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Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 1 Curso de Secagem da Madeira MÓDULO - 01 1 INTRODUÇÃO Os processos relacionados com o crescimento e desenvolvimento de uma árvore dependem do movimento da água desde da raiz até as folhas, onde se produz os “alimentos” para si e seu transporte até as zonas de crescimento. A água é o meio de transporte e sua presença em grandes quantidades dentro da árvore é uma condição, essencial para sua vida. O conteúdo de umidade dentro das árvores vivas pode variar entre 35 a 200% aproximadamente, dependendo da espécie madeireira, variando sua proporção em relação com a massa específica da espécie e as condições climáticas da região onde se desenvolve. A retirada desta água irá ocorrer logo após a derrubada e processamento da árvore através da secagem, a qual pode ser natural (ar livre) ou artificial (em câmara). A secagem da madeira é fundamental no processo produtivo, sendo responsável por grande parte do valor agregado ao produto final, mas é também uma das ações que mais contribui nos custos no processo de transformação. Por esta razão a busca de maior eficiência no processo de secagem deve ser procurada. A secagem adequada da madeira irá colaborar para redução dos custos de produção e na qualidade do produto final. Os padrões de qualidade exigidos pelo mercado consumidor tendem a ser cada vez maiores, exigindo madeira seca em estufa, beneficiada e bem bitolada, com teor de umidade constante e embalada. O entendimento da secagem é fundamental para o desenvolvimento da indústria de produtos de madeira, sendo impossível a obtenção de produtos com qualidade de nível internacional se a madeira não é seca adequadamente tornando-se uma condição determinante para o êxito ou fracasso desta operação comercial. A principal razão para secar ou condicionar a madeira, é para assegurar que a madeira esteja dimensionalmente tão estável quanto possível, antes do uso em um Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 2 item estrutural ou manufaturado. Quando recém cortada, a madeira começa a secar, contraindo-se particularmente transversalmente à grã, até entrar em equilíbrio com ambiente de trabalho. Na secagem, ocorre uma “pré-redução” em suas dimensões. O objetivo é para assegurar que não ocorra nenhum movimento da madeira em encaixes, móveis, ligações, etc. Dentro do produto projetado a acomodação deverá ser pequena ou desprezível (MILLS, 1991). A secagem é hoje reconhecida como um fator vital no valor agregado de produtos de madeira processada, dando grande importância atualmente ao aumento da qualidade e redução dos custos de secagem. A diminuição disponível de florestas nativas, assim como, aumento da disponibilidade de florestas plantadas muito mais caras, realçando a necessidade de melhorar o processamento da madeira e redução dos defeitos de secagem. 2 A MADEIRA A madeira é um material orgânico, heterogêneo, poroso, higroscópico e anisotrópico. É orgânico porque sua composição química elementar é formada basicamente por carbono (C), heterogêneo devido sua grande variação existente tanto em tipos como em componentes básico e na distribuição destes componentes. A disposição e o arranjo diferenciado destes elementos deixam espaços vazios, tornando portanto, a madeira porosa, com poros visíveis a nível macroscópico. Na sua estrutura intima (ultra-estrutura) a madeira pode reter água, fisicamente aderidas às paredes e no interior delas, sendo portanto um material higroscópico. A madeira é ainda um material anisotrópico, ou seja, se comporta diferentemente nos diferentes eixos de orientação. A anisotropia é extremamente importante tanto no processamento como no uso. deste modo, a madeira seca mais facilmente da direção do comprimento, pois a permeabilidade longitudinal é muito mais alta que a transversal (radial e tangencial), e contrai mais transversalmente do que no comprimento. A madeira, por ser resultante do crescimento orgânico de dezenas de milhares de espécies arbóreas lenhosas, é uma matéria-prima que se caracteriza Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 3 fundamentalmente por ser anisotrópica e heterogênea. Estes atributos intrínsecos à natureza da madeira, constituem o ponto central a ser analisado quando de sua utilização. As propriedades físico-mecânicas de uma madeira, bem como inúmeros outros aspectos tecnológicos, decorrem de fatores estruturais, sejam macro, micro ou sub-microscópicos da parede celular. A composição química, variável e peculiar a cada madeira, também constitui um fator de suma importância neste contexto. Os avanços tecnológicos estão voltados em torno do ferro, concreto e plásticos e o desconhecimento que tem os engenheiros e arquitetos sobre as propriedades e técnicas de processamento da madeira, são fatores que tem contribuído para que este material perca competitividade frente a outros para seu uso na construção e na fabricação diversa. A madeira possui uma série propriedades que à convertem em matéria-prima de excelente qualidade para a fabricação de certos produtos, destacando-se as seguintes: a relação entre a massa específica e a resistência mecânica é altamente favorável; apresenta uma baixa massa específica em relação ao seu volume; é fácil de trabalhar e de ligar-se por meio de uniões simples; a madeira quando está seca, é um excelente isolante térmico, elétrico e acústico. 2.1 IMPORTÂNCIA DA SECAGEM DA MADEIRA A madeira serrada em geral contém consideráveis quantidades de umidade (água). A saída irregular da umidade causará defeitos (rachaduras, empenamentos, etc.) e se for mantida acima de certos valores a madeira está sujeita a ataque por fungos manchadores e apodrecedores. Por estas e outras razões é proposto a secagem da madeira. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 4 2.2 POR QUE A MADEIRA DEVE SER SECA? O processo de secagem da madeira deverá ser conduzido de forma gradual, uniforme e a um teor de umidade que será definido em função do seu uso final. Portanto, a secagem da madeira apresenta importantes vantagens: ! A contração da madeira em uso é reduzida e as rachaduras e empenamentos são evitados. ! A madeira quando seca fica protegida contra o ataque de fungos manchadores e apodrecedores. ! O peso da madeira é reduzido e portanto os custos de transporte são baixos. ! Secando a madeira resulta em acréscimo significativo da resistência mecânica, desde que os defeitos de secagem não se desenvolvam, especialmente rachaduras, além de elevar a significativamente a capacidade de fixação de pregos. ! Para obter uma pintura satisfatória ou acabamento superficial e (normalmente) tratamento com produtos preservativos requerem uma secagem ao ar ou em câmaras. ! O uso de secagem em câmaras mata fungos e insetos que podem estar instalados na madeira. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 5 3 FATORES QUE AFETAM A SECAGEM DA MADEIRA 3.1 INERENTES A MADEIRA 3.1.1 ASPECTOS ANATÔMICOS A madeira apresenta basicamente três tipos de células: traqueais, parenquimáticas e prosentimáticas com uma variação de forma e função. A parede celular apresenta uma formação complexa como pode-se observar na Figura 01. FIGURA 01 – FORMAÇÃO DA PAREDE CELULAR DA MADEIRA 3.1.1.1 Células Traqueais O sistema traqueal é responsável na árvore viva pela condução da água e está representada pelos traqueóides e pelos vasos. Os traqueóides podem considerar-se uma forma primitiva de célula lenhosa, e formam um volume de até 95% nas coníferas. São sempre células fechadas, tubulares ou libriformes, seus extremos são mais ou menos pontiagudos e as vezes Prof. Dr. RicardoJorge Klitzke 6 em forma de bisel. Nas folhosas chegam a 1,5mm, já nas coníferas podem ter vários milímetros. Os traqueóides das madeiras de primavera são de parede fina, sendo mais fácil a comunicação célula/célula no intercâmbio de líquidos. Podem possuir em suas paredes até 300 grandes pontoações areoladas. Os traqueóides de outono, cuja função principal é dar solidez à árvore, são de parede grossa apresentando poucas pontoações (10-50) em posição oblíqua e em forma de pequenas fissuras. Observando os traqueóides, se destacam em suas paredes umas zonas circulares ou elípticas de paredes delgadas, que são as pontoações, geralmente estas são areoladas, formando uma fina membrana, com uma bóveda perfurada no centro. O engrossamento da membrana no centro forma o torus, este ao aplicar-se sobre a abertura da pontoação se fecha hermeticamente como se fosse uma válvula. Se os traqueóides estão situados ao lado dos raios ou das células parenquimáticas lenhosas, o intercâmbio de substâncias entre estes elementos se facilita por meios de grandes pontoações simples ou por semi-aureoladas, que facilitam o intercâmbio entre os elementos. As diferenças entre os tipos de pontoações que se formam no desenvolvimento das células são características anatômicas que tem grande importância na identificação das madeiras. Em folhosas as células lelhosas primárias, parecidas aos traqueóides, se transformam em diferentes tipos de células com formas intermediárias, adaptadas a diversas funções (condução, sustentação e armazenamento). Os vasos são elementos em forma de tubos com paredes relativamente grossas ou bem finas, o comprimento dos vasos podem ser de vários centímetros até alguns metros (3 - 5) e em alguns casos podem atingir a altura do tronco. Dependendo somente do número de elementos que formam o vaso. São observados nas partes terminais de cada elemento as placas de perfuração que podem ser simples (abertas), e escalariformes ou reticuladas. Com a justa posição destes elementos formam-se os tubos condutores, aos quais se pode aplicar as leis de capilaridade, quando não apresentam filas no seu interior. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 7 3.1.1.2 Células Parenquimaticas Característica principal: serve para a acumulação de reserva, com grande abundância de pontoações simples. São geralmente alongadas de paredes finas, se formam por divisões sucessivas do câmbio. Nas coníferas só tem lugar geralmente no final do período vegetativo. As células parenquimaticas em folhosas estão distribuídas por todo o anel anual e em sua periferia. São agrupados para formar os tecidos podendo variar entre a estratificação em bandas tangenciais (parênquima reto traqueal) e sua reunião ao redor dos vasos (parênquima paratraqueal), existindo entre ambos modificações numerosas formas intermediárias assim como, também grandes diferenças na forma de cada célula. Suas substâncias de reserva são: amido, graxa, resina, polissacarídeos, ácidos tânicos, etc. 3.1.1.3 Células Prosenquimaticas Em todas as espécies lenhosas aparecem conjuntamente as células traqueais e as de parênquima. Existe um terceiro grupo de células, as que formam os tecidos de esclerênquima, que é exclusivo nas folhosas. As fibras de esclerênquima ou de Liber (fibras duras, células de sustentação) que formam a parte principal do corpo lenhoso da árvore. Tem forma alongada e são delgadas, pontiagudas, tabicadas e dentadas nas extremidades. Sua proporção no volume total influi diretamente nas características de resistência e inchamento. As paredes interiores das fibras do líber, de espessura grossa são providas de escassas e diminutas pontoações que em geral tem uma forma fusiformes alongada. Como há de se admitir que as fibras do líber se desenvolveram a partir dos traqueóides e possuem um evidente parentesco com os traqueóides fibrosos tendo sido diferenciado somente dois grupos de células: as células parenquimáticas e as prosenquimáticas. Que se compreende melhor fisiológica e terminologicamente, em especial ao observar seções microscópicas maiores que permitam observar a disposição e a ligação das distintas classes de células que formam a madeira. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 8 3.1.2 ESTRUTURA DAS CONÍFERAS As coníferas tem as vezes a estrutura mais regular e mais simples. Na seção transversal seus traqueóides, tetra, penta ou hexagonais apresentam-se em filas radiais desde o câmbio até a medula. Entre eles estão situadas as bandas dos raios lenhosos compostos principalmente por células parênquimáticas que, vistas em seção longitudinal parecem como retângulos largos e estreitos. Os raios tem também traqueóides, e alguns em seu interior, espaços ocos ou canais intercelulares que em coníferas contém resina. Em seção transversal se distinguem bem os limites de crescimento dos anéis anuais como lenhos, bem marcados, de separação entre os últimos traqueóides da madeira de outono de um ano e as primeiras células da madeira de primavera do seguinte. Os traqueóides de outono tem paredes grossas, enquanto que os traqueóides de primavera são de paredes finas e estão dispostos mais de forma simétrica. A transição de um para outro tipo de célula é bastante brusca, as pontoações são também diferentes nestas duas classes de madeira. Na de primavera as pontoações se observam somente nas paredes radiais dos traqueóides, as de outono em todas as paredes. Esta disposição pode comprovar-se muito bem na seção radial, na qual os traqueóides aparecem com tubos cortados longitudinalmente e sobre suas vêem as pontoações em projeção. Os raios, como bandas parenquimatosas cuja forma e altura se observa na seção radial. correndo no sentido transversal aos traqueóides, mas não apresentam seus extremos afilados. Na seção tangencial o aspecto é muito diferente, pois os traqueóides tem seus extremos afilados, mostra que as pontoações são cortadas longitudinalmente e aparecem exatamente igual que na seção transversal. Os raios lenhosos mostram sua seção transversal fusiforme (com canais resiníferos) com células terminais extraordinariamente afilados e frequentes canais resiníferos que ocorrem radialmente na parte central do raio. Na Figura 02 pode-se observar a formação celular de uma conífera (pinos, araucária, etc.). Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 9 FIGURA 02 - ESTRUTURA ANATÔMICA DE UMA CONÍFERA 3.1.3 ESTRUTURA DAS FOLHOSAS A estrutura é muito mais complexa, por isso seu aspecto microscópico é complicado e irregular. Os vasos, que a simples vista parecem poros, dão um aspecto característico na seção transversal e sua distribuição se ajusta as leis determinadas. Nas madeiras tropicais a disposição dos vasos é bastante uniforme, mas nas madeiras com anéis de crescimento anuais os vasos mais largos se encontram em madeira de primavera e mais estreitos nas de outono. A tendência dos vasos pequenos é outra característica utilizada na identificação de espécies. A proporção de vaso pode variar de 2 a 65% na madeira, assim como sua distribuição influem em suas propriedades de resistência. Madeiras de poros agrupados em anéis existem zonas regulares de mínima resistência, isso se explica porque madeiras com mesma massa específica e mesma umidade., mas com disposição dos poros em anéis apresentam resistência pouco inferior com disposição difusa dos poros. Os vasos, quando grandes, pressionam e oprimem de tal modo os tecidos adjacentes, que só em extensões muito pequenas é possível uma sucessão Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 10 radial perfeita de células. As fibras de esclerênquima, entre as quais encontram-seos traqueóides fibrosos, com características diferenciadas frequentemente muito confusas, formam a massa principal da estrutura das folhosas. O parênquima, que em sua maior parte se apresenta agrupado ao redor dos vasos e raios lenhosos, tem pouca importância, suas células redondas ou levemente poligonais em seção transversal, estão cheias de diversas substâncias de reserva. Os vasos lenhosos das folhosas, o mesmo que os das coníferas são radiais, mas apresentam uma riqueza de formas maiores que nas coníferas, no sentido tangencial estão sempre formados por uma camada de células, e excepcionalmente, por várias camadas agrupadas em linhas nas folhas estando formados tanto por uma camada de células como por várias. Por ter os raios lenhosos a dupla missão de conduzir a seiva e armazenar substâncias de reserva, no desenvolvimento muito intensivo é paralelo a formação do lenho, contudo, produzem na madeira superfícies de menor resistência que facilitam a formação de fissuras e que são a causa da baixa resistência a tração. Nas seções radial e transversal são mostrados os extremos muito afilados das fibras do líber, terminados em forma de cunha, assim como a conhecida disposição estratificada do parênquima lenhoso e dos grandes vasos que nestas seções se apresentam cortados longitudinalmente. Suas pontuações, as vezes escassas, suas pontoações são extraordinariamente densas nas parte próximas a outros vasos, ao parênquima e aos raios. Sendo em geral pontoações areoladas, exceto as que se comunicam com os raios e parênquima. Os traqueóides das folhosas possuem também pontoações areoladas. Finalmente o líber, cujas vigorosas fibras, apenas estão unidas na rede condutora, contribui na formação do corpo lenhoso. A necessidade de água é menor e mais uniforme das coníferas é a causa de que tenham uma estrutura muito mais simples. Nestas, um só tipo de célula, os traqueóides, podem atender a dupla missão de conduzir a água e dar solidez da árvore. Na Figura 03, pode-se observar a formação celular de uma folhosa (eucalipto, imbuía, etc.). Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 11 FIGURA 03 - ESTRUTURA ANATÔMICA DE UMA FOLHOSA 3.1.3.1 Influência das Pontoações A estrutura normal da parede das células é interrompida por pontuações, as quais aparecem no período de crescimento das células, podendo ser observada na Figura 04. A translocação radial da água na árvore é feita pelas pontuações, as quais são localizadas na parede secundária entre as células adjacentes. Duas pontoações ligadas entre células vizinhas formam um par de pontuações. O transporte de água pelas células adjacentes ocorrem pelos lúmens através das membranas das pontoações as quais consistem de parede primária e de lamela média. As diferentes formas das pontoações são características distintivas na identificação microscópica de madeira e fibras. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 12 FIGURA 04 - COMUNICAÇÃO DE UM PAR DE PONTOAÇÕES AREOLADAS 3.1.3.2 Aspiração da Pontoação Uma comum modificação das pontoações areoladas é o deslocamento lateral da membrana “torus”. Este fenômeno é chamado de aspiração, usualmente onde ocorre quando o alburno é transformado em cerne ou quando a madeira é seca. Aparentemente isto é resultado de altas tensões estabelecidas fornecendo um menisco na abertura das pontoações e nas aberturas da membrana através do movimento de saída da água (seiva). Em coníferas o torus sela as aberturas e, portanto bloqueando a passagem através da pontuação. Os pares de pontoações de madeira de coníferas, que podem explicar a diminuição na permeabilidade, afetando diretamente na secagem, particularmente em madeira de cerne. A aspiração da pontoação, nas quais o torus é seguro, muito justo contra a abertura, provavelmente por ligações de hidrogênio entre adjacentes cadeias de celulose tornando a passagem a água obstruída reduzindo a sua permeabilidade, na Figura 05 pode-se observar a pontoação areolada não aspirada (A) e aspirada (B). Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 13 FIGURA 05 - A) PONTUAÇÃO NÃO ASPIRADA; B) PONTUAÇÃO ASPIRADA A B Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 14 3.1.4 MASSA ESPECÍFICA A massa específica é uma das mais importantes propriedades físicas da madeira. A maior parte dos aspectos tecnológicos desta matéria-prima estão relacionados com a massa específica, a qual serve para avaliar e classificar uma madeira. A massa específica reflete-se também as características de resistência da madeira. Madeiras “pesadas” são em geral mais resistentes, elásticas e duras. Já madeiras com menor massa específica, tendem a apresentar menor resistência mecânica, estabilidade dimensional. A massa específica aparente da madeira é a relação entre a massa e o volume da mesma peça de madeira a um teor de umidade conhecido em g/cm3 ou em kg/m3. A seguir será apresentada a fórmula utilizada para seu cálculo: ( )3 U U AP cm/gV MME = Onde: MEAP = Massa Específica Aparente (g/cm3) M = Massa da peça de madeira (g) V = Volume da amostra de madeira (cm3) U = teor de umidade (0, 12, 15, 30 ou verde) (%) Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 15 TABELA 01 - MASSA ESPECÍFICA (DENSIDADE)- ME (KG/M3) ESPÉCIE ME verde (kg/m3) ME (12%U) (kg/m3) Balsa 830 120 Kiri 860 220 Guapurúvu 880 260 Pinus 1000 450 Pinho 1050 500 Imbúia 1050 650 Ipê 1150 850 Ângico 1200 900 Massaranduba 1250 1050 A massa específica é influenciada por fatores internos e externos à madeira. Como fator interno destaca-se a estrutura anatômica do lenho. Dentre os fatores externos citam-se aspectos do local de crescimento das árvores, tais como, clima, solo, altitude, umidade do solo, declividade, vento, espaçamento e associação de espécies, bem como intervenções silviculturais do tipo adubação, poda, desbaste e densidade do povoamento. A correlação entre massa específica e a espessura dos anéis de crescimento é assunto desde há muito tempo. As principais conclusões indicam que em folhosas com porosidade em anel, a massa específica é diretamente proporcional a largura dos anéis de crescimento. Isto ocorre porque poros de grande diâmetro são formados apenas no início do anel de crescimento, de modo que em anéis largos há maior percentagem de lenho tardio. Folhosas de porosidade difusa quase não se nota variação relativa à largura dos anéis, devido à estrutura relativamente homogênea do lenho. Em coníferas, a massa específica aumenta com a diminuição da largura dos anéis de crescimento. Quanto mais largo o anel, maior a percentagem de lenho primaveril, o qual tem baixa massa específica. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 16 3.1.4.1 Influência dos Extrativos na Massa Específica A massa específica de uma madeira depende da quantidade de extrativos que se encontram nas mesmas. A massa específica é usualmente determinada sem a remoção dos extrativos, resultando em avaliação excessiva da substância madeira. Estudos feitos com várias espécies de pinus levaram à conclusão de que a massa específica varia em função da retirada ou não dos extrativos. Em folhosas dá-se freqüentemente a formação de tilos. Estes são expansões vasiculares de células parequimáticas que penetram nos lúmens dos vasos através das pontuações. A presença de tilos causa dificuldade na secagem e na preservação da madeira, por obstruir os caminhos normais de circulação de líquidos, aumentando consideravelmente a massa específica da mesma. A presença de substânciasminerais em algumas espécies tais como cristais de oxalato de cálcio e sílica, também contribui para o aumento da massa específica de uma madeira. O conteúdo de resina aumenta a massa específica de uma madeira, a densidade desta substância varia em coníferas entre 0,985 à 1,073 g/cm3. A resina de Guaiacum é mais densa, da ordem de 1,23 à 1,25 g/cm3. Estes valores mostram claramente que a quantidade de resina influência decisivamente na massa específica da madeira. A influência de substâncias orgânicas e inorgânicas na massa específica da madeira foi constatada apenas para o alburno de certas espécies de árvores. 3.1.4.2 Massa Específica no Interior do Tronco Devido ao fato dos anéis de crescimento variarem em espessura na direção medula até a casca, verificam-se nesta mesma direção variações correspondentes em massa específica. A madeira obtida de plantações ou povoamentos naturais de folhosas ou coníferas, folhosas e coníferas respectivamente, indica que a massa específica na referida direção, atingindo um valor mais ou menos constante após um certo número de anos. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 17 Para as madeiras de coníferas, verifica-se geralmente um nítido aumento da massa específica a partir da medula, por um certo número de anéis. Em folhosas, devido ao papel preponderante desempenhado pelo cerne, manifesta-se geralmente uma diminuição da massa específica na mesma direção. A diferença de massa específica é especialmente notada em espécies que apresentam cerne distinto; nas com cerne fisiológico ou apenas alburno, as diferenças são menos sensíveis. Ao longo do tronco existem igualmente grandes variações em massa específica, encontrando-se valores máximos na base do mesmo, onde são requeridos de modo especial tecido rijos de sustentação, decrescendo a medida que diminui a distância em relação a copa. 3.1.5 CONTRAÇÃO E O INCHAMENTO DA MADEIRA (ANISOTROPIA) A anisotropia traz como consequência diferentes valores para o inchamento e para a contração nos três sentidos de orientação da madeira. Esta diferença se deve a estrutura microscópica e submicroscópica da madeira. A maior alteração dimensional se manifesta no sentido tangencial, depois no sentido radial e finalmente no longitudinal, que por ser tão baixa, é normalmente negligenciada na prática. As relações entre as contrações verificadas nos diferentes sentidos indicam: 10 (tangencial) : 5 (radial) : 0,1 (longitudinal). A pequena alteração no sentido longitudinal explica-se por estarem a maioria dos elementos estruturais constituintes da madeira organizados verticalmente, o que faz com que o número de paredes por cm2 seja bem menor neste sentido. Além disso, cada fibra de madeira tende muito pouco a se contrair axialmente devido a inclinação das micrifibrilas de celulose constituintes da parede celular propiciarem a contração da célula em sua seção, e não na direção do seu comprimento. Algumas vezes podem mesmo ocorrer contrações negativas ao longo da grã, isto é, a madeira pode ter dimensão axial um pouco maior na condição seca que verde. Na Figura 06, pode-se observar o comportamento físico sofrido pela madeira devido a anisotropia após a secagem. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 18 FIGURA 06 – COMPORTAMENTO DA MADEIRA DEVIDO A ANISOTROPIA A mudança de volume da madeira que se verifica devido a desorção adsorção de água é considerada uma de suas propriedades físicas mais importantes, afetando e limitando consideravelmente o seu uso industrial em vários ramos de utilização. O aumento de volume ou inchamento de uma madeira, deve-se, principalmente, à inclusão de moléculas de água nos espaços submicroscópicos localizados entre as micelas, afastando-as, alterando as dimensões da madeira. Da mesma forma, a diminuição de volume deve-se a retirada de moléculas de água dos espaços mencionados por evaporação, ocasionando a aproximação das michelas e finalmente a retração da madeira. A anistropia de contração é a relação entre a contração máxima tangencial e a contração máxima radial. A avaliação da qualidade da madeira segundo sua anisotropia esta apresentada na tabela 02. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 19 TABELA 02 – AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DA MADEIRA SEGUNDO O COEFICIENTE DE ANISOTROPIA Coeficiente de Anisotropia Qualidade da Madeira < 1,5 Madeira muito estável 1,6 até 2,0 Média baixa 2,0 até 2,5 Média alta >2,6 Madeira muito instável Madeiras que apresentarem alta Contração Volumétrica, alta Anisotropia de Contração e Massa Específica elevada são madeiras com grandes dificuldades de secagem, devendo ser empregado programas de secagem brandos. 3.1.6 PERMEABILIDADE É definida para os líquidos como a medida de maior ou menor facilidade de escorrimento em um material poroso, sobre a influência de um gradiente de pressão. A permeabilidade obedece a lei de Darcy, que estabelece que a permeabilidade é igual a razão entre o fluxo e o gradiente de pressão. O fluxo é definido como a razão de escorrimento por unidade de área de seção transversal em um determinado tempo, e gradiente de pressão, como a diferença de pressão que causa o escorrimento por unidade de comprimento do material poroso. Assim para uma amostra de madeira a equação de permeabilidade segundo SIAU (1971) é: ( ) = − = seg.dinas cm.cm A.t.P L.V L/PP )T.A/(VPe 3 12 Onde: Pe – Permeabilidade (cm3.cm); V - Volume do líquido escorrido através da madeira (cm3); t - Tempo de escorrimento (seg); Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 20 P - Gradiente de pressão existente entre os extremos da madeira (dinas/cm2); A – Área da amostra (cm2); L - Comprimento da amostra de madeira em direção ao escorrimento (cm). 3.1.6.1 Permeabilidade em Coníferas A condução de líquidos está relacionada com os traqueóides axiais e radiais e com suas pontoações areoladas, ocorre ainda por parênquima axial e radial com suas pontoações simples, e semiareoladas, por canais resiníferos, longitudinais, transversais e por células epteliais. Os traqueóides constituem em maior percentagem do volume (cerca de 93%). A translocação dos líquidos ocorre através destes elementos essenciais. A condução de líquidos ocorre nos sentidos, radial, tangencial e longitudinal. A permeabilidade é maior na direção longitudinal devido a facilidade do fluxo no sentido das fibras, para a permeabilidade na direção transversal, a condução radial é maior que a tangencial devido a maior permeabilidade dos traqueóides e dos parênquimas radiais. A permeabilidade na direção das fibras é 50 - 100 vezes maior que perpendicular as fibras. A permeabilidade do lenho tardio é maior do que a do lenho inicial, apesar de sua maior densidade, isto ocorre por razão do lenho tardio possuir membranas das pontoações areoladas mais resistentes a aspiração pela sua maior espessura de parede e rigidez. A permeabilidade do alburno é maior que do cerne, devido a maior quantidades de pontoações aspiradas e obstruções destas por resina existentes no cerne. O alburno submetido a secagem é 200 vezes mais permeável que o cerne. A permeabilidade em coníferas está controlada quase que exclusivamente pelas pontoações areoladas. As aspirações de pontoação se constituem em um importante fator da condução da água livre dentro da madeira, sendo a tensão capilar, a causa de sua ocorrência. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 21 3.1.6.2 Permeabilidade nas Folhosas A condução de líquidos é realizada nos sentido radial, tangencial e longitudinal como nasconíferas, através das suas pontoações as quais unem os elementos estruturais e pelas placas de perfuração dos vasos. A permeabilidade do alburno é maior que a do cerne e se realiza da mesma forma que nas coníferas exceto quando os vasos estão obstruídos por tiloses as quais reduzem a permeabilidade. A translocação de líquidos em folhosas é mais complexa que em coníferas devido o efeito dos poros por produzirem os tilos, madeiras com porosidade anelar a permeabilidade é maior que em madeiras com porosidade difusa. 3.1.7 TEOR DE UMIDADE Uma árvore quando é recém cortada apresenta grande quantidade de água na sua estrutura, variando esta quantidade segundo a época do ano, região de procedência e a espécie florestal. Madeiras leves, por serem mais porosas apresentam maior quantidade de água que as madeiras mais pesadas. Da mesma forma o alburno, por ser formada por células cuja função principal é a condução da água, apresenta um conteúdo de umidade maior que o cerne. Em outras palavras a porcentagem de umidade varia muito entre as espécies, variando ainda, dentro da própria espécie e ainda dentro do tronco da árvore, tanto no sentido medula-casca como no sentido base-topo. A relação entre a água total e a matéria seca lenhosa é muito variável em uma peça de madeira, estando sujeita a influência de vários fatores, entre eles, a estrutura celular e a massa específica da madeira. O cerne não permite conteúdo de umidade elevado devido as substâncias fenólicas infiltradas e contidas em suas células, no entanto, o alburno pode acumular mais de 100% de seu peso em água, podendo chegar a 400% em madeiras muito leves exemplo; os álamos (Populus sp), balsa (Ochroma logopus) e o pinho cuiabano (Ceiba pentandra) entre outras. A água contida na madeira se Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 22 encontra sob diferentes formas (água livre ou capilar, e água de impregnação ou higroscópica) 3.1.7.1 Água Livre (Capilar) É a água que se encontra ocupando as cavidades celulares o lúmen dos elementos vasculares, resultando numa condição de “verde” para a madeira. A quantidade de água livre que conter uma madeira esta limitada por seu volume poroso. Ao iniciar a secagem, a água livre vai saindo facilmente pela evaporação, já que é mantida na madeira através de forças capilares muito fracas, até o momento em que não se contém mais este tipo de água. Neste ponto a madeira estará no que se denomina “ponto de saturação das fibras” (PSF), que corresponde a um conteúdo de umidade entre 28 e 32%. Quando a madeira alcança este condição, suas paredes estão completamente saturadas, mas suas cavidades (lúmens) estão vazias. Um dos fatores limitante na secagem da madeira é a retirada da água capilar na forma líquida das cavidades das células da madeira. Normalmente, deve-se utilizar baixas temperaturas durante as etapas iniciais da secagem devido aos riscos associados à remoção rápida da água a altas temperaturas. Deve-se desenvolver curvas de secagem específicas para cada espécie de madeira e até mesmo entre a mesma espécie dependendo do uso final do produto a ser gerado. Durante esta fase de secagem, a madeira não sofre variação dimensional, nem alterações de suas propriedades mecânicas. Por esta razão, o PSF é muito importante desde o ponto de vista físico-mecânico e de algumas propriedades elétricas da madeira. 3.1.7.2 Água de Impregnação (Higroscópica) É água que se encontra nas paredes celulares, também é chamada de água de impregnação ou higroscópica. Exista uma teoria de que a água de impregnação esta constituída por hidrogênios fixados principalmente por grupos hidroxilas da Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 23 celulose, das polioses e em menores quantidades na lignina formando pontes de hidrogênio. Durante a secagem da madeira, quando está perdeu sua água livre por evaporação e continua secando-se, a perda de umidade ocorre com maior lentidão até chegar a um estado de equilíbrio higroscópico com a umidade relativa da atmosfera circundante. Para maioria das espécies, o equilíbrio higroscópico esta entre 12 e 18% de conteúdo de umidade, dependendo do lugar de onde se realiza a secagem. A madeira seca ao ar livre só pode alcançar estes valores de umidade de equilíbrio. Para obter conteúdos de umidade menores, deve-se recorrer a secagem artificial. Se o movimento da água capilar é relativamente simples de ser compreendido nos seus aspectos físico e matemático, o mesmo não ocorre com o movimento da água de impregnação e do vapor de água, que ocorrem simultaneamente por meio de difusão em um tipo de transporte conhecido como transporte em estado instável. Nessas condições, o fluxo de umidade e o gradiente são variáveis no espaço e no tempo. A água higroscópica move-se por difusão através das paredes celulares, em conseqüência de forças originadas pelo gradiente de umidade. A contribuição do vapor d’água, para a quantidade total de água movimentada, pode ser desprezada nas condições normais de secagem. A rapidez ou facilidade de secagem (coeficiente de difusão da água higroscópica) varia diretamente com a temperatura e a umidade, inversamente com a densidade e depende da direção estrutural da madeira. 3.2 FATORES FÍSICOS DA SECAGEM A secagem da madeira pode ser definido como um balanço dinâmico entre a transferência de calor do fluxo de ar para a madeira, superfície de evaporação da madeira, difusão da umidade através da madeira e a vazão de massa da água livre (HART, 1966). A transferência de calor e a superfície de evaporação pelas condições externas, e o movimento da umidade do interior para a superfície é controlado Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 24 principalmente pelas propriedades da madeira, como: permeabilidade e a massa específica. O equilíbrio entre os fatores externos e internos é atingido durante a secagem em estufa através do programa de secagem. Segundo PONCE E WATAI (1985), o teor de umidade pode variar muito, desde 30 até 200% em relação ao seu peso seco. após a derrubada da árvore, a madeira começa a perder umidade “seiva”, para o meio ambiente. Segundo KOLLMANN (1959), a água existente na madeira pode ser classificada de duas maneira: • água livre ou capilar: localizada nos lumens celulares e espaços intercelulares, retida por forças capilares. • água de impregnação ou higroscópica: aquela que se encontra nas camadas polimoleculares nos espaços submicroscópicos da parede celular, ligada por forças elétricas conhecidas como pontes de hidrogênio. Estes dois tipos de água desempenham funções diferenciadas no processo de secagem da madeira. Enquanto que a água capilar é mais importante para as propriedades térmicas e elétricas. A água higroscópica age principalmente sobre as propriedades físicas e mecânicas da madeira, SANTINI (1996). 3.2.1 MOVIMENTO DA CAPILAR NA MADEIRA Segundo KOLLMANN & CÔTÉ (1968), afirmam que, a cima do PSF, o movimento de umidade do interior para a superfície é causado por forças capilares, e segue as leis de Poiseuiele, a qual descreve este tipo de movimento de uma maneira. Em um capilar cheio com determinado líquido, o movimento de água é produzido pelas diferenças existentes em tensão, devido as forças existentes na superfície do menisco dentro do capilar. a força de tensão “T” em um menisco balanceado de um capilar com raio “r”, pode ser calculado utilizando-se a equação abaixo demonstrada: Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 25 T Hxd d dxr xd t r = = = β 2 onde: T = tensão capilar, g/cm3 H = altura de ascensão do líquido no capilar em, cm d = densidade da água,g/cm3 r = raio do capilar, cm β = tensão superficial da água, g/cm Pode ser observado na figura 01, um menisco balanceado e outro não balanceado. A pressão do vapor sobre o menisco balanceado(côncavo) é menor que a pressão de vapor sobre o menisco não balanceado (plano), existindo portanto o movimento de água capilar da direção do menisco mais côncavo em função do gradiente de pressão criado pela evaporação na superfície superior e condensação na inferior. Segundo STAMM (1964), o movimento capilar é favorecido pelo aumento da temperatura, pela existência de bolhas de ar no interior das células e pelo aumento do diâmetro das pontuações. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 26 Figura 01 - Esquema simplificado do movimento de água em um capilar (adaptado de KOLLMANN & CÔTÉ, (1968)) 3.2.2 MOVIMENTO DE DIFUSÃO DA ÁGUA NA MADEIRA Abaixo do PSF o movimento da umidade através da madeira é considerado um fenômeno de difusão. A água de impregnação move-se através das paredes celulares por um gradiente de umidade, evapora e atravessa as cavidades celulares por um gradiente de pressão de vapor, torna a condensar para atravessar as paredes celular, e assim sucessivamente até atingir a superfície da madeira (HART, 1975). Esta passagem de água de impregnação através das paredes celulares deve-se ao “pulo molecular ao acaso” onde a moléculas pularam de um local de adsorsão para outro apenas quando a força atraente e o trabalho de abrir a estrutura da madeira forem maiores que as forças atraentes do local de origem. Logicamente as moléculas adsorvidas na segunda camada ou em camadas moleculares subsequentes terão mais facilidade de se mudar do que as moléculas da primeira camada. O Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 27 movimento do vapor d’água através das cavidades celulares, câmaras de pontuações, aberturas da membrana da pontuação e espaços intercelulares é estabelecido quando grande parte das forças capilares cessam ficando nas cavidades celulares apenas ar e vapor d’água, estabelecendo-se assim um gradiente de pressão de vapor resultante de diferenças de umidade relativa do ar confinado nestes espaços e do ar que envolve a madeira. Como o fluxo e o gradiente são variáveis no tempo e no espaço, quando seca-se a madeira, a segunda lei de FICK representada abaixo, é a que melhor expressa o fluxo por difusão. dm dt Dg d M dx = 2 2 onde: dm/dt = quantidade de umidade removida (m) na unidade de tempo (t) Dg = coeficiente de difusão médio (cm2/s) d M dx 2 2 = variação da umidade na distância (x) Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 28 3.2.3 PROCESSO FÍSICO DA SECAGEM No processo de secagem da madeira é fornecida energia térmica para promover a retirada da umidade da madeira. A quantidade de energia necessária para retirada da água varia com o teor de umidade que a madeira apresenta, como pode-se observar no Gráfico 01. 3.2.3.1 Transferência de calor na secagem da madeira A transferência de calor à superfície da peça de madeira ocorre por convecção forçada (ventilação) e da superfície para o interior da madeira por condução (molécula a molécula). No início da secagem, quando a madeira está verde, a transferência de calor à superfície é o fator mais importante, onde, altas velocidades do ar favorecem uma secagem mais rápida. A medida que a madeira vai perdendo umidade o processo físico de transferência de calor por difusão vai ganhando maior importância, não sendo necessário grandes velocidades do ar. Atualmente existem equipamentos com capacidade de variar a velocidade do ar durante a secagem da madeira. 3.2.3.2 Transferência de massa na secagem da madeira A transferência de massa de moléculas de água ocorre do interior à superfície da peça de madeira por capilaridade até aproximadamente o ponto de saturação das 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 100 120 140 Teor de Umidade (%) En er gi a (c al /g ) Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 29 fibras (PSF + 30%) e abaixo do PSF a transferência de massa ocorre por difusão. Da superfície da peça de madeira para o meio secante a transferência de massa ocorre por difusão (moléculas d'água). 3.2.3.3 Fases da secagem ! Fase - 1 Retirada da água livre Ocorre o movimento capilar da água do interior para a superfície da madeira, sofrendo uma redução da umidade de forma linear, sem causar a contração da madeira . ! Fase - 2 Retirada da água livre e higroscópica Esta fase tem inicio quando o movimento capilar é bastante reduzido no interior da madeira, iniciando o movimento de difusão para retirada da água de impregnação. Nesta fase a convecção começa a perder em importância, passando a ser mais importante a transferencia de calor por condução. O movimento de massa por difusão passa a ser intensamente interno e externo. A difusão na madeira (interna) chamada impedida, ocorre por 3 caminhos; ! Lúmen – Pontoação - Lúmen – pontoação meio exterior. ! Lúmen – Parede – Lúmen – Parede – meio exterior (80 a 90%) ! Da parede celular para o meio exterior PROCESSO DE DIFUSÃO é a transferência de moléculas de água de um zona de alta pressão de vapor para outra de menor pressão de vapor gera um movimento expontâneo que ocorre através dos gradientes de pressão. A difusão da água fixada na parede celular é considerada um fenômeno molecular chamado “pulo molecular ao acaso”. O coeficiente de difusão aumenta rapidamente com o aumento do teor de umidade (a mobilidade das moléculas adsorvidas aumenta com o aumento da polimolecularidade de fixação). A lei geral de Fick quando aplicada a madeira, os valores calculados teoricamente representam o dobro dos valores experimentais no sentido longitudinal e 30 vezes no sentido Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 30 tangencial, atribuída a difusão impedida. Os principais fatores que influem no coeficiente de difusão são proporcionais a temperatura e ao gradiente de umidade e inversamente proporcionais a massa específica e a estrutura anatômica. O TRANSPORTE DE UMIDADE DURANTE A SECAGEM DA MADEIRA É UMA COMBINAÇÃO DO MOVIMENTO POR DIFUSÃO E POR CAPILARIDADE. ! Fase – 3 A importância da convecção é muito pequena, sendo a condução muito importante. O movimento de massa é somente por difusão interna e externamente. Obs. O ideal é manter a fase 1 o máximo de tempo possível 3.2.4 DETERMINAÇÃO DA UMIDADE DA MADEIRA 3.2.4.1 Método de secagem em estufa O conteúdo de umidade da madeira é afetado pelo ambiente e pelas características intrínsecas da espécie. A umidade afeta na trabalhabilidade, no desempenho do produto e na venda do mesmo. O método de secagem em estufa é utilizado para determinar o teor de umidade da madeira, envolvendo a pesagem de amostras (peso inicial). A seguir, as amostras são colocadas em estufa à temperatura de 103 + 20C, até peso constante. O fase 1 -Linear fase 2 - parabólica fase 3 -Exponencial 50% U Tempo (h) Umidade (%) Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 31 peso das amostras são consideradas constantes, quando após sucessivas pesagens não haja mudança na leitura (+ 0,5g) num intervalo de tempo de 1 hora. O teor de umidade (TU) da madeira é a relação entre a massa de água presente em uma peça de madeira pela massa seca desta peça (anidra). Seu valor numérico se expressa em porcentagem. A determinação da umidade deve ser realizada em amostras retiradas da carga de madeira submetida à secagem. Abaixo esta representada a fórmula da umidade.( )%100 MS MSMUTU ×−= Onde: TU = Teor de umidade da amostra (%); MU = Massa Úmida da amostra (g); MS = Massa seca da amostra (g). O número de amostras a serem retiradas depende da situação local, mas deve ser representativo do lote. É fundamental que sejam retiradas as amostras a uma distância de pelo menos 30cm dos topos, para evitar erros na determinação. A determinação da umidade é muito importante na secagem da madeira pois ela irá definir o momento da mudança de fase no programa de secagem da madeira. Ela é utilizada para definir o peso das amostras de controle. A principal desvantagem do método de determinação da umidade em estufa é o grande período de tempo necessário para obter o peso constante das amostras (20 a 60 horas, dependendo do tamanho da amostra) e que a peça deve ser parcialmente destruída para obter as amostras. A determinação correta do teor de umidade inicial é chave para a correta secagem da madeira. Existem outros aparelhos desenvolvidos para determinar a umidade das amostras com maior velocidade (20 minutos). Tais métodos utilizam lâmpada infravermelho e utilizam pequenas partículas como amostra. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 32 3.2.4.2 Método por Aparelho Elétrico Várias tecnologias permitem a estimativa do teor de umidade da madeira a partir das suas propriedades elétricas. Os instrumentos mais tradicionais são os que medem a resistência a passagem da corrente elétrica, sendo disponíveis no mercado medidores que usam campos elétricos de alta freqüência. Os sensores do tipo resistência usam sensores metálicos que são cravados na madeira, enquanto que os medidores de alta freqüência usam sensores de contato. As características da variação da resistência elétrica da madeira com a massa específica e com a temperatura indicam a necessidade de correção para temperaturas diferentes da qual o medidor foi calibrado. Atualmente é comprovado que a conhecida escala de classificação existente nos medidores mais antigos (madeiras leves, médias e pesadas), não é mais apropriada. Uma vez que a madeira é um material isolante, a passagem da corrente elétrica pela madeira irá depender mais da água contida no material (umidade) e da presença de íons (composição química) do que da espessura da parede da fibra ou quantidade de madeira (massa específica) propriamente dita, podendo ser comprovado comparando a medida da umidade em um medidor elétrico para duas madeiras de massa específica semelhante no Gráfico 02. GRÁFICO 02 – COMPARAÇÃO ENTRE O TEOR DE UMIDADE REAL E O TEOR DE UMIDADE OBTIDA NO MEDIDOR ELÉTRICO 0 20 40 60 80 100 10 20 30 40 50 60 70 U midade Real (% ) M ed id or E lé tr ic o (% ) C UMAR U IPÊ Fonte Ivaldo Jankovisky - revista VETAS Ano III No2 Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 33 Os medidores elétricos utilizam agulhas que devem ser cravadas paralelamente à direção das fibras, porque dependendo da espécie de madeira a resistividade pode ser duas ou três vezes maior na direção normal às fibras. As agulhas devem penetrar na madeira aproximadamente 1/3 da espessura da peça devido a presença de gradientes de umidade na mesma, obtendo-se desta forma o teor de umidade médio existente na madeira. Os medidores dão resultados menos acurados que o método da estufa, porém o teor de umidade pode ser determinado imediatamente. Normalmente, a escala dos medidores oscila de 5 a 30% de umidade, porque acima do PSF a variação da resistência é praticamente constante. na Figura 07, pode-se observar um medidor elétrico utilizado para medir a umidade na industria. FIGURA 07 – MEDIDOR ELÉTRICO UTILIZADO PAR MEDIR A UMIDADE DA MADERIA 3.3 FATORES INERENTES AO AMBIENTE DE SECAGEM Tanto na secagem em estufa como na secagem ao ar livre a água é removida da superfície da madeira por evaporação. A velocidade de evaporação é controlada Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 34 pela temperatura, umidade relativa e pela velocidade do ar que passa pela pilha de madeira. Para entender a mecânica do processo de secagem é necessário familiarizar-se com as leis da evaporação e suas relações com os parâmetros de controle. 3.3.1 TEMPERATURA O calor é necessário para evaporar a umidade da madeira. Quanto mais alta a temperatura do ar maior é a taxa de saída de umidade do interior da madeira para a superfície. Fisicamente o calor é a fonte de energia da qual as moléculas de água contidas na madeira adquirem energia cinética necessária para sua evaporação. A velocidade de evaporação depende da quantidade de energia (calor) aplicada por unidade de tempo e da capacidade do meio (ar) para absorver umidade da madeira. No interior da peça de madeira também ocorre um incremento no coeficiente de circulação das moléculas de água. Ex.: a 80OC a velocidade das moléculas de água é cinco (5) vezes maior que a 25OC. Conclui-se, portanto que a temperatura é um fator de aceleração da evaporação já que, quanto mais elevada a temperatura do ambiente que cerca a madeira, mais intensa será a evaporação posto que o ar poderá absorver mais umidade. Em estufa a energia fornecida é por convecção, enquanto que na secagem ao ar livre a energia é fornecida por radiação direta do sol, elevando a temperatura da superfície da peça de madeira gerando defeitos (empenamentos e rachaduras),devido o gradiente de umidade gerado e pela constante variação de contração e inchamento da peça de madeira. É importante ressaltar que a temperatura mais a umidade relativa do ar irão determinar o clima na estufa de secagem e o equilíbrio do conteúdo de umidade da madeira. O controle da temperatura para muitas espécies é o fator de maior influência no processo de secagem. Madeiras medianas ou leves (coníferas) a temperatura ideal para obter uma qualidade excelente da madeira fica em torno de 70 a 90OC. Para uma qualidade regular pode chegar a uma temperatura de 120OC. Para madeira de peso médio e pesadas a temperatura fica em torno de 60 a 80OC. Algumas Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 35 espécies de folhosas sofrem descoloração com umidade relativa acima de 65% e temperaturas acima de 60OC, devidas reações químicas ocorridas com a lignina e as polioses. A temperatura é medida em estufa por meio de um termômetro de bulbo seco (TBS), do psicrômetro em OC. a seguir será apresentada a transformação de grau Fahrenheit em grau Centígrado: )32F( 9 5C OO −×= Onde: oC – graus Celsius oF – graus Fahrenhei 3.3.2 CARACTERÍSTICAS DO AR O ar tem peso e, portanto, exerce uma pressão sobre a superfície terrestre. Se pesar uma coluna de ar de um centímetro quadrado de seção que se estenda desde da superfície da terra até o limite exterior da atmosfera, se encontraria um peso de 1033kg ou seja 1033kg/cm2 sobre a superfície da terra. Esta é uma pressão equivalente a de uma coluna de 76cm de mercúrio (HG) ou de uma coluna de água de 10,33m. O ar contém vários gases entre eles temos: Nitrogênio (N2), Oxigênio (O2), e outros. Entre os outros gases temos o vapor d’água. A pressão de vapor d’água em determinado ambiente, determina o movimento da umidade e portanto a velocidade de secagem da madeira. Nem todas as moléculas têm a mesma velocidade algumas se movem mais rápidas outras mais lentas. Quando as moléculas com alta velocidade alcançam a superfície da madeira, sua energia cinética alcançada lhe permite vencer a força de tração da molécula escapando do líquido na forma de vapor. Retornando a forma líquida ao encontrar com a superfície do líquido (condensação). Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke36 3.3.2.1 Pressão Parcial de Vapor (P) É a quantidade de vapor d’água medida de um determinado ambiente a uma dada temperatura. A pressão parcial de vapor pode variar de zero, em ar completamente seco, até a ambiente completamente saturado com 100% de umidade relativa. 3.3.2.2 Pressão de Vapor Saturado (PO) A pressão de vapor d’água saturado (Po) é a quantidade máxima de um determinado ambiente em absorver moléculas d’água a uma dada temperatura. Quando a pressão de vapor saturada for igual a pressão de vapor parcial a umidade relativa será igual a 100%. No Gráfico 03 pode-se observar a influência da temperatura na pressão absoluta do ar. GRÁFICO - 03 CAPACIDADE DO AR DE ABSORVER UMIDADE EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA (g/cm3) 0 50 100 150 200 250 300 350 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Temperatura (ºC) Pr es sã o Ab so lta (g /c m 3 ) 0 20 40 60 80 100 120 U m id ad e R el at iv a (% ) 0 2010 30 70605040 80 3.3.3 UMIDADE RELATIVA (UR) A umidade relativa determina a capacidade de secagem do ar. Ar seco (contém baixa umidade relativa) tem alta capacidade de secagem e absorver mais Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 37 umidade na forma de vapor d’água. A capacidade de secagem é afetada diretamente pela umidade relativa do ar e pela temperatura do mesmo. Aquecer o ar, aumenta a capacidade de secagem, porque a elevação da temperatura causa uma queda na umidade relativa do ar, desta maneira, pelo controle da umidade relativa é possível controlar a taxa de saída de umidade, controlando as tensões que se desenvolvem na madeira devido a contração durante a secagem. A umidade relativa é relação entre a pressão de vapor parcial e a pressão de vapor saturado. A seguir é apresentada a fórmula utilizada para o cálculo da umidade relativa do ar. 100) P P(UR O ×= (%) Onde: UR = Umidade Relativa do ar; P = Pressão de vapor parcial (g/cm3); Po = Pressão de vapor saturado (g/cm3). Na Figura 08, pode-se observar o desenho esquemático da variação da capacidade do ar em absorver vapor dá água em sua estrutura, variando sua temperatura. A pressão de vapor saturado será a mesma independente da quantidade de ar presente sempre que a temperatura permanecer-se constante. (Lei de Dalton). FIGURA 08 – REPRESENTAÇÃO ESQUEMÁTICA DA VARIAÇÃO DA CAPACIDADE DO AR EM ABSORVER VAPOR D’ÁGUA NA SUA ESTRUTURA EM MESMO AMBIENTE VARIANDO SOMENTE A TEMPERATURA 50OC20 OC 100OC Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 38 A medição da umidade relativa é realizada pelo higrômetro (em laboratórios) para condições naturais e para temperaturas inferiores a 50OC a medição se baseia no cabelo humano. Quando o cabelo se alonga a umidade relativa do ar é alta e quando se contrai a umidade relativa é baixa. A contração e o alongamento do cabelo é transmitido a uma agulha que indica o valor correspondente da umidade relativa do ar no instante medido. Outra forma de medir a umidade relativa é por meio do psicrômetro (TBS / TBU), utilizado nas câmaras de secagem. Consiste de dois termômetros idênticos (PT100) sendo que, um deles o bulbo permanece livre (TBS), medindo a temperatura do ambiente. O outro termômetro, chamado de termômetro de bulbo úmido (TBU) sua parte sensitiva é coberta com uma tela de algodão úmida a qual fica mergulhada dentro de um reservatório com água limpa, normalmente ocorre uma diferenciação entre as duas temperaturas medidas. ! Deve-se utilizar sempre água destilada ou da chuva; ! Deve-se evitar incrustações as quais impedem a evaporação da água alterando a leitura do TBU; ! Se a água flui muito rapidamente pelo bulbo ocorre um resfriamento exagerado do termômetro, ocasionando erro de leitura. A diferença entre o TBS e o TBU irá ocorrer devida um resfriamento causado pela evaporação de parte da água contida na tela, medindo a temperatura ambiente menos a perda de calor causado pela evaporação. A diferença entre as temperaturas medidas no TBS e no TBU são entradas em uma tabela, obtendo-se desta forma a umidade relativa correspondente no instante medido. Quanto maior a diferença entre os dois termômetros menor será a umidade relativa do ambiente. No entanto, se os dois termômetros estiverem com a mesma temperatura, significa que a umidade relativa é igual a 100% (P = Po). Na Figura 09, pode-se observar um psicrômetro de laboratório para determinação da umidade relativa do ar. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 39 FIGURA 09 – APARELHO UTILIZADO PARA MEDIR A UMIDADE RELATIVA, HIGRÔMETRO (A) E PSICRÔMETRO(B) A B O controle da umidade relativa dentro da câmara de secagem é obtida através de: ! Injeção de vapor vivo; ! utilização de uma tina para promover o aumento da umidade relativa; ! Controlando as entradas e saídas de ar (umidade relativa alta – abrindo, e umidade relativa baixa – fechando). Existe uma relação entre a umidade da madeira e a umidade relativa do ambiente numa temperatura constante. Se a umidade relativa do ar aumenta a umidade da madeira também aumenta e inversamente, se a umidade relativa diminuir a umidade da madeira também irá diminuir. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 40 3.3.4 PONTO DE ORVALHO (PO) A umidade relativa ambiental é normalmente inferior a 1, indicando que a pressão existente de vapor, ou pressão parcial (P) é menor que a pressão de saturação (Po). Quando a temperatura de um ambiente ou de um objeto é abaixada, chega-se a um ponto que ocorre a condensação de vapor d’água na superfície do objeto. Esse ponto é denominado temperatura do ponto de orvalho. Do ponto de vista físico, com a diminuição da temperatura há um abaixamento da pressão de saturação de vapor (Po) até o valor que ela se torna igual à pressão de vapor parcial de vapor (P) à temperatura inicial, resultando que Po fica igual a P, ocorrendo à condensação do vapor d’água. O ponto de orvalho ocorre quando há uma redução repentina na temperatura, fazendo com que a pressão parcial de vapor d'água atinja a pressão saturada de vapor d'água ocasionado a formação de água na forma líquida (precipitação). 3.3.5 VELOCIDADE DO AR A velocidade do ar controla a evaporação da água no processo de secagem. A circulação de ar fresco através da pilha expulsa a umidade da superfície da madeira. Suas funções principais: ! Transmitir energia necessária para aquecer a água contida na madeira facilitando a sua evaporação. ! Transportar a umidade retirada da madeira. A camada de ar estagnante na superfície da madeira sempre irá existir, esta camada reduz a eficiência na transferência de calor na superfície da madeira. Quanto menor a espessura da madeira mais rápida será a remoção da umidade da superfície da madeira. Uma corrente de ar turbulento é muito mais eficaz do que uma corrente de ar laminar, pois reduz a espessura da camada de ar estagnante podendo desta forma obter maior eficiência na transferência de calor para a superfície da madeira. A velocidade do ar é muito importante nas primeiras etapas da secagem artificial (forçada em câmara), ela reduz o tempo quando bem explorada. Velocidades do ar Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 41 maiores devem ser aplicadas no inicio da secagem se for possível. A importância da velocidade do ar diminui à medida que o teor de umidade da madeira se aproxima do ponto de saturação das fibras (30%), podendo obter uma redução significativa no consumo de energia. A velocidade do ar perde eficiência abaixo do PSF por iniciar o processo de retiradada umidade contida na parede celular por difusão, sendo este um processo físico extremamente lento de retirada da água da madeira. Para a secagem ser rápida e uniforme é indispensável que a circulação do ar seja forte e regular. (câmara convencional em torno 2,0m/s). Quando se utiliza velocidade do ar acima de 2m/s a qualidade da madeira poderá ser comprometida, causará uma elevada taxa de secagem gerando altos gradientes de umidade na peça de madeira podendo resultar em rachaduras e empenamentos. Em madeiras altamente permeáveis (pinus) é possível utilizar maiores velocidades. 3.3.6 UMIDADE DE EQUILÍBRIO (UE) A madeira é um material higroscópico, isto é, possui a capacidade de tomar ou ceder umidade em forma de vapor. Quando úmida perde moléculas de vapor d'água para a atmosfera e quando seca, pode absorver vapor d'água do meio. Existe um momento em que a madeira deixa perder ou de ganhar moléculas d'água, este momento é chamado de equilíbrio higroscópico da madeira. Fisicamente a umidade de equilíbrio ocorre quando a pressão interna de vapor d'água na parede celular for igual a pressão externa de vapor d'água. Ela varia de espécie para espécie. A umidade de equilíbrio é obtida em função da umidade relativa e da temperatura. Para determinar a umidade de equilíbrio utilizam-se tabelas (U.S.D.A. Forest Service). A umidade de equilíbrio é fundamental para a condução da secagem artificial, ela é afetada pela umidade relativa do ambiente, pela temperatura sofrendo influência da espécie, do teor de extrativos da porcentagem de cerne e alburno de uma mesma espécie. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 42 A temperatura diminui a umidade de equilíbrio da madeira para uma considerada umidade relativa. A seguir será apresentada no Gráfico 04 a umidade de equilíbrio de algumas cidades brasileiras. GRÁFICO - 04 UMIDADE DE EQUILÍBRIO DE ALGUMAS CIDADES BRASILEIRAS NO PERÍODO DE UM ANO 0 5 10 15 20 25 JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ ANO Período U m id ad e de E qu ilí br io (% ) Manaus São Paulo Curitiba Cuiabá Brasília Em secagem natural a madeira irá secar até a umidade de equilíbrio da região, nunca abaixo da mesma. Em uma região seca e quente a madeira apresentará uma umidade de equilíbrio menor que o encontrado em uma região fria e úmida. Secando madeira ao ar livre, o tempo requerido para alcançar a umidade de equilíbrio é muito longo (meses) e, portanto em muitas ocasiões é aconselhado recorrer a secagem artificial para reduzi-lo A madeira quando sofre um processo de beneficiamento normalmente deve conter um teor umidade recomendado dependendo do uso final. Muitas vezes este teor de umidade está abaixo da umidade de equilíbrio obtida na secagem natural, sendo necessário introduzir condições climáticas especiais que permitam que a madeira alcance o teor de umidade de equilíbrio desejado, somente alcançado por meio da secagem artificial em câmaras especiais. A seguir será apresentado na Tabela 03 o teor de umidade recomendada em função do uso final da madeira. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 43 TABELA - 03 TEORES DE UMIDADE FINAIS RECOMENDADOS PARA ALGUNS PRODUTOS DE MADEIRA PRODUTOS UMIDADE (%) Madeira serrada comercial 16 – 20 Madeira para construção externa 12 – 18 Madeira para construção interna 8 – 11 Painéis (compensado, aglomerado, chapas de fibras, etc.) 6 – 8 Pisos e lambris 6 – 11 Móveis para interiores 6 – 10 Móveis para exteriores 12 – 16 Equipamentos esportivos 8 – 12 Brinquedos para interiores 6 – 10 Brinquedos para exteriores 10 – 15 Equipamentos elétricos 5 – 8 Embalagens 12 – 16 Formas de calçados 6 – 9 Coronhas de armas 7 – 12 Instrumentos musicais 5 – 8 Implementos agrícolas 12 – 18 Barcos 12 – 16 Aviões 6 – 10 Fonte: Ponce e Watai 1985 3.3.7 GRADIENTE DE UMIDADE (GU) Somente em madeira recém cortada se encontra uma distribuição mais ou menos uniforme do conteúdo de umidade através da seção transversal de uma peça. Assim que comece a secagem seja natural ou artificial, a distribuição do conteúdo de umidade no interior da peça se modifica. De forma simples pode-se explicar a secagem da madeira como um resultado do movimento da umidade desde o interior até a superfície, onde se evapora e escapa para a atmosfera circundante. Ao colocar-se uma peça de madeira úmida em contato com um ambiente seco inicia-se a evaporação da água presente nas capas superficiais, enquanto que as capas internas permanecem ainda úmidas. A diferença entre o teor de umidade do Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 44 centro da peça e da superfície denomina-se gradiente de umidade (GU), significando que quanto maior a diferença entre o teor de umidade da superfície e do centro mais elevado o GU, quer dizer eu quanto maior a diferença entre o teor de umidade da superfície do centro, mais rapidamente secará a madeira e inversamente, se o gradiente for baixo, o tempo de secagem aumentará causando um aumento nos custos de secagem. Na figura 10 pode-se observar o gradiente de umidade desenvolvido num peça de madeira. FIGURA 10 – GRADIENTE UMIDADE NA MADEIRA Na secagem artificial da madeira é importante estabelecer um GU ótimo que determina o tempo de secagem sem ocorrer riscos de ocasionar danos a madeira. Elevado GU causa um conteúdo de umidade abaixo do PSF nas partes externas da peça de madeira, as quais, ficam impedidas de contrair porque as capas internas ainda contém muita água livre (acima do PSF), gerando tensões na madeira que podem ocasionar deformações, podendo causar interrupções na circulação da água pela formação de uma capa muito seca que obstrui o fluxo capilar da umidade originando-se o fenômeno chamado endurecimento superficial, causar rachaduras internas ou de superfície, etc. Na secagem natural não tem condições de controlar o GU da peça de madeira. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 45 3.3.8 POTENCIAL DE SECAGEM (PS) No processo de secagem artificial existem dois valores que são de grande importância para estabelecer o comportamento da secagem. Estes valores são; o teor de umidade atual (TUatual) da madeira em um determinado momento e o conteúdo de umidade de equilíbrio (UE) que depende das condições do ambiente do secador. A relação entre os dois valores se denomina potencial de secagem (PS). O potencial de secagem irá determinar a forma e o progresso da secagem da madeira. Ele pode ser calculado da seguinte forma: UE TUatualPS = Onde: PS = Potencial de secagem; TUatual = Teor de umidade atual calculado (%); UE = Umidade de equilíbrio calculado (%). Potenciais de secagem elevados produzem altas taxas de secagem reduzindo o tempo, causando uma secagem excessiva das capas superficiais da madeira com o risco de formação de tensões internas, gretas, deformações e endurecimento superficial. Um valor ótimo do potencial de secagem depende de vários fatores: espécie, espessura da madeira, TU inicial , tipo de câmara, etc. Madeiras que apresentem coeficiente de anisotropia de contração elevado (acima de 2,5) deve-se adotar baixo potencial de secagem em torno de 2,0 (moderado). Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 46 Curso de Secagem da Madeira MÓDULO - 02 4 PREPARAÇÃO DA MADEIRA PARA SECAGEM 4.1 PREPARAÇÃO DA CARGA 4.1.1 ESPÉCIE (MASSA ESPECÍFICA) A velocidade que a madeira perde umidade está em função de sua própria natureza e de alguns fatores externos como a temperatura a umidade relativa do ar e a circulação do ar.A massa específica é uma variável de muita importância na taxa de secagem, pois normalmente quanto maior a massa específica menor a permeabilidade da madeira e mais lenta deverá ser a sua secagem, seja natural ou artificial. Segundo a literatura, a velocidade de secagem é inversa a raiz quadrada da massa específica da madeira. No entanto ocorrem exceções ocasionadas por características de permeabilidade. Uma mesma espécie de madeira composta somente de alburno secará mais rapidamente do que uma madeira composta de cerne, no entanto, a madeira de alburno apresenta um teor de umidade inicial muito mais elevado que a do cerne. A madeira quando estiver sendo preparada para secagem deve ser separada em classes de massa específica, principalmente se for para secagem artificial. O ideal é que não haja misturas de espécies nas câmaras de secagem. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 47 4.1.2 ESPESSURA DA MADEIRA A espessura irá influir diretamente no tempo de secagem propiciando o surgimento de defeitos na madeira (rachaduras e empenamentos), quando a secagem não for bem conduzida. Quanto maior a espessura da madeira, maior será o tempo de secagem. A espessura oferece uma importância muito grande no processo de secagem, deve-se tomar cuidados na preparação desta madeira, evitando-se a mistura com espessuras diferentes apesar de mesma espécie. Segundo a literatura o tempo de secagem de uma madeira pode ser estimado pela seguinte fórmula: 1 2 1 2 2 T)E E(T ×= Onde: T2 = Tempo de secagem estimado (horas); E2 = Espessura da madeira à estimar o tempo (cm); E1 = Espessura da madeira com tempo de secagem conhecido (cm); T1 = Tempo de secagem da madeira da espessura E1 (horas). A rapidez da secagem é afetada pela remoção de água da superfície indiretamente proporcional à espessura da peça de madeira. Quanto maior a espessura da madeira maior será a quantidade de parede celular à ser atravessada Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 48 4.1.3 TEOR DE UMIDADE INICIAL A estimativa do teor de umidade inicial é de fundamental importância no processo de secagem da madeira, principalmente na secagem artificial, pois a condução da secagem com relação as variáveis envolvidas na programação é balizada na umidade inicial. Na secagem artificial toda a carga de madeira presente no interior da câmara deve apresentar um teor de umidade médio muito bem representado. A carga a ser seca somente irá apresentar uma secagem homogênea se a umidade inicial for bem determinada. Na Figura 11 pode-se observar a retirada das amostras para determinação do teor de umidade inicial assim como, a retirada das as amostras para controle da secagem pelo processo manual. FIGURA 11 – RETIRADA DAS AMOSTRAS PARA AVALIAR A UMIDADE INICIAL AS TENSÕES INTERNAS Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 49 4.1.4 SEPARADORES (TABIQUES) São peças utilizadas no empilhamento para separar as camadas do material em secagem de maneira a deixar espaços onde o ar possa circular durante o processo de retirada da umidade. Os tabiques devem ser obtidos, preferencialmente de madeiras estáveis e duras, de grã reta e tanto quanto possível isentas de defeitos. Antes de utilizados devem ser secos em estufas e empilhados longe do solo, bem apoiado para não deformarem e sua seção transversal deverá ser uniforme em todo seu comprimento. A correspondência entre a espessura dos separadores e as peças se devem a capacidade de evaporação da água que tem a madeira segundo sua espessura. Igualmente, a distância entre os separadores esta em função da espessura das peças, quanto mais finas, menor deverá ser a distância entre os tabiques para evitar deformações. Nas áreas de contato dos tabiques com as peças a secagem é retardada, portanto não convém usar mais tabiques do que o necessário. Os tabiques devem apresentar de preferências sua largura maior do que sua altura para facilitar ao tabicador no momento do gradeio. A seguir será apresentada a relação entre a espessura das peças e a espessura dos tabiques e ainda qual sua distância ideal. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 50 TABELA 04 – CARACTERÍSTICAS DOS TABIQUES Espessura das tábuas (mm) Espessura dos separadores (mm) Distancia entre os separadores (mm) Menos de 20 20 300 – 400 20 – 30 25 400 – 500 30– 40 30 500 – 600 40 – 50 35 700 – 800 50 – 60 40 900 Mais de 60 45 1000 Na prática, é difícil armazenar tabiques com diferentes dimensões para serem utilizados de acordo com a madeira que se pretende secar, principalmente quando se trabalha com material de diferentes espécies e espessuras. Nessas condições, a experiência irá determinar a espessura ideal de tabique a utilizar. Os tabiques separadores são elementos valiosos na secagem e devem ser manipulados com cuidado, os mesmos serão utilizados muitas vezes na secagem da madeira. 4.1.5 EMPILHAMENTO (GRADEAMENTO) Além de acomodar a carga, o empilhamento deve facilitar a circulação do ar através das camadas de peças de madeira. Os tabiques devem ser colocados transversalmente com relação ao comprimento da tábua. O empilhamento pode ser realizado manual ou mecanicamente. Quando se realiza por meios mecânicos, se utilizam equipamentos especialmente desenvolvidos para tal função. Esta operação consiste somente em colocar um sobre Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 51 o outro. A altura das pilhas pode chegar até a 5m, mas normalmente não ultrapassa 1,2m. pilhas muito altas tornam-se muito instável devido sua esbelteza. É importante ressaltar que os separadores colocados nos extremos das pilhas devem formar um plano com a superfície transversal das tábuas. Desta maneira controla-se a rachadura dos extremos, ao retardar-se o secamento destas zonas. O alinhamento no sentido vertical dos tabiques também é outro fator importante sendo indispensável para minimizar ao máximo a propensão a defeitos principalmente empenamentos pode-se observar na Figura 12, a maneira correta de gradeamento. FIGURA 12 – FORMA DE GRADEAMENTO CORRETO E INCORRETO Para facilitar o trabalho de empilhamento e manter a uniformidade da fileiras e dos tabiques separadores, se utilizam algumas guias portáteis que acomodam os tabiques. A seguir pode-se observar na Figura 13, um desenho esquemático da maneira de construção do suporte base para o tabicamento manual correto. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 52 FIGURA 13 -GABARITO PARA GRADEO DA MADEIRA Intercalando cada pilha ou pacote de madeira, são utilizados blocos com seção transversal normalmente quadrada com uma altura de aproximadamente 4cm para facilitar a colocação e retirada do pacote ou pilha pela empilhadeira. Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke 53 4.2 SECAGEM AO AR LIVRE E EM ESTUFA A madeira pode ser seca ao ar livre (secagem natural) ou em câmaras próprias (secagem artificial). A secagem ao ar livre é normalmente feita em ar aberto e raramente sob cobertura ao passo que na secagem artificial é utilizado câmara própria que requerem instrumentação especial para criar um clima controlado artificialmente num espaço fechado, onde a temperatura, umidade relativa e a circulação de ar são controladas. Na secagem ao ar, a possibilidade de controle é muito limitada ou não inexistente. Apesar disso, a secagem ao ar não é inferior a secagem em estufa considerando a qualidade do produto final. Entretanto a secagem ao ar requer mais tempo durante a qual o capital fica imobilizado e tem um risco prolongado de degradação
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