COMP ´
OSITO LIGNOCELUL ´
OSICO A PARTIR DE RES´IDUO
PARTICULADO DE MADEIRA REFORC
¸ ADO COM FIBRAS VEGETAIS.
Evandro Bittencourt
Universidade do Estado de Santa Catarina - Centro de Ciˆencias Tecnol´ogicas Campus Universit´ario - Bom Retiro
89223-100 Joinville - SC [email protected]
Orestes Estevam Alarcon
Universidade Federal de Santa Catarina - Ciˆencia e Engenharia de Materiais Caixa Postal 476 - Campus Universit´ario
88040-900 Florian´opolis - SC [email protected]
Marzely Gorges Farias
IST - Instituto Superior Tupy Rua Albano Schmidt, 3333 89201-972 Joinville - SC [email protected]
Resumo. Este trabalho apresenta os resultados do processamento e caracterizac¸˜ao de comp´ositos
lig-nocelul´osicos a partir de res´ıduos particulados de madeira oriundos da fabricac¸˜ao de m´oveis. Sabe-se que as part´ıculas de madeira resultantes do beneficiamento da madeira s˜ao impr´oprias para o proces-samento de comp´ositos particulados (chapa de part´ıculas ou chapa aglomerada), devido ao formato desigual e sua concavidade natural. Estas caracter´ısticas das part´ıculas geram chapas de baixa re-sistˆencia mecˆanica. Industrialmente, no Brasil, n˜ao ´e utilizado res´ıduo particulado na fabricac¸˜ao de chapas aglomeradas. Na primeira etapa, o trabalho envolveu o estudo variando-se o tamanho das part´ıculas. Na segunda etapa, houve o acr´escimo de fibras vegetais como reforc¸o. As fibras utilizadas foram a fibra de sisal, fibra do pseudocaule da bananeira cortadas com 2 cm de comprimento e fibra de madeira, com adic¸˜oes de 5, 10 e 15%. O resultado da adic¸˜ao das fibras vegetais foi marcante no tocan-te as propriedades mecˆanica e f´ısicas. A Tens˜ao de ruptura `a flex˜ao tocan-teve um acr´escimo relativo de at´e 19% com apenas a adic¸˜ao de 5% de fibra de sisal, do mesmo modo houve um acr´escimo significativo na Forc¸a de Arrancamento de parafusos, bem como uma melhora no Coeficiente de Absorc¸˜ao e no Coeficiente de Inchamento ap´os imers˜ao em ´agua por 24 horas. Com isto a fabricac¸˜ao de comp´ositos lignocelul´osicos com part´ıculas de res´ıduos de madeira torna-se tecnicamente vi´avel.
Palavras-chave: comp´ositos lignocelul´osicos, res´ıduos de madeira, fibras vegetais. 1. INTRODUC¸ ˜AO
O beneficiamento da madeira macic¸a seca produz de 15 a 30% de res´ıduos, que atualmente s˜ao queimados ou simplesmente lanc¸ados na natureza causando graves problemas ao meio ambiente, mas que podem ser aproveitados para a fabricac¸˜ao de pain´eis reconstitu´ıdos.
O elevado prec¸o dos pain´eis de madeira aglomerada no Brasil, entre 10% e 15% acima do n´ıvel internacional, explica-se principalmente pelo fator da elevada estrutura de custos da ind´ustria nacional, pois o aglomerado no Brasil ´e feito exclusivamente com extratos de madeira virgem, enquanto no resto do mundo s˜ao utilizados em parte res´ıduos de madeira (GORINI, 2000).
No mundo a escassez da madeira como mat´eria-prima, vem sendo acompanhada pelo incremento do uso como combust´ıvel, isto faz elevar os custos da mat´eria-prima. Em suma, o uso indiscriminado de qualquer tipo de madeira como combust´ıvel n˜ao deveria ocorrer (ZIEGLER, 1981).
A produc¸˜ao comercial de comp´ositos utilizando-se os res´ıduos de madeira como mat´eria prima complementar ´e uma realidade na Europa e Estados Unidos. No Brasil esta realidade n˜ao acontece ainda, o desinteresse comercial possivelmente deve-se `a “grande” quantidade de mat´eria prima virgem dispon´ıvel. Existe, assim, a necessidade de pesquisas dentro desta ´area, adequadas a realidade local.
A utilizac¸˜ao das part´ıculas geradas das operac¸˜oes de aplainamento da madeira na fabricac¸˜ao de chapas aglomeradas passa por alguns problemas, devido a concavidade natural e irregularidade das part´ıculas.
Muitos trabalhos envolvendo o uso de res´ıduo particulado de madeira tem um resultado negativo no que diz respeito as propriedades mecˆanicas e f´ısicas das chapas. No Brasil podemos citar o trabalho de BRITO (1995).
Cientista e engenheiros tˆem conseguido maior sucesso no projeto de comp´ositos reforc¸ados com fibras sint´eticas que em comp´ositos baseados em madeira. A dificuldade de obter sucesso com a madeira, ´e principalmente devido a complexidade da sua microestrutura e variabilidade. Contudo, ´e necess´ario que haja competˆencia dos comp´ositos de madeira, para que estes produtos sejam competi-tivos com outros materiais no futuro (WOLCOTT, KAMKE e DILLARD, 1994).
A proposta deste trabalho, ´e o processamento de comp´ositos `a base de res´ıduos lignocelul´osicos, a partir de res´ıduos particulados de madeira e fibras vegetais, no caso s˜ao apresentados os resultados da adic¸˜ao de fibras de cisal (Agave sisalana Perrine), fibras do pseudocaule da bananaira e fibras de madeira (Pinus spp).
O sisal ´e uma planta herb´acea. Tem folhas grandes, que variam de 1,2 a 2,0 m de comprimen-to, dispostas em espiral. Suas folhas fornecem fibras tˆexteis de boa qualidade, muito utilizadas nas ind´ustrias de cordoalha em geral (OASHI, 1999).
Apesar de n˜ao ser original daqui, o Brasil ´e o maior produtor de sisal. Em 1997 a produc¸˜ao alcanc¸ou 135 mil toneladas (OASHI, 1999).
A banana ´e uma fruta tropical sendo produzida praticamente o ano todo.
Cada pseudocaule da bananeira produz um cacho de fruto. Ap´os a colheita, o pseudocaule ´e cortado e torna-se muitas vezes um res´ıduo incomodo para o produtor.
N˜ao existe ainda um aproveitamento comercial em larga escala para a fibra do pseudocaule da bananeira, embora seja uma fibra historicamente utilizada para fabricac¸˜ao de arreios e outros artefatos utilizados na lavoura.
No Brasil as fibras de madeira s˜ao utilizadas para fabricac¸˜ao de chapa de fibras, de m´edia e alta densidade bem como na fabricac¸˜ao de papel.
2. METODOLOGIA
A seguir ´e apresentado os crit´erios metodol´ogicos para a selec¸˜ao e composic¸˜ao dos res´ıduos, o processo de enresinamento e moldagem das chapas aglomeradas, bem como da preparac¸˜ao dos corpos de prova e dos ensaios realizados.
2.1. Selec¸˜ao dos Res´ıduos
O res´ıduo particulado de madeira foi obtido do beneficiamento de madeira seca, da esp´ecie Pinus spp, utilizada na fabricac¸˜ao de m´oveis.
Alguns cuidados foram tomados na coleta deste material. No caso, o material coletado foi oriundo apenas do trabalho de beneficiamento em plaina moldureira.
2.2. Composic¸˜ao dos Res´ıduos
O trabalho foi dividido em duas etapas. Na primeira etapa o res´ıduo particulado de madeira foi dividido por peneiramento em duas frac¸˜oes. As part´ıculas denominadas de part´ıculas grossas (PG), que ficaram retidas na peneira com malha de 2,35 mm. As part´ıculas denominadas de part´ıculas finas (PF), que passaram na peneira com malha de 2,35 mm e ficaram retidas na peneira com malha de 1,20 mm.
As part´ıculas grossas foram misturadas `as part´ıculas finas nas seguintes proporc¸˜oes (%PG-%PF):100-0, 80-2(%PG-%PF):100-0, 60-4(%PG-%PF):100-0, 40-6(%PG-%PF):100-0, 20-8(%PG-%PF):100-0, 0-100.
Na segunda etapa, foi adicionado fibras de sisal, da bananeira e de madeira em chapas contendo apenas part´ıculas denominadas grossas. A Figura 1 apresenta o aspecto da microestrutura das fibras utilizadas como reforc¸o, as micrografias foram obtidas num Microsc´opio Eletrˆonico a Varredura.
(a) sisal-lateral (b) sisal-transversal
(c) bananeira-lateral (d) bananeira-transversal
(e) madeira-lateral (f) madeira-transversal
A estrutura da fibras da bananeira se assemelha em muito a fibra de sisal.
A quantidade de fibras foi fixada em 5, 10 e 15% do peso seco do material lignocelul´osico. As fibras de sisal e as fibras do pseudocaule da bananeira foram cortadas com 2 cm de comprimento.
A fibra de sisal utilizada neste trabalho foi doada pelo Grupo Sisal da Para´ıba. A fibra foi proces-sada com a umidade original, em m´edia de 16%.
A fibra de bananeira utilizada neste trabalho foi conseguida ap´os desfibramento manual. Para utilizac¸˜ao as fibras foram secas numa estufa at´e atingir 10% de umidade.
A fibra de madeira utilizada foi doada pela empresa fabricante de MDF, Tafisa, situada no Paran´a. A utilizac¸˜ao da fibra foi feita com a umidade original, em m´edia de 10%.
2.3. Enresinamento
O processo de enresinamento foi realizado num misturador que possibilita a atric¸˜ao das part´ıculas ap´os a pulverizac¸˜ao da resina sobre as part´ıculas.
Este procedimento ´e essencial no enresinamento de part´ıculas oriundas do beneficiamento da ma-deira conforme descrito em trabalho anterior (BITTENCOURT, ALARCON e FARIAS, 2002).
A mistura entre o material particulado e as fibras mostrou-se bastante complicada, pois as fibras tem a tendˆencia natural de se agregar. O enresinamento foi realizado ap´os a mistura do material particulado e as fibras.
2.4. Moldagem
Foram produzidas chapas com dimens˜oes de 300x300 mm com espessura de 10 mm, com densi-dade igual a 0,75 g/cm3. Os parˆametros do processamento foram mantidos constantes.
A quantidade de resina foi fixada em 10%, tomando com base o peso seco do material ligno-celul´osico. A resina utilizada foi ur´eia-formalde´ıdo (Royalfor 110) cedida pela Royalpl´as. O en-resinamento foi realizado num misturador onde as part´ıculas eram tombadas enquanto a resina era pulverizada.
A formac¸˜ao do colch˜ao foi feita manualmente em dispositivo pr´oprio. Ap´os a formac¸˜ao, o colch˜ao foi submetido a uma pr´e-prensagem com uma carga de 30.000 N em prensa hidr´aulica.
A temperatura de prensagem foi de 160oC por um tempo de dez minutos. A espessura foi conse-guida com batentes de dimens˜oes adequadas para a parada da prensa.
Foram realizadas 6 repetic¸˜oes (6 chapas) para cada composic¸˜ao.
2.5. Corte dos Corpos de Prova
Foram retirados dois corpos de prova para flex˜ao est´atica, um para Conte´udo de Umidade e Gravi-dade Espec´ıfica e um para Absorc¸˜ao de ´Agua e Inchamento. Os corpos de prova usados para Flex˜ao Est´atica serviram para o Teste de Arrancamento de Parafusos segundo a norma ASTM D 1037-96 (AMERICAM SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, 1996).
2.6. Condicionamento
Ap´os o corte os corpos de prova foram submetidos a um condicionamento (20oC x 65% de umi-dade relativa) por 7 dias segundo a norma ASTM D 1037-96.
3. RESULTADO E DISCUSS ˜AO
A apresentac¸˜ao dos resultados ´e feita de acordo com as duas etapas.
Os resultados foram avaliados estatisticamente atrav´es de an´alise de variˆancia e teste de Tukey com um n´ıvel de probabilidade de 95%.
3.1. Primeira Etapa
A Tabela 1 fornece a tens˜ao de ruptura na flex˜ao est´atica, forc¸a de arrancamento de parafusos, coeficiente de absorc¸˜ao e inchamento ap´os imers˜ao em ´agua por 24 horas para as diversas composic¸˜oes
utilizadas, os valores apresentados s˜ao a m´edia aritm´etica obtida dos testes. A variac¸˜ao dos valores pode ser melhor acompanhada pela Figura 2.
Tabela 1: Resultados da primeira etapa (M´edia e Desvio Padr˜ao) Amostra (PG%:PF%) Tens˜ao de ruptura (MPa) Forc¸a (arranque de parafusos- N) Absorc¸˜ao de ´agua (%) Inchamento da espessura (%) 100:0 13,41 (2,27) 1416 (151) 78,7 (2,8) 22,4 (2,5) 80:20 13,19 (2,65) 1161 (458) 87,8 (15,6) 23,5 (8,5) 60:40 13,07 (2,56) 1128 (210) 80,2 (8,8) 20,8 (2,4) 40:60 12,94 (2,38) 1255 (397) 80,9 (17,2) 20,2 (6,2) 20:80 12,81 (1,86) 1247 (120) 72,5 (6,1) 21,8 (1,7) 0:100 11,08 (1,40) 898 (115) 84,9 (6,2) 22,0 (1,9) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 100 : 0 80 : 20 60 : 40 40 : 60 20 : 80 0 : 100 Partículas- %grossas : %finas
T en sã o d e ru p tu ra (M P a) (a) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 100 : 0 80 : 20 60 : 40 40 : 60 20 : 80 0 : 100 Partículas- %grossas : %finas
F o rç a (N ) (b) 0 20 40 60 80 100 120 100 : 0 80 : 20 60 : 40 40 : 60 20 : 80 0 : 100 Partículas - %grossas : %finas
A b so rç ão d e ág u a (% ) (c) 0 5 10 15 20 25 30 35 100 : 0 80 : 20 60 : 40 40 : 60 20 : 80 0 : 100
Partículas - %grossas : %finas
In ch am en to d a es p es su ra (% ) (d) Figura 2: Resultados da primeira etapa
Os valores de Tens˜ao de ruptura superiores para as part´ıculas grossas est˜ao de acordo com os resultados de TALBOT e MALONEY (1957) citados por KELLY (1977).
Os valores apresentados s˜ao superiores aos resultados apresentados por BRITO (1995) que pro-cessou chapas aglomeradas `a partir de maravalhas.
Optou-se por fazer a adic¸˜ao de fibras no material formado somente por part´ıculas grossas (100% PG), na tentativa de melhorar o n´ıvel de resistˆencia apresentado.
Estatisticamente somente existe diferenc¸a entre a chapa com 100% de part´ıculas finas e a chapa com 100% de part´ıculas grossas para o resultado da forc¸a de arrancamento de parafusos.
O valor m´edio apresentado para a chapa com 100% de part´ıculas grossas da tens˜ao de ruptura e forc¸a de arrancamento de parafusos ´e superior ao m´ınimo exigido pela norma americana CS 236-93 (COMERCIAL STANDARD, 1993), que ´e de 12,5 MPa e 900 N para a classe 2, respectivamente.
3.2. Segunda Etapa
A seguir ´e apresentado os resultados da tens˜ao de ruptura na flex˜ao est´atica, forc¸a de arranca-mento de parafusos, coeficiente de absorc¸˜ao e inchaarranca-mento ap´os imers˜ao em ´agua por 24 horas para a composic¸˜ao com part´ıculas grossas reforc¸adas com fibras de sisal, bananeira e de madeira. Os valores est˜ao na Tabela 2 e a variac¸˜ao pode ser vista nas Figuras 3 e 4.
Tabela 2: Resultados com acr´escimo das fibras na chapa com part´ıculas grossas Reforc¸o com fibras
Sisal Bananeira Madeira
PROPRIEDADE 5% 10% 15% 5% 10% 15% 5% 10% 15% Tens˜ao de ruptura (MPa) 15,96 17,90 15,59 15,92 17,60 14,91 13,79 13,68 13,21 Forc¸a (arrancamento de parafusos- N) 1483 1609 1453 1569 1557 1404 1290 1300 1080 Absorc¸˜ao de ´agua (%) 84 71 76 78 79 82 87 86 88 Inchamento da es-pessura (%) 23 24 26 20 20 20 20 20 24 0 5 10 15 20 25 100 : 0 95 : 5 90 : 10 85 : 15
Partículas- %grossas : %fibras sisal
T e n s ã o R u p tu ra (M P a )
(a) Reforc¸o com fibras de sisal
0 5 10 15 20 25 100 : 0 95 : 5 90 : 10 85 : 15
Partículas- %grossas : %fibras bananeira
T e n s ã o R u p tu ra (M P a )
(b) Reforc¸o com fibras de bananeira
0 5 10 15 20 25 100 : 0 95 : 5 90 : 10 85 : 15
Partículas- %grossas : %fibras madeira
T e n s ã o R u p tu ra (M P a )
(c) Reforc¸o com fibras de madeira
O melhor resultado para a tens˜ao de ruptura foi conseguido com o acr´escimo de 10% de fibras de sisal, apesar de que o valor obtido com a fibra da bananeira ´e estatisticamente igual.
Nota-se que o aumento na tens˜ao de ruptura n˜ao foi proporcional ao aumento da quantidade de fibras. Fato este, devido a aglomerac¸˜ao das fibras, que aumentava com o aumento na quantidade adicionada.
Pode-se notar o excelente desempenho da adic¸˜ao de apenas 5% de fibras, de sisal e de bananeira. Estatisticamente n˜ao existe diferenc¸a na tens˜ao de ruptura com o acr´escimo de fibras de madeira.
0 500 1000 1500 2000 100 : 0 95 : 5 90 : 10 85 : 15
Partículas- %grossas : %fibras sisal
F o rç a (N )
(a) Reforc¸o com fibras de sisal
0 500 1000 1500 2000 100 : 0 95 : 5 90 : 10 85 : 15
Partículas- %grossas : %fibras bananeira
F o rç a (N )
(b) Reforc¸o com fibras de bananeira
0 500 1000 1500 2000 100 : 0 95 : 5 90 : 10 85 : 15
Partículas- %grossas : %fibras madeira
F o rç a (N )
(c) Reforc¸o com fibras de madeira
Figura 4: Etapa 2 - Part´ıculas grossas com fibras - forc¸a de arrancamento de parafusos
Da mesma forma que a tens˜ao de ruptura o melhor resultado para a forc¸a de arrancamento de parafusos foi conseguido com o acr´escimo de 10% de fibras de sisal.
Nota-se que o acr´escimo com 15% de fibras produziu valores relativamente menores que com 10%, devido possivelmente a aglomerac¸˜ao das fibras.
Os resultados obtidos para a absorc¸˜ao e inchamento ap´os imers˜ao em ´agua por 24 horas das chapas com fibras vegetais n˜ao demostram diferenc¸as estat´ısticas frente aqueles obtidos com a chapa de controle.
4. CONCLUS ˜OES
Todos os resultados com o reforc¸o com fibras de sisal e fibras de bananeira, flex˜ao, arrancamento de parafusos, absorc¸˜ao de ´agua e inchamento na espessura demostram a viabilidade do acr´escimo de fibras vegetais como reforc¸o em chapas aglomeradas.
O acr´escimo de fibras de madeira n˜ao produziu o mesmo efeito obtido com o reforc¸o com fibras de sisal e fibras de bananeira.
O n´ıvel de acr´escimo das fibras como reforc¸o pode ser mantido perto de 5%, como os resultados evidenciam, evitando assim a aglomerac¸˜ao das mesmas.
5. REFER ˆENCIAS BIBLIOGR ´AFICAS
AMERICAM SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS (1996). ASTM D 1037-96 - Stan-dard Test Methods for Evaluating Properties of Wood-Base Fiber and Particle Panel Materials. New York.
BITTENCOURT, E.; ALARCON,O. e FARIAS M.G. (2002). Processamento de chapas aglomeradas a partir de residuos de madeira com o uso de um p´os- misturador. VIII Encontro Brasileiro em Madeiras e em Estruturas de Madeiras, Uberlˆandia-MG.
BRITO, E. O. (1995). Produc¸˜ao de chapas de part´ıculas de madeira a partir de maravalhas de Pinus elliottii Engelm. Var. elliottii plantado no Sul do Brasil. Tese Doutorado em Engenharia Florestal – Setor de Ciˆencias Agr´arias, Universidade Federal do Paran´a.
COMERCIAL STANDARD. (1993) CS 236-93. Mat formed wood particleboard. GORINI, A.P.F. (2000). A ind´ustria de m´oveis no Brasil. Curitiba, Alternativa Editorial.
KELLY, M. W. (1977). Critical literature review of relationships between processing parameters and physical properties of particleboard. General Technical Report, FPL-10, 65p.
OASHI, M.C.G. (1999). Estudo da cadeia produtiva como subs´ıdio para pesquisa e desenvolvi-mento do agroneg´ocio do sisal na Para´ıba. Florian´opolis. 275p. Tese de Doutorado em Engenha-ria de Produc¸˜ao − Universidade Federal de Santa Catarina.
WOLCOTT, M.P.; KAMKE, F.A.; DILLARD, D.A. (1994). Fundamental aspects of wood deforma-tion pertaining to manufacture of wood-based composites. Wood and Fiber Science, v.26, n.4, p.496-511.
ZIEGLER, R.D. (1981). Review 1980 particleboard literature in no-US journals. Forest Products Journal, v.31, n.8, p.55-58.
PARTICLEBOARD PRODUCED FROM PLANER SHAVINGS WITH
NATURAL-FIBER REINFORCEMENT.
Evandro Bittencourt
Universidade do Estado de Santa Catarina - Centro de Ciˆencias Tecnol´ogicas Campus Universit´ario - Bom Retiro
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Marzely Gorges Farias
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Abstract. This work presents the results of the processing and characterization of particleboards
consisting of planer shavings from furniture manufacture. The planer shavings particles are improper for the particleboard processing due to the differing formats and its natural concavity. This feature of
particles generates particleboard of low mechanical properties. Sometimes, only one certain amount of planer shavings particles are used in the manufacture of particleboard. In the first stage, the work involved the processing study varying the particle size. The second stage include the natural fiber upgrade as reinforcement. The used fiber was of sisal, banana fiber and wood fiber cutter on length of 2 cm, in additions of 5, 10 and 15%. The addition of natural fiber was moving the mechanical and physical properties in a market manner. The modulus of rupture had a relative upgrade of 19% with the addition of only 5% of sisal fiber, in a similar way there was a significant upgrade in the Force of pulling-up screws, as well as an improvement in the water absorption and thickness swelling after 24 hours water soaking. By this means the particleboards produced from planer shavings become technical viable.
