UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA
FILHO” CAMPUS EXPERIMENTAL DE ITAPEVA
CARLOS JOSÉ VESPÚCIO BALLONI
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E QUÍMICA DA MADEIRA
DE Pinus elliottii
Itapeva – SP
2009
CARLOS JOSÉ VESPÚCIO BALLONI
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA E QUÍMICA DA MADEIRA
DE Pinus elliottii
Trabalho de Graduação apresentado no Campus Experimental de
Itapeva - Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”,
como requisito para a conclusão do curso de Engenharia Industrial
Madeireira.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Marques Barreiros
Itapeva – SP
2009
B193c
Balloni, Carlos José Vespúcio
Caracterização física e química da madeira de Pinus
elliottii / Carlos José Vespúcio Balloni. - - Itapeva, 2009.
41 f.: il. 30 cm
Trabalho de Graduação do Curso Engenharia Industrial Madeireira
apresentado ao Campus Experimental de Itapeva – UNESP, 2009
Orientador: Prof. Dr. Ricardo Marques Barreiros
Banca examinadora: Prof. Dr. José Claudio Caraschi, Prof. Msc.
Francisco de Almeida Filho
Inclui bibliografia
1. Madeira. 2. Madeira - Química. 3. Pinus elliottii. I. Título. II. Itapeva
- Curso de Engenharia Industrial Madeireira.
CDD 674.13
Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca da UNESP – Campus Experimental de Itapeva.
RESUMO
De acordo com a Sociedade Brasileira de Silvicultura (SBS, 2007), a produção de
madeira serrada atingiu 23,8 milhões m³, sendo o pinus responsável por mais de 38% deste
total. O consumo em 2006 no mercado interno totalizou 21 milhões m³ (88,4% da produção
nacional) e as exportações brasileiras totalizaram cerca de 2,9 milhões m³ para o mesmo ano.
Desse modo o conhecimento das propriedades químicas e físicas da madeira de pinus é um
fator indispensável para a busca de melhores aplicações da espécie e o emprego correto em
diferentes situações do mercado madeireiro. O presente trabalho teve como objetivo
caracterizar a madeira de Pinus elliottii quanto às propriedades físicas e químicas. O material
utilizado para o estudo foi a madeira de duas árvores de Pinus elliottii extraída do Campus
Experimental da UNESP em Itapeva/SP com as coordenadas geográficas latitude 28º 58’ 53”
S e longitude de 48º 52’ 34” O. As árvores analisadas possuem a idade estimada de 22 anos,
densidade básica média de 0,470 g/cm3 , coeficiente de anisotropia de 1,33 e inchamento
volumétrico de 10,89%. O teor de extrativos totais da madeira foi de 2,98% e o teor de cinzas
obtido foi de 0,41%. O teor de lignina solúvel e insolúvel da espécie analisada foi de 0,22% e
28,00% respectivamente. O poder calorífico foi de 4.323 Kcal/Kg.
Palavras chaves: Madeira, propriedades químicas, propriedades físicas.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Mapa das regiões potencialmente aptas para o cultivo de Pinus taeda e
P.elliotti no Brasil (KRONKA et al., 2005) ............................................................................. 10
Figura 2 - Aspecto macroscópico da madeira de Pinus elliottii...................................... 14
Figura 3 - Modelo da estrutura celular de traqueídes de coníferas e fibras libriformes de
folhosas. LM = lamela média, P = parede primária, S1 = camada 1 da parede secundária, S2 =
camada 2 da parede secundária, S3 = camada 3 da parede secundária ou parede terciária
segundo alguns autores, W= camada verrugosa (warts) (BURGER; RITCHER, 1991) ......... 15
Figura 4 - Estruturas do caule (KRONKA et al., 2005) .................................................. 16
Figura 5 - Madeira juvenil e madeira adulta em Pinus elliottii....................................... 17
Figura 6 - Vista entre-plantas e entre-linhas do espaçamento......................................... 21
Figura 7 - Galho do Pinus elliottii .................................................................................. 21
Figura 8 - Disco da base do tronco mostrando os anéis de crescimento ......................... 22
Figura 9 - Serragem para análise química ....................................................................... 22
Figura 10 - Corpos-de-prova para a análise física .......................................................... 23
Figura 11 - Moinho tipo Willey ...................................................................................... 23
Figura 12 - Aparelho vibratório com as peneiras ............................................................ 24
Figura 13 - Soxhlet utilizado determinação do teor de extrativos da madeira ................ 26
Figura 14 - Bomba à vácuo ............................................................................................. 27
Figura 15 – Espectrofotômetro UV visível ..................................................................... 28
Figura 16 - Amostra da madeira submersa em água para saturação ............................... 28
Figura 17 - Amostras utilizadas para o cálculo da densidade básica .............................. 29
Figura 18 - Balança hidrostática ..................................................................................... 29
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição química média da madeira de coníferas e folhosas ................... 11
Tabela 2 - Coeficiente de anisotropia, qualidade e uso da madeira ................................ 20
Tabela 3 - Caracterização química da madeira de Pinus elliottii .................................... 32
Tabela 4 - Caracterização física da madeira de Pinus elliottii ........................................ 33
Tabela 5 – Resultados da caracterização química da madeira de Pinus elliottii ............. 40
Tabela 6 – Resultados da caracterização física da madeira de Pinus elliottii ................. 41
SUMÁRIO
1.
INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 9
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.......................................................................................... 10
2.1. Composição química da madeira ................................................................................... 11
2.1.1. Celulose ................................................................................................................... 12
2.1.2. Hemiceluloses ......................................................................................................... 12
2.1.3. Lignina .................................................................................................................... 13
2.1.4. Extrativos ................................................................................................................ 13
2.2. Anatomia das Coníferas ................................................................................................. 14
2.2.1. Estrutura da parede celular ...................................................................................... 14
2.2.2. Estrutura Macroscópica da madeira ............................................................................ 15
2.2.3. Anéis de crescimento .............................................................................................. 16
2.2.4. Madeira juvenil e madeira adulta ............................................................................ 17
2.3. Propriedades físicas da madeira ..................................................................................... 18
2.4. Poder calorífico da madeira ........................................................................................... 20
3.
MATERIAL E MÉTODOS .............................................................................................. 20
3.1. Material .......................................................................................................................... 20
3.2. Métodos ......................................................................................................................... 21
3.2.1. Amostragem do material e preparação das amostras para análise .......................... 21
3.2.2. Caracterização química ........................................................................................... 24
3.2.2.1. Teor de absolutamente seco ................................................................... 24
3.2.2.2. Teor de cinzas ........................................................................................ 24
3.2.2.3. Teor de extrativos totais ......................................................................... 25
3.2.2.4. Teor de holocelulose .............................................................................. 26
3.2.2.5. Teor de lignina Klason insolúvel ........................................................... 26
3.2.2.6. Teor de lignina Klason solúvel .............................................................. 27
3.2.3. Caracterização física ............................................................................................... 28
3.2.3.1. Densidade básica .................................................................................... 28
3.2.3.2. Inchamento Volumétrico ........................................................................ 30
3.2.3.3. Retração Volumétrica............................................................................. 30
3.2.3.4. Retração tangencial/radial ...................................................................... 31
3.2.3.5. Coeficiente de Anisotropia (CA) ........................................................... 31
3.2.3.6. Poder calorífico ...................................................................................... 31
4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 32
5.
CONCLUSÃO .................................................................................................................. 34
6.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 35
ANEXO A ................................................................................................................................ 40
ANEXO B ................................................................................................................................ 41
9
1.
INTRODUÇÃO
As florestas nativas brasileiras durante muito tempo supriram a demanda
dos segmentos consumidores de madeira, sobretudo aqueles ligados à produção dos
produtos de madeira roliça “round timber”. Tais produtos são empregados como lenha
ou, então, de forma temporária, em escoramentos de lajes (pontaletes) e construção de
andaimes e, de forma permanente, como elementos de maior diâmetro e resistência, nos
postes de distribuição de energia elétrica e em colunas. São freqüentes os seus usos em
estruturas de telhado e outros componentes construtivos em construções rurais.
Foi a partir de 1967 que as plantações comerciais começaram a florescer
como negócio, quando o governo federal instituiu incentivos fiscais para
reflorestamento com bons descontos no imposto de renda, aliadas à crescente demanda
de madeira e extinção quase que completa das matas de Araucaria angustifolia. Nessa
época, além do pinus, também começou no Brasil a plantação em massa de eucalipto.
Muitas das espécies de pinus foram trazidas pelos imigrantes europeus
como curiosidade, para fins ornamentais e para produção de madeira. As primeiras
introduções de que se tem notícia foram de Pinus canariensis, proveniente das Ilhas
Canárias, no Rio Grande do Sul, por volta de 1880. Essa grande diversidade de espécies
e raças geográficas testadas, provenientes não só dos Estados Unidos, mas também do
México, da América Central, das ilhas caribenhas e da Ásia foi de grande importância
para que se pudesse traçar um perfil das características de desenvolvimento de cada
espécie e assim viabilizar plantios comerciais nos mais variados sítios ecológicos
existentes no país. Dentre as inúmeras espécies introduzidas, o P. elliottii e o P. taeda
foram as duas espécies que mais se destacaram pela facilidade nos tratos culturais,
rápido crescimento e reprodução intensa no Sul e Sudeste do Brasil.
O principal uso de P. elliottii no Brasil é a produção de madeira para
processamento mecânico e a extração de resina. A resina extraída de árvores de Pinus
elliottii possibilitou a criação de uma atividade econômica muito importante no setor
florestal que é a produção, processamento e exportação de resina. Até 1989 o Brasil era
importador da resina de pinus, hoje a situação é outra. O setor faturou US$ 30 milhões
no ano de 2005, entre mercado interno e exportação.
Visto essa grande demanda pela madeira de pinus, observa-se a importância
desse estudo que tem como objetivo caracterizar a madeira de Pinus elliottii quanto as
10
propriedades físicas e químicas.
2.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
As plantações de pinus, atingiram em 2007 cerca de 1,82 milhões de
hectares e o (SBS, 2007). A Figura 1 mostra a localização das regiões potencialmente
aptas para o cultivo de Pinus taeda e P.elliotti no Brasil (KRONKA et al., 2005).
Figura 1 - Mapa das regiões potencialmente aptas para o cultivo de Pinus taeda e
P.elliotti no Brasil (KRONKA et al., 2005)
A produção dessas florestas teve por objetivo o suprimento das necessidades
de celulose e papel, carvão e, posteriormente, madeira sólida (HERNANDEZ;
SHIMABUKURO, 1978).
Segundo a SBS (2007), em média 70% da madeira maciça utilizada pela
indústria moveleira era proveniente de plantios florestais. O pinus e o eucalipto vêm se
consolidando no segmento de camas e de salas de jantar e estruturas de móveis
estofados e, mais recentemente, na fabricação de móveis de jardim para exportação. As
exportações brasileiras de móveis de madeira totalizaram US$ 1,048 bilhão em 2006.
O gênero Pinus é composto de, aproximadamente, 100 espécies e é
originário de regiões temperadas e tropicais. Macroscopicamente, a cor de sua madeira
pode ser classificada em branca, vermelha e amarela (USDA FOREST SERVICE,
2002).
Pinus elliottii é uma conífera pertencente à família Pinaceae de
gimnospermas, característica pela produção de resina em todos os seus gêneros. Nativa
11
do sudeste dos EUA essa espécie amplamente cultivada em plantações subtropicais do
Brasil, Índia e China é usada na produção de resina e na indústria moveleira. A
produção de oleoresina (uma complexa mistura de mono, sesqui, e diterpenos) por
espécies de coníferas é uma resposta de defesa contra ataque por insetos e
microorganismos patogênicos. A extração de oleoresina de Pinus elliottii é também uma
importante atividade econômica, pois seus derivativos voláteis, terebintina e breu,
encontram diversas aplicações na indústria química e farmacêutica.
2.1. Composição química da madeira
Segundo Wehr (1991), para que se estabeleça os parâmetros do processo de
produção de celulose, tais como o consumo de reagentes, rendimento em celulose e
quantidade de sólidos gerados no licor negro é de grande valia o conhecimento da
composição química da matéria-prima utilizada.
Os componentes químicos da madeira podem ser compreendidos em dois grandes
grupos: componentes de alta massa molecular que são a celulose, as hemiceluloses e a
lignina, e os componentes de baixa massa molecular que são os extrativos e as cinzas
(PANSHIN; ZEEUW, 1970). As proporções e composição química diferem em
coníferas e folhosas. A Tabela 1 mostra a composição química média da madeira de
coníferas e folhosas.
Tabela 1 - Composição química média da madeira de coníferas e folhosas
Constituinte
Coníferas (%)
Folhosas (%)
Celulose
42 ± 2
45 ± 2
Hemicelulose
27 ± 2
30 ± 5
Lignina
28 ± 2
20 ± 4
Extrativos
5±3
3±2
FONTE: (FENGEL; WEGENER, 1989)
12
2.1.1. Celulose
A celulose é o componente mais importante da parede celular da madeira
em termos de massa e efeitos nas características da madeira. É o componente
majoritário, perfazendo aproximadamente a metade das madeiras tanto de coníferas,
como de folhosas.
De acordo com D’almeida (1988), citado por Barreiros (2006), a celulose é
conceituada como um sacarídeo que se apresenta como um polímero de cadeia linear de
suficiente comprimento para ser insolúvel em água, solventes orgânicos neutros, ácidos
hidróxidos diluídos, todos à temperatura ambiente, consistindo de unidades β-Danidroglicopiranose ligadas através de ligações glicosídicas entre carbonos 1 e 4 e
possuindo uma estrutura organizada e parcialmente cristalina.
Segundo Nichols (1971), o rendimento da celulose está associado à
composição química da madeira, e a qualidade da celulose aos fatores anatômicos,
como comprimento e espessura das paredes das fibras.
2.1.2. Hemiceluloses
De acordo com Panshin e Zeeuw (1970), as hemiceluloses constituem uma
fração dos polissacarídeos totais da madeira, dos quais a maior parte é solúvel em
soluções alcalinas diluídas e se hidrolisam facilmente em ácidos diluídos para açúcares.
Constituem de 20% a 35% da massa seca da madeira. As cadeias moleculares das
hemiceluloses são muito mais curtas que a de celulose, podendo existir grupos laterais e
ramificações em alguns casos. De acordo com Sansígolo (1994) a fração de
hemiceluloses é composta, principalmente, por duas classes de substâncias: as xilanas
que são moléculas formadas por polimerização de formas anidro de pentoses (típica de
madeiras de folhosas) e as glucomananas, as quais são formadas pela polimerização de
formas anidro de hexoses (típicas da madeira de coníferas).
13
2.1.3. Lignina
De acordo com Abreu e Oertel (1999), citado por Rosa (2003), a lignina é
uma substância complexa, macromolécula tridimensional de origem fenilpropanóica.
Constituídas de unidades básicas de p-hidroxifenilpropano, guaiacilpropano e
siringilpropano, encontradas na maioria das plantas superiores em maior concentração
na lamela média do que nas subcamadas da parede secundária dos traqueídeos, vasos,
fibras, etc.
Segundo Glasser e Kelly (1987), a quantidade de lignina total da madeira
depende dos requerimentos físicos e mecânicos da árvore, e pode ser alterada durante o
seu desenvolvimento, variando a quantidade dos precursores ou micronutrientes
específicos.
2.1.4. Extrativos
De acordo com Barreiros (2006), os extrativos da madeira compreendem um
grande número de componentes, os quais, ao contrário da maioria dos polissacarídeos e
da lignina, podem ser extraídos da madeira por meio de solventes orgânicos tais como
etanol, acetona, diclorometano, éter etílico e tetracloreto de carbono.
Segundo esse mesmo autor, os extrativos mais importantes em termos de
quantidade, ocorrência natural e importância econômica são as resinas da madeira e os
polifenóis. Relata também que a resina da madeira contém cerca de 25% de compostos
voláteis conhecidos como terebintina e 75% de um resíduo não volátil denominado
breu, e ainda que os polifenóis ocorrem tanto em madeiras de coníferas quanto em
folhosas e incluem vários compostos de importância como os taninos, os flavonóides, as
ligninas e fenóis simples.
De acordo com Sansígolo (1994), citado por Barreiros (2006), os extrativos
influenciam em algumas propriedades das madeiras. O odor e a coloração típica de
muitas madeiras se devem aos extrativos, e estes também influenciam no consumo de
reagentes nos processos químicos de utilização da madeira e na permeabilidade.
14
2.2. Anatomia das Coníferas
A estrutura celular das coníferas é relativamente simples, apresentando
somente dois tipos, as traqueídes axiais (90-95%) e as células de raio (5-10%). Em geral
o comprimento médio das traqueídes em coníferas está em torno de 3,5 a 4,0 mm. O
comprimento, de forma grosseira, é cerca de 100 vezes sua largura. Entretanto, os
traqueídes variam grandemente em comprimento em diferentes partes da mesma árvore
(SJÖSTRÖM, 1993).
O sentido e arranjo das células podem ser reconhecidos nas seções dos três
principais planos de corte utilizados na caracterização anatômica da madeira:
• Transversal;
• Tangencial e
• Radial.
A Figura 2 mostra a madeira de Pinus elliottii sob o aspecto macroscópico.
Figura 2 - Aspecto macroscópico da madeira de Pinus elliottii
2.2.1. Estrutura da parede celular
No processo de divisão celular, a primeira membrana de separação a
aparecer entre o par de novas células é a lamela média. Sobre esta membrana
acumulam-se posteriormente no interior da célula microfibrilas de celulose, formando
uma trama irregular, que constituí a parede primária, dotada de grande elasticidade.
Concluído este processo, depositam-se junto à membrana primária microfibrilas de
celulose, obedecendo a certa orientação, que destaca três camadas distintas,
constituintes da parede secundária da célula: S1, S2 e S3. Em muitas células, revestindo
15
o lume, observa-se ainda uma camada verrucosa atribuída a aderência de restos do
protoplasma. Uma observação minuciosa de seus detalhes estruturais só pode ser feita
com microscópio eletrônico, conforme ilustra a Figura 3 (BURGER; RITCHER, 1991).
Figura 3 - Modelo da estrutura celular de traqueídes de coníferas e fibras
libriformes de folhosas. LM = lamela média, P = parede primária, S1 = camada 1 da
parede secundária, S2 = camada 2 da parede secundária, S3 = camada 3 da parede
secundária ou parede terciária segundo alguns autores, W= camada verrugosa (warts)
(BURGER; RITCHER, 1991)
2.2.2. Estrutura Macroscópica da madeira
A madeira é um conjunto heterogêneo de diferentes tipos de células com
propriedades específicas para desempenharem as funções vitais abaixo mencionadas:
• Condução de líquidos
• Transformação, armazenamento e transporte de substâncias nutritivas; e
• Sustentação do vegetal.
Macroscopicamente, o caule de uma árvore de Pinus, conforme mostra a
Figura 4, apresenta mais superficialmente, a casca externa, que é a proteção da árvore
contra as agressões do ambiente, sendo constantemente renovada, evita o excesso de
umidade durante as chuvas e a sua perda, quando o ambiente está seco, também
isolando contra o frio e calor excessivos e protegendo contra insetos. A seguir,
16
encontra-se a casca interna ou floema, sendo o sistema de tubos pelos quais o alimento é
transportado das folhas para o resto da árvore. O floema tem vida breve, transformandose em cortiça e tornando-se parte da casca externa. A terceira camada é a do câmbio,
onde ocorre o crescimento do tronco, produzindo ao mesmo tempo, casca e madeira
novas. O alburno é o sistema tubular que transporta água das raízes para as folhas. O
alburno é madeira nova, enquanto são produzidos novos anéis de alburno na parte
externa do tronco, as células de suas partes mais internas se transformam em cerne. O
cerne é o cilindro central que dá sustentação à árvore, sendo formado por um sistema de
fibras celulósicas tubulares unidas por lignina (KRONKA et al., 2005).
Figura 4 - Estruturas do caule (KRONKA et al., 2005)
2.2.3. Anéis de crescimento
Em regiões caracterizadas por clima temperado, os anéis de crescimento
representam habitualmente o incremento anual da árvore. A cada ano é acrescentado um
novo anel ao tronco, razão por que são também denominados anéis anuais, cuja
contagem permite conhecer a idade do indivíduo.
Em um anel de crescimento típico distinguem-se normalmente duas partes:
• Lenho inicial (lenho primaveril)
• Lenho tardio (lenho outonal ou estival)
O lenho inicial corresponde ao crescimento da árvore no início do período
vegetativo, normalmente primavera, quando as plantas despertam do período de
17
dormência em que se encontravam, reassumindo suas atividades fisiológicas com todo
vigor. As células da madeira formadas nesta ocasião caracterizam-se por suas paredes
finas e lumes grandes que lhes conferem em conjunto uma coloração clara. Com a
aproximação do fim do período vegetativo, normalmente outono, as células vão
diminuindo paulatinamente sua atividade fisiológica. Em conseqüência deste fato, suas
paredes vão tornando-se gradualmente mais espessas e seus lume menores,
distinguindo-se do lenho anterior por apresentarem em conjunto uma tonalidade mais
escura. É esta alternância de cores que evidencia os anéis de crescimento de muitas
espécies, em especial das gimnospermas, conhecidas como coníferas (BURGER;
RITCHER, 1991).
2.2.4. Madeira juvenil e madeira adulta
O corte transversal de um fuste de conífera apresenta, normalmente, duas
regiões distintas. Segundo Zobel (1980), não existe um ponto específico de transição
entre madeira juvenil e adulta, devido ao fato de que tal transição ocorre ao longo de
vários anos e de forma lenta. A Figura 5 ilustra a representação esquemática das regiões
de madeira juvenil, adulta e de transição da madeira de Pinus elliottii. A primeira,
próxima à medula, corresponde à madeira juvenil, e a segunda, mais próxima da casca,
constituí a madeira adulta (PANSHIN; ZEEUW, 1980). Na madeira juvenil podem-se
observar anéis de crescimento graduais e difusos.
Figura 5 - Madeira juvenil e madeira adulta em Pinus elliottii
18
Visualmente, a região de madeira juvenil é identificável pela presença de
anéis de crescimento mais largos, em contraposição aos observáveis na região de
madeira adulta, mais estreitas e com largura relativamente mais uniforme. Este período
varia conforme a espécie e pode ser afetado pelos fatores silviculturais, de manejo, da
plantação, ou fatores genéticos, “As proporções relativas entre madeira juvenil e
madeira adulta variam de acordo com a idade da árvore” (BENJAMIN, 2002). Segundo
Panshin e Zeeuw (1980) a localização da madeira juvenil no fuste é discutida por muitos
pesquisadores, estimando-se que está compreendida em uma faixa entre a medula até o
vigésimo anel anual de crescimento.
2.3. Propriedades físicas da madeira
As propriedades físicas mais empregadas na caracterização da madeira são a
densidade, o teor de umidade e as alterações dimensionais promovidas pela perda ou
ganho de água, notadamente a retratibilidade.
Segundo Shimoyama e Barrichelo (1989), um dos mais importantes índices
para avaliar a qualidade da madeira é a densidade básica. É um parâmetro quantitativo
resultante das características anatômicas e composição química da madeira. É definida
como sendo a relação entre o peso de madeira seca em estufa e o seu volume obtido
acima do ponto de saturação das fibras. Sua importância é verificada em todos os
setores florestais. Segundo esses mesmos autores, as principais propriedades físicas da
madeira são a densidade básica e a aparente, a umidade e a estabilidade dimensional
(contração), sendo a primeira a que melhor expressa a qualidade da madeira, pela fácil
determinação e por apresentar correlação com outras características do produto. Na
tecnologia está diretamente ligada às características do produto final como rendimento
em celulose, resistências físico-mecânicas do papel, produção e qualidade de carvão,
etc.
De acordo com Wenzl (1970), embora se saiba que a densidade básica é
uma importante propriedade da madeira, de fácil determinação, de extrema utilidade
para o meio florestal, e que, para as madeiras em geral apresenta boas correlações com
as propriedades mecânicas, para essas novas situações, ela, por si só, pode ser
insuficiente como parâmetro único de qualidade. Fatores como as características
anatômicas e a composição química, entre outros, também devem ser levados em
19
consideração.
A retratibilidade da madeira é usualmente referida por alguns autores como
contração. De acordo com Rezende et al. (1988), o termo retratibilidade volumétrica
total se refere à perda total de água desde a amostra totalmente saturada até secagem
completa em estufa a 103 ± 2°C. Segundo os autores, o ponto de saturação das fibras
(PSF) – teor de umidade com o qual a madeira começa a ter uma variação volumétrica
significativa – ocorre, no geral, para umidades em torno de 28%.
Todo material higroscópico, como a madeira e vários outros materiais
celulósicos, apresenta contração quando o seu teor de umidade do ponto de saturação
das fibras (PSF) é reduzido até à condição absolutamente seca ou anidra. A contração e
a expansão higroscópica da madeira são dois dos mais importantes problemas práticos
que ocorrem durante a sua utilização, como conseqüência da mudança do teor de
umidade. A magnitude das variações dimensionais depende de inúmeros fatores, como
o teor de umidade, a direção estrutural (radial, tangencial ou longitudinal), a posição
dentro da árvore, a densidade da madeira, a temperatura, o grau de estresse de secagem
causada pelo gradiente de umidade, entre outros (OLIVEIRA; SILVA, 2003).
A retratibilidade da madeira se dá nas três direções principais – radial,
tangencial e longitudinal. De acordo com Ballarin e Lara Palma (2003), estudando
árvores de Pinus taeda com 37 anos de idade, concluíram que: as contrações radiais,
tangenciais e volumétricas da madeira juvenil foram estatisticamente diferentes e
sempre menores que as da madeira adulta; as contrações radiais e tangenciais da
madeira juvenil apresentaram uma maior variabilidade em relação à madeira adulta; a
variação da contração radial entre a madeira juvenil e a madeira adulta foi maior do que
a variação observada na contração tangencial.
O coeficiente de anisotropia, que é a relação entre as contrações tangencial e
radial, é um parâmetro de avaliação da qualidade da madeira que considera sua variação
dimensional. A Tabela 2 mostra a relação deste coeficiente de anisotropia relacionado
com a qualidade e a utilização da madeira.
20
Tabela 2 - Coeficiente de anisotropia, qualidade e uso da madeira
Coeficiente de anisotropia
Qualidade da madeira
Utilização indicada para a madeira
1,2 a 1,5
Excelente
Móveis finos, esquadrias, barcos,
aparelhos musicais, aparelhos de
esporte e etc.
1,5 a 2,0
Normal
Estantes, mesas, armários, enfim
usos que permitam pequenos
empenamentos.
Acima de 2,0
Ruim
Construção civil (observadas as
características mecânicas), carvão,
lenha e etc.
Fonte: (NOCK et al., 1975)
O estudo do comportamento das variações dimensionais da madeira é
essencial para a sua utilização industrial e as relações existentes entre densidade,
retratibilidade e expansão volumétrica são de fundamental importância para um
aproveitamento mais eficiente dessa matéria-prima.
2.4. Poder calorífico da madeira
O poder calorífico expressa a capacidade de geração de energia de um
combustível durante a sua combustão. A unidade utilizada para combustíveis sólidos é a
kcal/kg. Para combustíveis gasosos é Kcal/m3. Sua determinação pode ser teórica pelo
conhecimento da composição química do combustível ou experimental com o auxílio da
bomba calorimétrica. (NASCIMENTO et al., 2006).
3.
MATERIAL E MÉTODOS
3.1. Material
Para realização deste trabalho foi utilizado a madeira da espécie Pinus
elliotti. O material utilizado para análise localizava-se no Campus Experimental da
UNESP em Itapeva/SP. O mesmo foi retirado de um pequeno povoamento constituído
de duas linhas de árvores formando quebra- vento com espaçamento de 4x4 m,
conforme as Figuras 6 e 7, e tem como coordenadas geográficas latitude 28º 58’ 53” S e
longitude de 48º 52’ 34” O.
21
Figura 6 - Vista entre-plantas e entre-linhas do espaçamento
3.2. Métodos
3.2.1. Amostragem do material e preparação das amostras para análise
Duas árvores de Pinus elliottii foram abatidas e as amostras foram extraídas
aleatoriamente ao longo dos fustes.
O reconhecimento da espécie consistiu na análise do material vegetativo,
pela Filotaxia, que é o padrão de distribuição das folhas ao longo do caule das plantas.
O material foi comparado com a literatura especializada, tais como em livros de
taxonomia de gimnospermas e consulta a especialistas. A Figura7 mostra um galho da
árvore de Pinus elliottii analisada na identificação da espécie.
Figura 7 - Galho do Pinus elliottii
22
Para a determinação da idade da árvore foram contados os anéis de
crescimento de um disco da base de um dos troncos, que mediu 48 cm de diâmetro
médio sem casca e 53 cm de diâmetro médio com casca, conforme a Figura 8. Para a
contagem dos anéis foi traçado uma linha no maior diâmetro passando pela medula e
outra perpendicular a esta, sendo possível a realização de quatro contagens dos anéis.
Desta forma, a média das medições mostrou a idade de 22 anos.
Figura 8 - Disco da base do tronco mostrando os anéis de crescimento
Para a análise química a madeira de Pinus os corpos-de-prova foram
primeiramente reduzidos a serragem. A serragem foi então classificada em peneiras de
fração 40/60 mesh, a qual está ilustrada na Figura 9.
Figura 9 - Serragem para análise química
Para a análise física da madeira de Pinus, os corpos-de-prova foram
retirados e cortados em blocos de 2,5 cm (face tangencial) x 2,5 cm (face radial) x 10,0
cm (longitudinal). Alguns dos corpos-de-prova para a análise física são mostrados na
Figura 10.
23
Figura 10 - Corpos-de-prova para a análise física
A serragem de fração 40/60 mesh foi obtida mediante um moinho de 1500
W tipo Willey e de 4 facas, conforme mostra a Figura 11.
Figura 11 - Moinho tipo Willey
A separação na fração 40/60 mesh foi realizada através de peneiras para
classificação granulométrica em um sistema vibratório acionado por motor elétrico,
conforme mostra a Figura 12.
24
Figura 12 - Aparelho vibratório com as peneiras
3.2.2. Caracterização química
Quanto à caracterização química, foi determinado o teor de absolutamente
seco (a.s.), o teor de cinzas, o teor de extrativos, o teor de holocelulose eo teor de
lignina Klason.
3.2.2.1. Teor de absolutamente seco
O teor de absolutamente seco foi determinado de acordo com a norma
TAPPI T210 OM-93 (TAPPI, 1999). Foram realizadas três repetições. A equação 1 foi
utilizada para calcular o teor de absolutamente seco na serragem de fração 40/60 mesh.
Ta .s. (%) =
Ms
× 100
Mu
[1]
Onde: Ta.s.= teor de absolutamente seco (%);
Ms = massa seca (g);
Mu = massa úmida (g).
3.2.2.2. Teor de cinzas
O teor de cinzas foi calculado de acordo com a norma TAPPI T-211 om-85
25
(TECHNICAL ASSOCIATION OF THE PULP AND PAPER INDUSTRY - TAPPI,
1999). A média foi obtida através da realização de três repetições. A expressão 2 foi
utilizada para calcular o teor de cinzas.
C (%) =
Pc
P
× 100
[2]
Onde: C = teor de cinzas (%);
Pc = peso das cinzas (g);
P = peso da amostra seca em estufa (g).
3.2.2.3. Teor de extrativos totais
O teor de extrativos totais foi determinado de acordo com a norma ABTCP
M3/69 (ABTCP, 1974). A extração foi feita em tolueno/etanol e água quente. A média
foi obtida através da realização de três repetições. A expressão 3 foi utilizada para
calcular o teor de extrativos totais da madeira.
Text (%) = (1 − Ms ) × 100
[3]
Onde: Text. = teor de extrativos (%);
Ms = massa da amostra seca (g).
A Figura 13 mostra o aparelho soxhlet utilizado para realizar a extração dos
extrativos totais da madeira.
26
Figura 13 - Soxhlet utilizado determinação do teor de extrativos da madeira
3.2.2.4. Teor de holocelulose
O teor de holocelulose foi calculado pela diferença do total 100% da
madeira entre a soma de teor de extrativos com o teor de lignina, determinados
anteriormente. A expressão 4 foi utilizada para calcular o teor de holocelulose madeira.
H (%) = 100 − (Text + L )
[4]
Onde: H = teor de holocelulose (%);
Text. = teor de extrativos (%);
L = teor de lignina (%).
3.2.2.5. Teor de lignina Klason insolúvel
O teor de lignina Klason insolúvel foi determinda conforme a norma TAPPI
T 222 om-98. O teor de lignina Klason insolúvel foi calculado de acordo com a equação
5.
27
Li (%)
=
L
× 100
P
[5]
Onde: Li = teor de lignina Klason insolúvel (%);
L = peso a.s. da lignina (g);
P = peso a.s. da serragem inicial (g).
A Figura 14 mostra a Bomba à vácuo utilizada para a filtragem do material
analisado e assim seguir para a secagem em estufa.
Figura 14 - Bomba à vácuo
3.2.2.6. Teor de lignina Klason solúvel
O teor de lignina Klason solúvel da madeira foi determinado no filtrado da
lignina Klason insolúvel, através do método relatado por Goldschmid (1971).
Foi coletada toda a solução filtrada durante a determinação da lignina klason
insolúvel e completada com água destilada até 1 litro. esta solução foi utilizada para as
leituras das absorbâncias, em comprimento de ondas de 280 e 215 nm. A Calibração do
aparelho “Fotocolorímetro” na ultravioleta foi efetuada com uma solução de H2SO4
0,05M. O teor de lignina Klason solúvel foi calculado de acordo com a equação 6.
Ls (%)
=
{ [4 , 538
× ( A 215
)] − ( A 280 )}×
0 , 9494
[6]
Onde: Ls = teor de lignina Klason solúvel (%);
A215, A280 = leituras em absorbância.
28
A Figura 15 mostra o espectrofotômetro UV visível utilizado para
determinação do teor de lignina solúvel.
Figura 15 – Espectrofotômetro UV visível
3.2.3. Caracterização física
Quanto a caracterização física do material, foram determinados a densidade
básica, a retratibilidade, o inchamento da madeira e o coeficiente de anisotropia.
3.2.3.1. Densidade básica
A densidade básica da madeira foi determinada de acordo com o método da
balança hidrostática, norma ABTCP M 14/70 (ABTCP, 1974). O método consiste em
deixar as amostras de madeira submersas numa cuba com água por aproximadamente
30 dias até ficarem totalmente saturadas, conforme mostra a Figura 16. Desta forma foi
dividido em duas etapas:
1- Determinação do volume saturado
2- Determinação da massa da amostra seca (massa seca)
Figura 16 - Amostra da madeira submersa em água para saturação
29
A Figura 17 mostra as amostras saturadas utilizadas na determinação da
densidade básica.
Figura 17 - Amostras utilizadas para o cálculo da densidade básica
A Figura 18 ilustra a balança hidrostática utilizada para determinação da
densidade básica.
Figura 18 - Balança hidrostática
A densidade básica foi calculada através da equação 7.
Db =
Ms
Mu − Mi
Onde: Db = densidade básica (g/cm3);
Ms = massa seca (g);
Mi = massa imersa saturada (g);
Mu = massa úmida (saturada) (g).
[7]
30
3.2.3.2. Inchamento Volumétrico
Foram feitos cinco corpos-de-prova, medidos inicialmente saturados e
calculado a média das duas extremidades; em seguida, foram colocados para secar em
estufa a 103,0 ± 2ºC até a estabilização da massa, onde foram resfriados em dessecador
e mensurados novamente. Todas as medidas foram feitas com paquímetro digital de
0,01 mm de precisão.
O inchamento volumétrico máximo (αVmax) foi calculado de acordo com a
expressão 8.
 Vu − Vo 

 × 100 
 Vs 

αV max = 
[8]
Onde: αVmáx = máximo inchamento volumétrico (%).
Vu = volume da madeira em estado saturado (cm3);
Vs = volume da madeira em estado seco (cm3).
3.2.3.3. Retração Volumétrica
Para a retração volumétrica repetiu-se o mesmo procedimento de medição
realizado para o inchamento volumétrico, com os mesmos corpos-de-prova.
A retração volumétrica (βVmax) foi calculado de acordo com a equação 9.
 Vu − Vo 

ΒV max = 
 × 100

 Vu 

Onde: βVmáx = máxima contração volumétrica (%);
Vu = volume da madeira em estado úmido (cm3);
Vo = volume da madeira em estado seco (cm3).
[9]
31
3.2.3.4. Retração tangencial/radial
A retração tangencial e radial foram calculadas de acordo com a expressão
10.
 Lu − Lo 
 × 100
 Lo 
β t / r = 
[10]
Onde: βt/r = Retração dimensional tangencial ou radial (%);
Lu = Dimensão úmida (cm);
Lo = Dimensão seca (cm).
3.2.3.5. Coeficiente de Anisotropia (CA)
O coeficiente de anisotropia (CA) foi calculado de acordo com a expressão
11.
CA =
βt
βr
[11]
Onde: CA = Coeficiente de anisotropia;
ßt = Retração dimensional tangencial (%);
ßr = Retração dimensional radial (%).
3.2.3.6. Poder calorífico
Para a determinação do poder calorífico dos componentes químicos da
madeira, foi utilizada amostra em duplicata na fração 40/60 mesh. O poder calorífico foi
determinado por meio de uma bomba calorimétrica, de acordo com a norma NBR
8633/84 (ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – ABNT, 1984).
32
4.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
As Tabelas 3 e 4 mostram os resultados obtidos quanto a caracterização
química e física da madeira de Pinus elliotti.
Tabela 3 - Caracterização química da madeira de Pinus elliottii
CARACTERIZAÇÃO QUÍMICA
MÉDIA
VALORES DA LITERATURA
TEOR DE SECO (%)
89,60
-
HOLOCELULOSE (%)
68,80
68,00
LIGNINA INSOLÚVEL (%)
28,00
25,00 - 30,00
LIGNINA SOLÚVEL (%)
0,22
-
TEOR DE EXTRATIVOS (%)
3,00
2,00 - 10,00
0,41
4.323,00
0,10 - 1,00
4.460,00
TEOR DE CINZAS (%)
PODER CALORÍFICO SUPERIOR (Kcal/Kg)
O teor de lignina insolúvel mostrou-se estar dentro da faixa para as
coníferas, com uma média de 28% para o material analisado. A madeira contém cerca
de 15 a 30% de lignina, sendo usualmente encontrados valores de 25 a 30% para
madeiras de coníferas (SANSÍGOLO, 1994).
Segundo o IPT (1998), a composição química da madeira define quais
devem ser as condições do cozimento para se obter a polpa adequada, assim as coníferas
requerem condições mais drásticas de cozimento devido ao maior teor de lignina.
Hon e Shiraishi (2000) relatam a importância do conhecimento das
propriedades químicas para a utilização da madeira. Este relato pode ser evidenciado ao
se analisar o teor de lignina do pinus, que por ser relativamente alta, a madeira não é
indicada para a celulose branqueada e sim para a polpa não branqueada. Este alto teor
de lignina também explica o alto poder calorífico obtido para a amostra de serragem de
Pinus elliotti. O poder calorífico obtido a 0% de umidade para a madeira de Pinus
elliotti foi de 4.323 Kcal/Kg. Segundo Staiss e Pereira (2001), o poder calorífico
superior está na faixa de 4.460 Kcal/Kg, para a madeira de conífera. Brito (1993) afirma
que a variação do poder calorífico superior para a madeira em geral está entre 3.500
Kcal/Kg a 5.000 Kcal/Kg.
Quanto ao teor de extrativos totais e o teor de cinzas, os mesmos
apresentaram valores similares aos obtidos em outros estudos. O teor de extrativos de
33
3% obtido para a madeira de Pinus elliottii de 22 anos não é tão alto por se tratar de
uma conífera com idade avançada, o que mostra que podem ser feitos mais estudos com
árvores dessa idade. Segundo Fengel e Wegener (1984) o teor de extrativos para
madeira de conífera está na faixa de 2 a 10%. De acordo com os mesmos autores, o teor
de cinzas na madeira de coníferas está na faixa de 0,10 a 1% base madeira seca.
De acordo com Sansígolo (1994), os extrativos influenciam no consumo de
reagentes nos processos químicos de utilização da madeira e na permeabilidade. Smook
(1997) menciona que os extrativos são compostos indesejáveis no processo de polpação,
uma vez que os mesmos podem consumir reagentes químicos e provocar incrustações
(pitch) em tubulações e também causar problemas de absorção de lignina e de cargas
durante o processo de fabricação do papel. Por outro lado, por apresentar alto teor de
extrativos a madeira de Pinus elliotti é muito utilizada para a retirada de resina, esta que
possui alto valor no mercado. Por este fato que o Pinus elliotti é conhecido como pinus
resinífero. Quanto ao teor de holocelulose obtido, o mesmo foi bem próximo ao valor
encontrado por Colodette et al (1981) para Pinus caribaea var. hondurensis de 68,00%.
Tabela 4 - Caracterização física da madeira de Pinus elliottii
CARACTERIZAÇÃO FÍSICA
MÉDIA
VALORES DA LITERATURA
DENSIDADE BÁSICA (g/cm3)
0,47
0,48
CONTRAÇÃO VOLUMÉTRICA (%)
9,82
10,50
INCHAMENTO VOLUMÉTRICO (%)
10,89
-
CONTRAÇÃO TANGENCIAL (%)
5,78
6,30
CONTRAÇÃO RADIAL (%)
4,35
3,40
COEFICIENTE DE ANISOTROPIA
1,33
1,85
A densidade básica mostrou-se na faixa dos valores obtidos em outros
estudos para as árvores da família das coníferas, com uma densidade básica média de
0,470 g/cm3. Andrew e Burley (1972) observaram densidade básica média de 0,48
g/cm3 para árvores de pinus com idades variando entre 16 e 18 anos. De acordo com
Rosa (2003), a madeira mais procurada atualmente para conversão em pasta celulose é a
que apresenta uma densidade ótima, a qual se encontra entre 0,450 e 0,550 g/cm3.
Tendo em vista os baixos valores obtidos para a contração volumétrica,
contração tangencial e contração radial respectivamente de 9,82, 5,78 % e 4,35%, e
34
como conseqüência o coeficiente de anisotropia de 1,33, a madeira analisada de Pinus
elliotti possui boa qualidade para usos que permitem pequenas variações dimensionais,
o que justifica a mesma ter uma diversidade alta de utilização, e isto é confirmado
devido a alta demanda por esta madeira utilizada em diversos produtos do mercado
madeireiro. De acordo com o IPT (1989), a contração volumétrica, a contração
tangencial e a contração radial para a madeira de Pinus elliotti é respectivamente de
10,50 %, 6,30 % e 3,40 %. Essa diferença pode ser explicada por serem árvores
analisadas com diferentes idades e por diferenças quanto aos fatores genéticos.
5.
CONCLUSÃO
De acordo com os objetivos propostos neste trabalho e com os resultados
discutidos, pode-se concluir que:
- A madeira caracterizada constatou-se ser o Pinus elliotti, pois foi
determinada pela Filotaxia e pelo material vegetativo.
- O poder calorífico é considerável e comparativo ao das madeiras de outras
espécies; no entanto, devido ao seu bom coeficiente de anisotropia é recomendada para
usos mais nobres.
- Pode-se concluir de acordo com o coeficiente de anisotropia que a madeira
de Pinus elliottii é apropriada para aplicações onde se requer a estabilidade dimensional
da madeira, tais como para o uso da madeira em batentes, molduras, chapas de
compensado, laminas decorativas, esquadrias e móveis.
- Conclui-se que a madeira de Pinus elliottii com idade de 22 anos tem uma
densidade básica ótima para a produção de celulose, porém pelo fato de possuir alto teor
de lignina, o que gera alto consumo de reagentes, a mesma se limita para a fabricação de
polpa não branqueada.
- Desta forma considerando tudo o que foi exposto neste trabalho, concluise também que a caracterização química e física da madeira serve principalmente como
base para estudos mais profundos sobre a espécie, tais como estudo das variações
genéticas entre a espécie, na qual como por exemplo, a madeira com maior extrativos
terá por conseqüência maior quantidade de resina, material com grande valor no
mercado.
35
6.
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40
ANEXO A
Tabela 5 – Resultados da caracterização química da madeira de Pinus elliottii
Caracterização Química
Caracterização
Teor de Secos
Teor de Cinzas
Teor de Extrativos
Totais
Teor de Lignina
Insolúvel
Caracterização
Teor de Lignina Solúvel
Caracterização
Teor de Holocelulose
Caracterização
Amostra
Massa Inicial
Massa Final
Média amostra
(%)
1
1,0062
0,9037
89,81
2
1,0015
0,8959
89,46
3
1,0026
0,8975
89,52
1
3,57
0,0133
0,37
2
3,53
0,0153
0,43
3
3,5
0,0148
0,42
1
1,02
0,987
3,34
2
1,1
1,075
2,33
3
1,09
1,054
3,42
1
0,3053
0,0852
27,9
2
0,3055
0,085
27,8
3
0,3003
0,085
28,3
Amostra
Leitura para 215 nm
Leitura para 280 nm
Média amostra
(%)
1
0,073
0,118
0,20
2
0,105
0,28
0,18
3
0,085
0,108
0,26
Teor de Extrativos
Totais
Média amostra
(%)
Amostra Teor de Lignina Total
1
28,11
3,3
68,6
2
28,00
2,3
69,7
3
28,57
3,4
68,0
Amostra
Valores (Kcal/Kg)
Média (Kcal/Kg)
1
4.314,85
2
4.330,69
Poder Calorífico
4.323,00
Média (%)
89,60
0,41
3,00
28,00
Média (%)
0,22
Média (%)
68,80
41
ANEXO B
Tabela 6 – Resultados da caracterização física da madeira de Pinus elliottii
Caracterização Física
Densidade básica (g/cm3)
Massa saturada (g)
Massa seca (g)
Amostra
Massa umida (g)
1
76,33
11,34
32,96
2
73,76
10,39
30
3
76,34
10,07
28,69
4
75,16
10,3
29,25
5
74,55
10,69
30,66
Média (g/cm3)
0,47
Contração Volumétrica e Inchamento Volumétrico
Material Saturado
Comp. Radial Sat.
Comp. Tang. Sat.
(mm)
(mm)
24,9
25,35
1
Comp. Long. Sat.
(mm)
101,375
2
102,6
24,525
25,15
3
101,9
25,15
25,4
4
102
25,325
24,9
5
103,325
24,475
24,975
Amostra
Material Seco
Comp. Radial Seco Comp. Tang. Seco
(mm)
(mm)
23,62
23,9
Contração Vol.
Máx. (%)
9,82
1
Comp. Long. Seco
(mm)
101,3
2
102,35
23,4
23,75
3
101,75
24,075
24,05
4
101,9
24,25
23,55
5
103,25
23,25
Contração Tang.
Média (%)
Contração Radial
Média (%)
Coef. de
Anisotropia
5,78
4,35
1,33
Amostra
1
5,71
23,85
Contração Radial
(%)
5,41
2
5,56
4,8
3
5,31
4,46
4
5,42
4,43
5
6,9
2,62
Amostra Contração Tang. (%)
Inchamento Vol.
Máx. (%)
10,89