INFLUÊNCIA DO CICLO DE PRENSAGEM NA QUALIDADE DO AGLOMERADO DE PARTÍCULAS DE MADEIRA FABRICADO COM UM TEOR ELEVADO DE
PARTÍCULAS RECICLADAS
João Ranita2, Jorge Martins1,2, Nuno Garrido1, Luisa Carvalho1,2 e Carlos Costa2
1
DEMad-Dep. de Eng. de Madeiras, Escola Superior de Tecnologia de Viseu, Campus Politécnico, 3504-510 VISEU
2
LEPAE-Dep. de Eng. Química, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Rua Dr. Roberto Frias, 4200-465 PORTO
Resumo. A utilização sustentável dos recursos florestais tem levado à utilização de resíduos
de madeira e madeira reciclada na produção de derivados de madeira. Esta situação conduz a um aumento da variabilidade da matéria prima, o que exige um controlo mais rigoroso dos processos para cumprir as especificações destes produtos. A operação de prensagem é o estágio final do processo de fabrico dos aglomerados de madeira, sendo a mais importante e cara de todo o processo. O objectivo deste trabalho é uma melhor compreensão dos efeitos das variáveis operatórias do ciclo de prensagem nas propriedades do aglomerado de partículas fabricado com elevado teor de reciclados, com vista à optimização desta operação.
1. INTRODUÇÃO
A indústria europeia dos aglomerados de madeira tem-se desenvolvido consideravelmente nas últimas décadas, e este sector tem uma importância económica relevante não só para Portugal como para a Europa. O aglomerado de partículas ainda é o derivado de madeira que domina o mercado Europeu. Contudo, este sector enfrenta actualmente desafios importantes como a concorrência de outros materiais e de outros mercados, sobretudo o asiático, tornando-se premente o melhoramento dos produtos através de avanços científicos nos processos de produção, de forma a se atingirem patamares de qualidade superior do ponto de vista tecnológico, económico e ambiental.
A utilização sustentável dos recursos florestais tem levado à utilização de resíduos de madeira e madeira reciclada na produção de derivados de madeira. Os resíduos de madeira provêm de várias fontes que geram milhões de toneladas cada ano (Smith, 2004): fabrico de produtos em madeira, produção de derivados de madeira e madeira usada. As três soluções para a sua utilização são: queima (em fábrica ou fora), deposição em aterro (proibida em alguns países da UE) e reciclagem. Embora a queima dos resíduos de madeira para recuperar a energia seja a utilização mais corrente, a sua reciclagem é considerada a melhor solução ambiental (Fourcade, 2004; Speckels et al, 2001). Em Portugal, a reciclagem de madeira é reconhecida como uma necessidade pelo Plano de desenvolvimento sustentável da Floresta Portuguesa, o que tem levado, as maiores empresas do sector a implementar estratégias de utilização sustentável dos recursos florestais através da reciclagem. Uma vez que a madeira reciclada provém de variadas fontes, a sua incorporação neste produto apresenta limitações devido à granulometria, heterogeneidade, teor em água e teor de contaminantes. Portanto, são necessários processos mais complexos, para minimizar o efeito da variabilidade da matéria-prima nas propriedades dos painéis.
O aglomerado de partículas é o derivado de madeira que apresenta maiores potencialidades de incorporar resíduos de madeira ou madeira reciclada, quer pela sua estrutura e desempenho, mas também porque exige menores modificações no processo de fabrico.
A consolidação do aglomerado de partículas é obtida por um processo de prensagem a quente. Esta operação é a mais importante e a mais cara de todo o processo, o que exige um
controlo rigoroso de todos os parâmetros de operação de forma a garantir a qualidade do produto e reduzir os tempos de prensagem. A investigação neste processo, tem sido conduzida sobretudo de forma empírica e no sentido de melhorar a qualidade (maior resistência à humidade), redução de custos através de poupança de energia (tempos de prensagem curtos) e utilização de matéria-prima alternativa (Papadopoulos et al., 2004; Nemli et al., 2001). Contudo, ainda é necessário uma compreensão fundamental à escala macro e micro, quer dos mecanismos envolvidos, quer das relações entre o processo, a estrutura e o desempenho dos produtos (COST E49).
Os parâmetros do processo de prensagem afectam substancialmente o ambiente interno do colchão e consequentemente as características do produto final. Os principais parâmetros da prensagem de aglomerados são: a temperatura dos pratos, a pressão hidraúlica aplicada, a velocidade de fecho da prensa e a duração do ciclo de prensagem no caso da prensagem descontínua; a velocidade de passagem do colchão no caso da prensagem contínua.
Com o objectivo de estudarem os efeitos das diversas variáveis do ciclo de prensagem sobre a qualidade do produto final, vários investigadores realizaram trabalhos de investigação, quer em laboratório, usando uma prensa piloto (Kamke e Casey, 1988; Suzuki e Kato, 1989; Bolton et al., 1989; Palardy et al., 1989, Hiziroglu e Graham, 1998), quer em fábrica, numa prensa industrial, (Humphrey et al., 1989; Steffen et al, 1999), monitorizando durante a prensagem, a temperatura e a pressão do gás interior do colchão e também a pressão de compactação e a massa especifica in situ (Winistorfer et al, 2000). Dai et al. (2004) compararam estas condições internas durante a prensagem e também a permeabilidade de aglomerados de partículas e de novos compósitos de palha. Contudo, esta abordagem experimental conduz a dados que serão válidos apenas para a gama de condições de teste, apontando para a necessidade duma abordagem teórica com vista à previsão e optimização do processo.
O aspecto mais importante relativamente à prensagem a quente é então a compreensão destes fenómenos físico-químico-mecânicos envolvidos. Dada a multiplicidade e interdependência destes fenómenos, o desenvolvimento de modelos matemáticos que permitam a simulação desta operação é de elevada importância, pois permitem uma melhor compreensão, quer das interacções, quer dos efeitos das variáveis operatórias e dos parâmetros nas propriedades do produto e nos consumos de energia e de tempo. Em trabalhos anteriores foram desenvolvidos modelos de previsão para o MDF (Carvalho e Costa, 1998; Carvalho et al., 2001). Os resultados mais importantes foram o desenvolvimento de um modelo global integrando todos os mecanismos envolvidos (Carvalho et al., 2003) para a prensagem descontínua e a sua extensão a outros processos de prensagem: contínua (Pereira et al., 2001) e radio-frequência (Pereira et al., 2004). Pretende-se aplicar esta metodologia à prensagem de aglomerados de madeira fabricados com madeira reciclada, o que exige um controlo mais rigoroso para cumprir as especificações dos produtos. Para tal, são necessários dados experimentais que permitam a validação dos modelos.
O objectivo deste trabalho é então uma melhor compreensão dos efeitos das variáveis operatórias do ciclo de prensagem nas propriedades do aglomerado de partículas fabricado com elevado teor de reciclados.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Prensagem das placas de aglomerado de partículas
A matéria-prima usada foi estilha de pinho da camada interna do aglomerado de partículas (fabricado geralmente com 3 camadas), tendo sido fornecida já encolada pela Sonae Indústria. Os colchões foram formados manualmente em formas de alumínio de 19x11x7 cm. A
quantidade de material a pesar foi calculado com base na densidade e espessuras pretendidas para o produto final. A taxa total de reciclados na estilha era cerca de 70 %, sendo cerca de 40 % de resíduos de madeira de pinho limpa (serrim, costaneiros, retestos, aparas, etc.) e de 30 % de estilha reciclada.
Os ensaios foram realizados numa prensa laboratorial controlada por computador e equipada com termopares, sensor de posição, célula de carga (força) e transdutor de pressão. Este equipamento permite assim a medição, em tempo real, da temperatura e da pressão do gás no interior do colchão e a manipulação da espessura do colchão, medindo-se a resposta em tensão. O ciclo de prensagem (duração das etapas, velocidade de fecho da prensa em cada etapa, temperatura dos pratos) foi programado de forma a simular a prensagem contínua do aglomerado de partículas.
Figura 1 - Prensa laboratorial de pratos quentes controlada por computador
Os factores e respectivos níveis estudados foram os seguintes: temperatura dos pratos (195, 210 e 225°C), programa de prensagem (P1 e P2), tempo de ciclo (110, 130 e 150 s) e massa volúmica pretendida (542, 582 e 621 kg/m3). O tempo de ciclo corresponde à duração total da prensagem, atingido através de alteração da duração da última etapa (P1) ou através da alteração proporcional de todas as etapas (P2). Estes programas diferem essencialmente na duração de algumas etapas, mas também no facto do P2 incluir a abertura intercalar da prensa (“venting”).
Devido ao elevado número de parâmetros/níveis envolvidos, foi utilizado o método Taguchi para planeamento de experiências, tendo-se obtido uma matriz L18. Os ensaios de prensagem foram realizados de acordo com o protocolo experimental. Foram realizadas quatro réplicas de cada ensaio obtendo-se um total de 54 placas para ensaio. Numa das réplicas, foi medida a temperatura no centro durante a prensagem com o auxílio de um termopar tipo K, pelo que estas placas não foram consideradas para ensaio, devido à eventual perturbação resultante da colocação do termopar.
2.2. Determinação das propriedades físico-mecânicas
Após prensagem, as placas foram acondicionados nas condições ambientais do laboratório durante 2 semanas, tendo atingido teores em água de 9 a 11 %. Foram então testados para se determinar a influência do ciclo de prensagem nas propriedades físico-mecânicas. Foram determinadas as propriedades seguintes, de acordo com o procedimento experimental descrito
nas normas europeias para placas de derivados de madeira e em particular para o aglomerado de partículas de madeira: massa volúmica (MV) (NP EN 323), teor em água (TA) (NP EN 322), inchamento em espessura (IE) após 24 hr (NP EN 317), resistência à flexão (RF) e módulo de elasticidade (MOE) (NP EN 310), resistência à tracção perpendicular ao plano, vulgo resistência interna (RI) (NP EN 319). De cada placa foi possível retirar quatro provetes, dois de 5x5 mm para a RI, um de 5x5 para o IE e MV e um de 150x35 mm para a RF e MOE. Estas dimensões não obedecem à EN 310 pelo que se cortaram provetes de igual dimensão de um aglomerado de partículas standard (uso geral em ambiente seco) para posterior comparação.
Durante o corte dos provetes, verificou-se que as placas com tempo de ciclo de 110 s delaminaram. Consequentemente, decidiu-se eliminar este nível e portanto estas placas não foram posteriormente analisadas, havendo uma redução do número de provetes. Apresenta-se na tabela 1, as condições operatórias utilizadas no fabrico das restantes placas, retiradas da tabela Tagushi L18 e que vão ser a seguir analisadas.
Tabela 1 - Condições operatórias de prensagem das placas
Ensaio Temperatura dos pratos (°C) Programa de prensagem Densidade pretendida (kg/m3) Tempo de ciclo (s) 1 195 P1 621 150 2 210 P2 542 150 3 225 P1 582 130 4 225 P1 621 150 5 195 P2 582 150 6 210 P1 542 130 7 210 P1 582 150 8 225 P2 542 150 9 225 P2 621 130 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Em primeiro lugar apresenta-se uma análise sobre o efeito dos factores estudados nas condições internas do colchão ao longo do ciclo de prensagem e de seguida nas propriedades físico-mecânicas determinadas.
3.1. Condições internas no colchão durante a prensagem
Na figura 2 apresenta-se a evolução da temperatura no centro do colchão ao longo do ciclo de prensagem. Enquanto que nas camadas superficiais o mecanismos mais importante de transferência de calor é a condução a partir dos pratos da prensa, no centro da placa a temperatura aumenta devido à transferência de calor por convecção (Carvalho e Costa, 1998). Como consequência, forma-se um gradiente de pressão de vapor que vai originar o fluxo horizontal de vapor através dos bordos. Como se pode observar, um aumento da temperatura dos pratos conduz a maiores velocidades de transferência de calor para o centro, embora o patamar atingido se situe à mesma temperatura. Este patamar é atingido quando o fluxo de vapor que chega ao centro é igual ao fluxo lateral de vapor perdido pelos bordos. Para a temperatura dos pratos mais baixa, o centro do colchão não chega a atingir a temperatura necessária à cura da resina (100 °C) no fim do ciclo de prensagem.
Figura 2 - Evolução da temperatura no centro do colchão ao longo do ciclo de prensagem: efeito da temperatura dos pratos
Na figura 3, pode observar-se que as respostas do colchão em tensão de compressão a dois programas de espessuras impostos são diferentes. Sendo a madeira um material viscoelástico, o colchão de partículas também exibe um comportamento mecânico dependente do tempo. O seu comportamento reológico durante a prensagem é bastante complexo; as tensões desenvolvidas durante a densificação podem ser relaxadas, provocar deformação elástica, podem ficar bloqueadas na estrutura sólida ou serem libertadas. Estes processos físicos estão intimamente ligados à distribuição de temperatura, humidade e densidade. Por outro lado, à medida que a resina cura, pode esperar-se uma aceleração do relaxamento das tensões, dado que a estrutura reticulada que se forma promove uma uniformização das tensões no painel (Carvalho e tal., 2001).
Figura 3 - Evolução da tensão de compressão e da espessura do colchão ao longo do ciclo de prensagem: efeito do programa de prensagem
Uma curva típica tensão-deformação durante a prensagem inclui um período de fecho da prensa em que a tensão de compressão aumenta rapidamente até a um valor máximo, seguido por um período de relaxação em que a tensão diminui gradualmente com o tempo e finalmente a abertura da prensa. Como se pode observar na figura 3, uma maior velocidade de fecho da prensa conduz a uma pressão de prensagem mais elevada. Por outro lado, o período de “venting” (abertura intercalar da prensa) que é feito no P2 manifesta-se numa alteração da forma da curva na zona de relaxação do colchão.
3.2. Propriedades físico-mecânicas
Na figura 4 pode observar-se a variação da resistência à flexão (RF) em função da massa volúmica (MV) para diferentes temperaturas dos pratos e tempos de ciclo nas placas fabricadas com elevado teor de reciclados e uma comparação com os valores apresentados por um aglomerado de partículas standard. A RF aumenta com a MV quase linearmente, como era de esperar, o que significa que a MV tem um efeito importante na RF. Embora a dispersão dos resultados seja significativa, o efeito da temperatura dos pratos é considerável, verificando-se que os valores mais elevados correspondem à temperatura dos pratos mais alta (225 °C), observando-se mesmo que uma das placas com elevada MV tem uma RF mais elevada que a do aglomerado standard. Em relação ao tempo de ciclo confirma-se a tendência esperada, ou seja um tempo de ciclo mais elevado dá origem a placas com RF mais elevada.
Figura 4 - Efeito da massa volúmica, da temperatura dos pratos e do tempo de ciclo na resistência à flexão do aglomerado de partículas
A figura 5 mostra a relação entre o módulo de elasticidade (MOE) e a MV para diferentes temperaturas de prensagem e tempos de ciclo. Observa-se um comportamento semelhante, embora os valores de MOE estejam bastante mais abaixo dos do aglomerado standard. Isto pode ser explicado pelo facto das placas serem monocamada, enquanto que o aglomerado standard tem 3 camadas, sendo as camadas superficiais mais densas (partículas de menor dimensão e maior quantidade de resina) o que lhes confere um MOE em flexão mais elevado.
Figura 5 - Efeito da massa volúmica, da temperatura dos pratos e do tempo de ciclo no módulo de elasticidade do aglomerado de partículas
Foram obtidos excelentes resultados para a resistência interna (RI) patentes na figura 6, tendo em conta que as placas fabricadas têm uma MV inferior à do aglomerado standard. Os requisitos mínimos para esta propriedade estabelecidas nas normas NP EN 312 é de 0.24 MPa para placas de uso geral, 0.35 para aplicações interiores (incluindo mobiliário) e de 0.50 MPa para placas para fins estruturais especiais em ambiente seco. Os melhores resultados verificam-se para as duas temperaturas dos pratos mais elevadas e para o tempo de ciclo mais longo, o que seria de esperar tendo em conta a influência destes parâmetros na transferência de calor para o centro e consequentemente na cura da resina. No caso da temperatura dos pratos mais baixa, é possível que a resina não tenha curado completamente no centro da placa, e por isso os valores de RI são baixos. O mesmo poderá ter ocorrido para os tempos de ciclo mais curtos.
Figura 6 - Efeito da massa volúmica, da temperatura dos pratos e do tempo de ciclo na resistência interna do aglomerado de partículas
A figura 7 mostra o efeito da MV, da temperatura dos pratos e do tempo de ciclo na estabilidade dimensional das placas avaliada através do inchamento em espessura (IE). Embora a dispersão dos resultados seja elevada, observa-se um aumento do IE com a MV, embora menos nítido do que nas propriedades mecânicas.
Figura 7 - Efeito da massa volúmica, da temperatura dos pratos e do tempo de ciclo no inchamento em espessura do aglomerado de partículas
Comparado com o aglomerado standard, estes valores são claramente inferiores, o que seria previsível dada a influência da composição da placa nesta propriedade. A maior compactação das camadas superficiais num aglomerado standard (3 camadas) dificulta simultaneamente a penetração da água e o inchamento dessas camadas.
4.
5.
6.
CONCLUSÕES
Neste estudo analisou-se o efeito de diversas condições operatórias do ciclo de prensagem: temperatura dos pratos (195, 210 e 225°C), programa de prensagem (P1 e P2), tempo de ciclo (110, 130 e 150 s) e massa volúmica pretendida (542, 582 e 621 kg/m3) nas propriedades do aglomerado de partículas fabricado com elevado teor de reciclados, com vista à optimização desta operação. Os resultados obtidos mostram que é possível fabricar aglomerado de partículas (monocamada) de desempenho satisfatório com elevado teor em reciclados. As propriedades mecânicas melhoram significativamente com a massa volúmica. A temperatura dos pratos, o tempo de ciclo e o programa de prensagem também afectam as propriedades das placas. Futuramente pretende-se aplicar esta metodologia a placas de diferentes composições em resíduos de madeira e madeira reciclada. Estudou-se também a influência dos factores acima descritos nas condições internas (temperatura no centro e tensão de compressão do colchão), tendo-se obtido dados importantes para a modelização posterior desta operação. A modelização e simulação desta operação contribuirá para uma melhor compreensão dos efeitos das variáveis operatórias e da composição nas propriedades do aglomerado de partículas e permitirá a programação correcta do ciclo de prensagem com vista a um aumento da eco-eficiência do processo e da qualidade do produto final.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem à Sonae Indústria pelo fornecimento da estilha encolada.
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