 bilhões em 2000 em produtos de madeira com maior valor. Os Estados Unidos, Reino Unido, Canadá, Austrália
e Espanha são os maiores importadores, cabendo somente aos Estados Unidos, importações de US$ 13,4 bilhões em
2000 (REVISTA DA MADEIRA 2002). A China é vista como o grande consumidor, pois seu mercado interno está
crescendo consideravelmente, em especial, alguns segmentos como o de pisos residenciais que, em 20 anos triplicou,
passando da média de 3,7 m2 por habitante para 9,6 m2. A expectativa, entretanto, é ainda mais animadora,
considerando-se que a projeção, somente de pisos de madeira, deva chegar à média de 18 m2 por habitante em 2010
(REVISTA DA MADEIRA 2002).
A exemplo dos países Asiáticos, este é o caminho a ser seguido pelas industrias madeireiras e moveleiras do Brasil,
que é muito restrita na produção de derivados de madeira com maior valor agregado; diferencial este que permite não só
aumentar os valores exportáveis como também garantir um novo espaço no comercio internacional. Modernização,
aumento de produtividade e pesquisas ainda são as ações que precisam ser mais bem tratadas. A modernização da
tecnologia para melhorar a qualidade das chapas MDF se constituiu na principal motivação para o desenvolvimento
deste trabalho.
A manutenção das características das chapas MDF se faz por meio de rigoroso controle de qualidade, pois, devido ao processo
de confecção, é fundamental o monitoramento de suas propriedades de resistência, demandando muito tempo e dependendo de
técnicos com treinamento especializado. Para a madeira maciça, estudos realizados com a utilização de equipamento de ultra-som,
indicam a possibilidade de serem estabelecidas correlações com o Módulo de Elasticidade obtido por meio de ensaio destrutivo e os
obtidos por meio de ensaios destrutivos convencionais. Dentre as vantagens da aplicação do ultra-som pode ser destacada a
possibilidade de realização da avaliação das chapas na linha de produção, com a vantagem adicional de se realizar a avaliação de toda
a linha e não somente de amostras.
É importante ressaltar que os ensaios não-destrutivos possibilitam a caracterização das chapas em tempo muito
inferior comparando-se aos ensaios propostos pela EMB, representando para as empresas melhor aproveitamento do
tempo para ensaios e diminuição de despesas.
2.
Material e Métodos
A confecção das chapas MDF foi realizada considerando-se as condições experimentais apresentadas na Tabela 1.
Tabela 1. Variáveis e condições experimentais utilizadas para confecção das chapas MDF.
VARIÁVEIS
Madeira
Adesivo (%)
Pressão (bar)
Temperatura (0C)
Espessura (mm)
Umidade (%)
Densidade (g/cm3)
1
Pinus sp
5
53
160
8
12
0,75
2
Pinus sp
3
53
190
7
12
0,75
CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS
3
4
5
Pinus sp
Eucaliptus sp
Eucaliptus sp
5
5
3
53
53
53
160
160
190
7
15
7
12
12
12
0,75
0,75
0,75
6
Eucaliptus sp
5
53
160
7
12
0,75
As referidas chapas MDF foram confeccionadas no Laboratório Piloto da Empresa DURATEX conforme seqüência
ilustrada pelas Figuras 1.
1a ETAPA
2a ETAPA
3a ETAPA
4a ETAPA
5a ETAPA
Figura 1. Seqüência para confecção das chapas MDF. Fonte : DURATEX – Laboratório de Controle de qualidade
A confecção das chapas foi realizada em cinco etapas, segundo a seguinte seqüência:
Primeira Etapa: são utilizadas fibras obtidas por meio de desfibramento termomecânico.
Segunda Etapa: adiciona-se adesivo às fibras com auxílio da “encoladeira de tambor”;
Terceira Etapa: deposição manual das fibras encoladas na formadora de colchão
Quarta Etapa: prensagem a frio com o objetivo de diminuir os espaços no interior do colchão de fibras e propiciar aproximação entre as fibras.
Quinta Etapa: o colchão de fibras foi submetido ao ciclo de prensagem por meio da prensa com controle de temperatura e pressão resultando na
confecção das chapas experimentais com dimensões aproximadas de 40 X 40 cm.
Inicialmente as chapas MDF foram submetidas à caracterização por meio de ensaios não-destrutivos. A Figura 2
ilustra a seqüência de ensaio utilizada.
A Figura 2(A) ilustra a utilização dos transdutores exponenciais na chapa de fibra. Nesse caso se trabalhou com ondas de compressão.
A Figura 2 (B) ilustra os transdutores planos posicionados na chapa de fibra. Nesse caso, devido ao posicionamento dos transdutores, se
trabalhou com ondas de superfície.
Na Figura 2 (C) observam-se os transdutores planos posicionados na espessura da chapa de fibra, gerando ondas de compressão.
(A)
(B)
(C)
Figura 2 – Seqüência de ensaios utilizada para caracterização físico-mecânica com equipamento de ultra-som.
Após os ensaios com equipamento de ultra-som, os corpos de prova para o ensaio de flexão e módulo de elasticidade foram retirados da
chapa e o ensaio destrutivo de flexão estática para obtenção do Módulo de elasticidade foi realizado (Figura 3 a e b).
Figura 3 – Ensaio de flexão estática e corpos-de-prova retirados da chapa. Fonte : DURATEX – Laboratório de
Controle de Qualidade
Os ensaios com equipamento de ultra-som permitiram a medição do tempo de propagação da onda no material.
De posse desse tempo foram calculadas as velocidades de propagação das ondas que estão relacionadas com as
constantes elásticas (constantes dinâmicas), sendo, portanto, possível se obter, por meio do ensaio, informações ligadas
ao comportamento mecânico do material avaliado.
Para o cálculo das constantes dinâmicas utilizou-se a Equação 1.
CD = δ.V2 x 10-3
Equação 2
Onde:
CD = Constante Dinâmica (MPa)
δ = Densidade dos corpos-de-prova (g/cm3)
V = Velocidade de propagação das ondas no corpo-de-prova (m/s)
Os resultados foram avaliados estatisticamente utilizando o programa computacional Minitab 13. Essa avaliação
consistiu na adoção de um modelo correlação entre os resultados obtidos na avaliação não destrutiva e destrutiva bem
como na avaliação da adequação desse modelo. A verificação da hipótese de normalidade dos dados foi realizada
utilizando-se o “Método de Tukey”, que analisa o modelo de regressão por meio da análise dos resíduos.
3.
Resultados e Discussões
As condições 2 e 5 das chapas (Tabela 1), cujo teor de adesivo foi de 3%, foram descartadas, uma vez que não
apresentaram propriedades mínimas aceitáveis. Dessa forma, a avaliação da adequação do ensaio com ultra-som foi
realizado nas chapas 1, 3,4 e 6.
As figuras 4 e 5 apresentam as correlações realizadas coma as velocidades das ondas de ultra-som obtidas com Transdutores
Exponenciais.
CONDIÇÃO 1
y = 1,6406x – 126,78 R2 = 0,96
CONDIÇÃO 3
y = 4,6813x – 6636,3 R2 = 0,98
4000
MOE (MPa)
MOE (MPa)
4000
3000
2000
1700
1900
2100
2300
2500
3000
2000
1900
1950
VOC (m/s)
2000
2050
2100
2150
VOC (m/s)
Figura 4 – Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores planos das condições experimentais 1 e 3.
CONDIÇÃO 4
y = 4,8297x – 7251,5 R2 = 0,95
CONDIÇÃO 6
y = 6,7029x – 9939,3 R2 = 0,95
4000
MOE (MPa)
MOE (MPa)
4000
3000
2000
2000
2050
2100
2150
VOC (m/s)
2200
2250
3000
2000
1850
1900
1950
2000
2050
2100
VOC (m/s)
Figura 5 – Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores planos das condições experimentais 4 e 6.
Da mesma forma, foram avaliadas as correlações entre as velocidades das ondas de ultra-som , obtidas por meio
de transdutores planos e os valores de resistência à Flexão Estática. As Figuras 6 e 7 apresentam as correlações obtidas.
CONDIÇÃO 1
y = 2,7242x – 2863,7 R2 = 0,91
CONDIÇÃO 3
y = 2,7606x –3282 R2 = 0,96
4000
MOE (MPa)
MOE (MPa)
4000
3000
2000
2000
2100
2200
2300
2400
3000
2000
2000
2100
2200
VOC (m/s)
2300
2400
VOC (m/s)
Figura 6 –Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores exponenciais das condições experimentais 1 e 3.
CONDIÇÃO 4
y = 6,1848x – 10137 R2 = 0,95
CONDIÇÃO 6
y = 1,5593x + 20,861 R2 = 0,92
4000
MOE (MPa)
MOE (MPa)
4000
3000
2000
2050
2100
2150
2200
2250
3000
2000
1500
1700
1900
VOC (m/s)
2100
2300
2500
VOC (m/s)
Figura 7 – Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores exponenciais das condições experimentais 4 e 6.
Da mesma maneira, foram verificadas as correções entre as constantes dinâmicas, obtidas por meio do ensaios não
destrutivo, e o módulo de elasticidade, obtido por meio do ensaio destrutivo, para as 4 condições de chapas e para os
dois tipos de ondas avaliados. Esses resultados são apresentados nas Figuras 8 a 11.
CONDIÇÃO 1
y = 1,2115x – 1517,6
R2 = 0,96
CONDIÇÃO 3
y = 1E+15x – 1491,6 R2 = 0,97
4000
3500
MOE (MPa)
MOE (MPa)
4000
3000
2500
2000
3000
3500
4000
3000
2000
1000
3000
4500
3500
4000
CTED (MPa)
4500
CTED (MPa)
Figura 8 – Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de
ultra-som utilizando transdutores Exponenciais das condições experimentais 1 e 3.
CONDIÇÃO 6
y = 1,8716x – 4078,4 R2 = 0,96
4000
4000
3500
3500
MOE (MPa)
MOE (MPa)
CONDIÇÃO 4
y = 2,419x – 5058 R2 = 0,97
3000
2500
2000
3100
3200
3300
3400
CTED (MPa)
3500
3600
3000
2500
2000
3500
3600
3700
3800
3900
4000
4100
4200
4300
CTED (MPa)
Figura 9 – Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de
ultra-som utilizando transdutores Exponenciais das condições experimentais 4 e 6.
CONDIÇÃO 3
y = 1,337x – 1350,9 R2 = 0,97
3600
3500
3200
3000
MOE (MPa)
MOE (MPa)
CONDIÇÃO 1
y = 1,0069x + 324,75 R2 = 0,95
2800
2400
2400
2600
2800
3000
2500
2000
1500
2500
3200
3000
CTED (MPa)
3500
4000
CTED (MPa)
Figura 10 –Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de
ultra-som utilizando transdutores planos das condições experimentais 1 e 3.
CONDIÇÃO 6
y = 2,3595x – 3895,9 R2 = 0,94
4000
4000
3500
3700
MOE (MPa)
MOE (MPa)
CONDIÇÃO 4
y = 1,5625x – 2118,3 R2 = 0,94
3000
2500
2000
2500
3000
3500
4000
3400
3100
2800
2500
2500
CTED (MPa)
2700
2900
3100
3300
3500
CTED (MPa)
Figura 11– Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de
ultra- som utilizando transdutores planos das condições experimentais 4 e 6.
Utilizando-se transdutor plano (ondas de superfície), foram obtidas correlações entre velocidade e MOE,
apresentadas nos gráficos das Figuras 4 e 5, iguais a 96, 98, 95 e 95%. Essas correlações são significativas e indicam a
possibilidade de serem utilizadas as velocidades de propagação das ondas de compressão para inferir sobre a resistência
à Flexão Estática das chapas MDF.
As correlações entre Velocidade e MOE, apresentadas nos gráficos das Figuras 6 e 7, iguais a 91, 96, 95 e 92%,
também indicam que as velocidades de propagação das ondas a partir de transdutores exponenciais (ondas de
compressão) podem ser utilizadas para inferir sobre o MOE das chapas MDF.
O mesmo se pode comentar em relação às correlações entre constante dinâmica e MOE, uma vez que as
correlações obtidas, tanto com os transdutores planos quanto com os exponenciais, apresentaram correlações sempre
maiores do que 0,94. É importante salientar que as ondas de compressão oferecem resultados de correlação mais
elevados que os obtidos com onda de superfície, tanto para as correlações com a velocidade, quanto com constante
dinâmica.
4. Conclusões
As correlações obtidas entre as velocidades de propagação das ondas de ultra-som e os ensaios destrutivos realizados para a obtenção do
módulo de elasticidade das chapas possibilitam inferir sobre a possibilidade de utilização dos ensaios não-destrutivos para caracterização das chapas
MDF.
As excelentes correlações com a velocidade são resultados muito significativos para a indústria, uma vez que sua
determinação é muito mais simples e direta do que a determinação das constantes dinâmicas.
4.
Agradecimentos
Os autores agradecem à FAPESP pelo apoio financeiro para o desenvolvimento da Pesquisa e à Empresa
DURATEX, onde foram confeccionadas as chapas e realizados os ensaios destrutivos para a determinação do MOE.
5. Lista de Referências
REVISTA DA MADEIRA. Valor agregado impulsiona mercado externo. Publicação da Associação Brasileira da Madeira e Derivados. Ano
12, numero 67, pág. 10 a 14. Curitiba, 2002.
EUROMDFBOARD. MDF - Medium Density Fiberboard Definitions. Test Methods and Requirements. Industry Standard. Part II:
Requirements for General Purpose Boards. EMB/IS – 2:1995.