Análise de porosimetria por intrusão de mercúrio
em painéis de partículas
Luciano Donizeti Varanda, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos,
Departamento de Engenharia de Materiais, São Carlos, SP. e-mail: lu.varanda@hotmail.com
Decio Gonçalves, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos,
SP. e-mail: dg@sc.usp.br
Diego Henrique de Almeida, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos,
Departamento de Engenharia de Estruturas, São Carlos, SP. e-mail: diegoestruturas@gmail.com
Laurenn Borges de Macedo, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos,
Departamento de Engenharia de Materiais, São Carlos, SP. e-mail: laurennmacedo@hotmail.com
Julio Cesar Molina, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Câmpus de Itapeva, Faculdade de
Engenharia, Itapeva, SP. e-mail: molina@itapeva.unesp.br
André Luis Christoforo, Universidade Federal de São Carlos, Departamento de Engenharia Civil,
São Carlos, SP. e-mail: alchristoforo@yahoo.com.br
Resumo: Este trabalho apresenta uma análise de porosimetria de intrusão de mercúrio em
painéis de partículas de resíduos de madeira de Eucalyptus grandis e cascas de aveia (Avena sativa) com resina poliuretana à base de óleo de mamona. Os painéis foram produzidos de acordo com a norma ABNT NBR 14810:2006(1). Tal análise foi realizada a fim de avaliar o potencial destes painéis para aplicação como piso de madeira engenheirado. Os resultados mostraram que todos os painéis analisados apresentaram diâmetro dos poros predominantemente na faixa de 0 a 2 µm e volume de intrusão diferencial majoritariamente até 0,2 mL/g. Todos os painéis analisados apresentaram potencial aplicação para pisos, pela porosidade apresentada situar-se na faixa de 25,50 a 38,64%, isto é, maior que 20%, como estabelecido pela literatura.
Palavras-chave: porosidade, pisos de madeira, Eucalyptus grandis, cascas de aveia. Analysis of mercury intrusion porosimetry in particle panels
Abstract: This paper presents an analysis of mercury intrusion porosimetry in particle panels
made waste wood of Eucalyptus grandis and oat hulls (Avena sativa) with polyurethane resin based on castor oil. The panels were produced according to standard ABNT NBR 14810:2006(1). This analysis was performed to assess the potential of these panels for application as engineered flooring wood. The results showed that all panels analyzed presented predominantly pore diameter in the range from 0 to 2 µm and differential intrusion volume mostly until 0.2 ml/g. All panels analyzed showed potential application for floors, presented by the porosity be in the range from 25.50 to 38.64%, ie, greater than 20%, as established in the literature.
1. Introdução
A madeira e seus derivados vêm ganhando cada vez mais espaço no cenário dos materiais sustentáveis aplicados na construção civil. Os painéis à base de madeira tem se destacado muito no âmbito dos produtos derivados da madeira como a principal matéria prima de uma série de indústrias de outros setores madeireiros, como a de pisos, de móveis, de embalagens e de segmentos da construção civil.
De acordo com a Associação Brasileira da Indústria de Painéis de Madeira – ABIPA (2014)(2), destaca-se, dentre os produtos à base de madeira, o painel de partículas, por ser o mais consumido no mundo. No Brasil, o painel de partículas encontra-se em significativo acréscimo produtivo e, em decorrência, num aumento de sua aplicação, além de continuar apresentando perspectivas de crescimento para os próximos anos.
De acordo com a Associação Nacional dos Produtores de Pisos de Madeira - ANPM (2014)(3), as espécies de madeira utilizadas na produção de pisos de madeira são predominantemente oriundas de florestas nativas e a produção brasileira de pisos de madeira superou os 25 milhões de metros quadrados em 2010. A principal consequência deste cenário é o desmatamento acelerado das florestas nativas. Segundo o Centro Nacional de Referência em Biomassa – CENBIO (2008)(4), o desmatamento das florestas nativas traz diversos prejuízos ambientais, como a destruição da biodiversidade, levando a extinção de espécies da fauna e flora, elevação das temperaturas locais e regionais, assoreamento dos rios, processos de erosão, empobrecimento do solo e diminuição dos índices pluviométricos.
Pelo fato da construção civil ter crescido nos últimos anos e apresentar excelentes perspectivas de continuidade, será necessário a disponibilização de uma considerável quantidade de madeira de alta densidade para a produção de pisos para residências e demais tipos de edificações (Andrade, 2011)(5).
Segundo Iwakiri (2005)(6), os painéis aglomerados são muito vantajosos quando comparado com painéis de compensado ou à madeira solida, pois este não possui problemas referentes à anisotropia, presença de nós e a matéria prima pode ser de uma qualidade inferior (resíduos). Outra vantagem é ser um produto engenheirado, possibilitando um controle de suas propriedades físicas e mecânicas e uma maior homogeneidade final do material.
De acordo com Iwakiri et al. (2008)(7), os painéis à base de madeira que possuem alta densidade são utilizados como matéria prima na indústria de pisos de madeira.
Os pisos de madeira mais conhecidos e utilizados atualmente são os pisos de madeira maciça e os pisos engenheirados (compostos em múltiplas camadas). Os pisos de madeira maciça são feitos, majoritariamente com madeiras tropicais, enquanto que os pisos engenheirados são constituídos por camadas de diferentes materiais, chamadas de camada superficial, substrato (painel à base de madeira) e camada de balanceamento (Abimci, 2003)(8).
No cenário brasileiro da produção de pisos de madeira, a matéria prima básica, tradicionalmente oriunda de florestas nativas, está sendo gradativamente substituída por painéis de madeira reconstituída, provenientes de madeiras de reflorestamento, como as espécies do gênero Eucalyptus. Estas espécies apresentam, entre outras vantagens, rápido crescimento, alta produtividade, redução da idade de corte, segurança de abastecimento, menor heterogeneidade, além da possibilidade de minimizar o uso de espécies de madeira oriundas de florestas nativas (Iwakiri et al., 2008)(7).
Segundo Mata (1998)(9), a técnica de porosimetria de mercúrio consiste, de maneira sucinta, em fechar uma amostra porosa num recipiente, desgaseificá-la e mergulhá-la em mercúrio líquido. A pressão é aumentada por incrementos sucessivos e, para cada valor de pressão, mede-se o volume de mercúrio forçado a entrar nos poros da amostra. O mercúrio é um líquido não molhante quando entra em contato com a maioria das substâncias sólidas. Porém, o mercúrio não penetra naturalmente em pequenas aberturas e/ou fendas dos sólidos porosos, sendo necessário a aplicação de uma dada pressão no mercúrio para
forçar sua penetração, de forma a vencer a força interfacial, que é determinada pelo diâmetro dos poros.
A partir dos dados experimentais de porosimetria de mercúrio, podem-se determinar diversos parâmetros importantes na caracterização de meios porosos, tais como: volume total de intrusão, área total de poros, diâmetro médio dos poros, densidade real e aparente e porosidade da amostra. Uma grande variedade de materiais são analisados através desta técnica, como: materiais cerâmicos, resinas, catalisadores, refratários, membranas, filtros, papel, carvões, entre outros. A porosimetria de mercúrio se tornou a técnica mais usual de caracterização da estrutura porosa de muitos materiais, incluindo materiais cujos poros diferem entre si de várias ordens de grandeza. O sucesso desta técnica deve-se essencialmente à sua versatilidade, simplicidade e rapidez de determinação, quando comparado a outras técnicas de caracterização de poros (Mata, 1998)(9).
O objetivo deste trabalho foi produzir painéis aglomerados com resíduos de Eucalyptus
grandis e cascas de aveia (Avena sativa), com resina poliuretana à base de óleo de
mamona, segundo a norma ABNT NBR 14810:2006(1), e realizar uma análise de porosimetria por intrusão de mercúrio para avaliar a aplicação destes painéis para piso de madeira engenheirado.
2. Materiais e métodos 2.1. Produção dos painéis
Para produção dos painéis foram utilizadas partículas da madeira de Eucalyptus grandis e de cascas de aveia. Tais partículas foram geradas em um moinho de facas do tipo Willye da Marconi, modelo MA 680, utilizando-se peneira de 2,8 mm de abertura. A madeira de
Eucalyptus grandis foi obtida de empresas da cidade e região de São Carlos - SP, enquanto
que as cascas de aveia foram obtidas de uma indústria do setor, localizada na cidade de Porto Alegre - RS.
A densidade aparente das partículas de Eucalyptus grandis é de 640 kg/m3, enquanto que a densidade aparente das partículas de cascas de aveia é de 290 kg/m3.
As partículas de Eucalyptus grandis e cascas de aveia encontravam com teor de umidade médio de 7,9 e 10,3%, respectivamente. De acordo com Bertolini (2011)(10), na fabricação dos painéis, a umidade ideal das partículas deve situar-se na faixa de 8 a 10%, para a resina poliuretana à base de mamona.
Na confecção dos painéis foi utilizada resina poliuretana à base de mamona, do tipo bicomponente, na proporção 1:1 entre pré-polímero e poliol, adquirida no mercado local, por existirem várias indústrias químicas que produzem tal resina.
Em cada painel foram utilizados 640 gramas de partículas aglutinadas com o adesivo poliuretano à base de mamona, na proporção de 14% em relação à massa das partículas. Os parâmetros utilizados na prensagem foram: pressão de 4 MPa, tempo de 10 minutos e temperatura de 100ºC. Tais parâmetros, bem como as dimensões dos resíduos foram avaliados por Nascimento (2003)(11).
Os painéis de partículas confeccionados foram divididos em quatro grupos, de acordo com as diferentes proporções de partículas de cada material (Eucalyptus grandis e cascas de aveia). A tab. 1 apresenta os quatro tratamentos (T) adotados.
Tabela 1 – Tratamentos adotados.
T Proporções constituintes
1 100% Eucalyptus grandis - 14% resina
2 (85% Eucalyptus grandis - 15% Cascas de aveia) - 14% resina 3 (70% Eucalyptus grandis - 30% Cascas de aveia) - 14% resina 4 100% Cascas de aveia - 14% resina
Para a análise de porosimetria por intrusão de mercúrio foram produzidos quatro painéis, sendo um painel para cada tratamento (T). Os painéis produzidos possuem espessura nominal de 1 cm e dimensões nominais de 28 x 28 cm. A fig. 1 apresenta os painéis produzidos.
Figura 1 - Painéis produzidos. 2.2. Porosimetria por intrusão de mercúrio
O ensaio de porosimetria por intrusão de mercúrio é uma das técnicas mais importantes na determinação da porosimetria de materiais, pois fornece a densidade aparente, a distribuição e o volume dos poros e a área específica do material.
Os corpos de prova possuem dimensões de 14 mm de largura e 23 mm de comprimento e foram secos em estufa com circulação de ar a 50ºC por período de 24 horas antes do início dos ensaios.
Foram retirados quatro corpos de prova, sendo um de cada tratamento, como apresenta a tab. 1. Para o seccionamento dos painéis e a obtenção dos corpos de prova foi utilizada uma serra circular Marajó, modelo KSN 7945.
Os ensaios foram conduzidos no equipamento Micromeritics Poresizer, modelo 9320, com capacidade de pressão de 200 MPa, apresentados na fig. 2.
Micromeritics Poresizer – 9320 (c). Fonte: Adaptado de Bertolini (2011)(10).
Os parâmetros utilizados no ensaio foram: mercúrio com tensão superficial de 0,494 g/cm2 e densidade de 13,533 g/mL, ângulo de contato do avanço e retrocesso de 130º e tempo de equilíbrio entre a baixa e alta pressão de 10 segundos.
Os ensaios de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio foram executados nas dependências do Instituto de Física de São Carlos - IFSC, USP.
3. Resultados e discussões
A seguir, na tab. 2, têm-se os valores médios de densidade e razão de compactação dos painéis produzidos.
Tabela 2 – Valores médios de densidade (D) e razão de compactação (RC) dos painéis.
T D (kg/m3) CV (%) RC CV (%)
1 929 6,0 1,45 6,0 2 927 9,5 1,58 9,5 3 940 7,8 1,76 7,8 4 1008 4,8 3,48 4,8
Como pode ser observado na tab. 2, os painéis produzidos são de alta densidade, ou seja, painéis acima de 800 kg/m3, segundo Iwakiri (2005)(6). Os valores de densidade obtidos ficaram na faixa de 927 a 1008 kg/m3, dependendo do tratamento adotado (tab. 1).
A razão de compactação é definida pela relação da densidade do painel pela densidade do (s) material (is) de origem das partículas, ou seja, a densidade da madeira de Eucalyptus
grandis e/ou a densidade das cascas de aveia, dependendo de qual tratamento está se
referindo (tab. 1).
As propriedades físicas densidade e razão de compactação foram apresentadas, pois são parâmetros importantes que serão retomados adiante, nas discussões.
A seguir, são apresentados os resultados da análise de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio.
Estas análises foram procedidas em quatro painéis selecionados, confeccionados com 14% de resina (tab. 1).
As figs. 3 a 6 apresentam a curva padrão de intrusão porosimétrica, isto é, o comportamento da distribuição dos poros das amostras e seus respectivos diâmetros, referentes aos painéis analisados.
Figura 3 - Curva padrão de intrusão porosimétrica da amostra com 100% de Eucalyptus grandis.
Como se observa nas figs. 3 a 6, nas quatro amostras analisadas o diâmetro dos poros está situado, predominantemente, na faixa de 0 a 2 µm.
As figs. 4 a 6 mostram que estas três amostras apresentaram certa quantidade de poros com diâmetros até 35 µm.
Porém, a fig. 3 mostra a menor ocorrência de poros com diâmetros na faixa de 2 a 35 µm, se comparado às demais amostras.
Figura 4 - Curva padrão de intrusão porosimétrica da amostra com 85% de Eucalyptus grandis e 15% de cascas de aveia.
Figura 5 - Curva padrão de intrusão porosimétrica da amostra com 70% de Eucalyptus grandis e 30% de cascas de aveia.
Quanto ao volume de intrusão diferencial, as quatro amostras analisadas apresentaram valores situados, majoritariamente, até 0,2 mL/g.
A fig. 3 comprova que a amostra com 100% de Eucalyptus grandis apresentou os maiores valores do volume de intrusão diferencial, chegando próximo de 0,6 mL/g para alguns poros. Isto evidencia o maior diâmetro médio dos poros desta amostra, em comparação às demais analisadas (tab. 3).
A relação diretamente proporcional entre o volume total de intrusão e o percentual de porosidade é esperada, justamente pelo fato do maior número de poros implicar no maior consumo de mercúrio na intrusão.
Figura 6 - Curva padrão de intrusão porosimétrica da amostra com 100% de cascas de aveia.
A tab. 3 apresenta as características porosimétricas das quatro amostras submetidas à análise.
Tabela 3 - Características porosimétricas das amostras analisadas.
Características porosimétricas 100% E 85% E
15% CA
70% E
30% CA 100% CA
Volume total de intrusão (mL/g) 0,39 0,23 0,24 0,21 Área total de poros (m2/g) 26,27 23,26 20,46 22,15 Diâmetro médio dos poros (µm) 20,33 7,22 17,90 13,20 Densidade (g/mL) 0,99 1,18 1,17 1,22 Densidade aparente (g/mL) 1,62 1,61 1,62 1,63 Porosidade (%) 38,64 27,12 27,60 25,50
Adote: E, Eucalyptus grandis e CA, cascas de aveia.
A porosidade de materiais cerâmicos tradicionalmente utilizados para pisos situam-se acima de 20% (Silva e Lira, 2006)(12). Portanto, para um painel à base de madeira ter potencial de aplicação na indústria de pisos, sua porosidade deve ser próxima dos materiais cerâmicos tradicionalmente utilizados, isto é, porosidade maior que 20%. Logo, os painéis provenientes dos quatro tratamentos adotados apresentaram potencial aplicação para pisos, visto que a porosidade apresentada situa-se na faixa de 25,50 a 38,64%.
Observa-se, na tab. 3, que a amostra com 100% de Eucalyptus grandis apresentou o maior volume total de intrusão de mercúrio (0,39 mL/g) e, assim, a maior porosidade (38,64%) das quatro amostras analisadas.
Um fatores que explica tal resultado é a menor razão de compactação obtida para os painéis com 100% de Eucalyptus grandis (tab. 2), se comparados aos demais, fato que proporciona maior número de vazios no painel. Porém, a geometria das partículas também influencia no arranjo espacial dos materiais que constituem o painel, mas para conclusões neste sentido é necessário imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV). Neste trabalho não foi realizado análise com MEV.
Os resultados obtidos neste estudo são coerentes com os encontrados por Bertolini (2011)(10), que obteve volumes totais de intrusão na faixa de 0,27 a 0,30 mL/g e percentuais de porosidade entre 28,59 e 29,20%.
4. Conclusões
Nos ensaios de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio, todos os painéis analisados apresentaram diâmetro dos poros predominantemente na faixa de 0 a 2 µm e volume de intrusão diferencial majoritariamente até 0,2 mL/g.
O painel constituído de 100% de partículas de Eucalyptus grandis e 14% de adesivo (tratamento 1) apresentou o maior volume total de intrusão de mercúrio (0,39 mL/g) e, consequentemente, a maior porosidade (38,64%) entre os painéis analisados.
Todos os painéis analisados apresentaram potencial aplicação para pisos, visto que a porosidade apresentada situa-se na faixa de 25,50 a 38,64%, isto é, maior que 20%, estabelecido na literatura.
5. Agradecimentos
- à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – FAPESP (processo número 2010/14407-7) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES, pelos auxílios financeiros aprovados e liberados e pelo apoio à pesquisa;
- ao Laboratório de Madeiras e de Estruturas de Madeiras – LaMEM, pertencente ao Departamento de Engenharia de Estruturas da Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (SET/EESC/USP), pela concessão de toda a infraestrutura na fabricação dos painéis deste estudo;
- ao Instituto de Física de São Carlos - IFSC, pela execução dos ensaios de Porosimetria por Intrusão de Mercúrio.
6. Referências
(1) Associação Brasileira de Normas Técnicas (2006). NBR 14810 - Chapas de madeira
aglomerada. Rio de Janeiro.
(2) Associação Brasileira da Indústrias de Painéis de Madeira – ABIPA. (2014). Números
do setor em 2012. http://www.abipa.org.br/numeros.php. (21 de março).
(3) Associação Nacional dos Produtores de Pisos de Madeira – ANPM. (2014). Informações
do setor. http://www.anpm.org.br (16 de março).
(4) Centro Nacional de Referência em Biomassa – CENBIO. (2008). Instituto de
Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo – IEE/USP. Carvão Vegetal: Aspectos Técnicos, Sociais, Ambientais e Econômicos.
http://cenbio.iee.usp.br/download/documentos/notatecnica_x.pdf (31 de março de 2014).
(5) Andrade, A. (coord.). (2011). Análise tecnológica e econômica do setor brasileiro de
pisos de madeira. Piracicaba, ANPM, 69p.
(6) Iwakiri, S. (2005). Painéis de madeira reconstituída. Curitiba, Paraná, Fupef, 247p.
(7) Iwakiri, S.; Stinghen, A.B.M.; Nunes, E.L.S.; Zamarian, E.H.C.; Adriazola, M.K.O.
Madeira de eucalipto é alternativa para piso engenheirado. Revista da Madeira, n. 112,
2008.
(8) Associação Brasileira da Indústria de Madeira Processada Mecanicamente – ABIMCI. (2003). Estudo setorial 2003. http://www.abimci.com.br (28 de março de 2014).
(9) Mata, V.L.G. (1998). Caracterização de meios porosos: porosimetria, modelização 3D e
tomografia seriada – aplicação a suportes catalíticos. Porto, Portugal. 304 p. Tese
(Doutorado) – Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto.
(10) Bertolini, M.S. (2011). Emprego de resíduos de Pinus sp tratado com preservante CCB
na produção de chapas de partículas homogêneas utilizando resina poliuretana à base de mamona. São Carlos. 128p. Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos,
Universidade de São Paulo.
(11) Nascimento, M.F. (2003). CPH – Chapas de Partículas homogêneas – Madeiras do
Nordeste do Brasil. São Carlos. 134p. Tese (Doutorado) - Escola de Engenharia de São
Carlos, Universidade de São Paulo.
(12) Silva, F.A.; Lira, H.L. Preparação e caracterização de membranas cerâmicas de
