Correlações Entre Módulo De Elasticidade E Constante Dinâmica Em Chapas Mdf

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CORRELAÇÕES ENTRE MÓDULO DE ELASTICIDADE E CONSTATE DINÂMICA EM CHAPAS MDF Raquel Gonçalves Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP [email protected] Sérgio Augusto Mello da Silva Universidade Estadual Paulista - UNESP [email protected] Resumo: A produção das chapas de fibra com madeiras de reflorestamento, denominadas “Medium Density Fiberboard (MDF)”, vêm conquistando um importante e promissor espaço no parque industrial brasileiro. A tecnologia desenvolvida para as chapas MDF possibilita agregar valor, transformando madeiras de baixo custo em produtos nobres, principalmente para a confecção de móveis, pois, possuem excelentes estabilidades dimensionais, possibilitando torneamentos, fresamentos e acabamentos de alta qualidade. A manutenção das características das chapas MDF se faz por meio de rigoroso controle de qualidade. O processo de manufatura exige o monitoramento das propriedades de resistência das chapas, o que demanda muito tempo e depende de técnicos com treinamento especializado. Para a madeira maciça, estudos realizados com as Constantes Dinâmicas obtidas por meio de ensaios com equipamentos de ultra-som, indicam a possibilidade de serem estabelecidas correlações com o Módulo de Elasticidade obtido por meio de ensaio destrutivo. Dentre as vantagens da aplicação do ultra-som pode ser destacada a possibilidade de realização da avaliação das chapas na linha de produção, com a vantagem adicional de se realizar a avaliação de toda a linha e não somente de amostras. O objetivo desse trabalho foi avaliar a existência de correlações entre o ensaio destrutivo de determinação de Módulo de Elasticidade praticado pela empresa e o ensaio não-destrutivo utilizando equipamento de ultra-som. Para isso foram confeccionadas chapas de fibra, com diferentes características em termos de teor de adesivo, umidade, temperatura de prensagem e espessura. Essas chapas foram inicialmente ensaiadas com equipamento da marca Steinkamp, modelo BP7, com transdutores exponenciais de 45 Hz. Posteriormente as mesmas chapas foram submetidas a ensaio destrutivo, segundo a Euro MDF Board – EN310, de onde se calculou o Módulo de Elasticidade (MOE). Os resultados da análises estatísticas indicaram resultados de correlação linear simples entre o Módulo de Elasticidade e a Constante Dinâmica da ordem de 95% para todos os casos e a análise estatística comprovou, ainda, a significância do modelo. Esses resultados, altamente significativos, indicam ser viável a utilização do equipamento de ultra-som na predição do MOE nas chapas. Palavras Chave: chapas de fibra de média densidade, ultra-som, modulo de elasticidade Abstract: The production of fiberboards with reforestation wood, denominated “Medium Density Fiberboard - MDF” is getting an important and promising space in the Brazilian industrial park. The technology developed for MDF makes possible to add value, transforming low cost wood in noble products, mainly for furniture pieces manufacturing, because they have excellent dimensional stabilities, making possible lathe, milling and high quality finish. The maintenance of the MDF characteristics is guaranteed through rigorous quality control. Due to the manufacturing process it is fundamental to control resistance properties, demanding a long time and depending on technicians with specialized training. For solid wood, studies accomplished with the Dynamic Constants obtained through tests with ultrasound equipments, indicate the possibility of establishing a correlation with the Module of Elasticity (MOE) obtained through destructive test. Among the advantages of the use of the ultrasound it can be highlighted the possibility of accomplishment of the evaluation of the fiberboards in the production line, with the additional advantage of evaluating the whole line and not only samples. The objective of this work was to verify the existence of a statistically significant correlation, between the destructive test for MOE determination and the nondestructive test using ultrasound equipment. For that fiberboards were made, with different characteristics in terms of sticker content, humidity, press temperature and thickness. Those fiberboards were tested initially with Steinkamp, model BP7, with 45 Hz exponential transducer. Later the same fiberboards were submitted to destructive test, according to Euro MDF Board - EN310, from where the MOE was calculated. The results were then submitted to statistical analyses in which the correlation between the results obtained in both tests was verified. The validity of the correlation model adopted was also checked. The value of the simple linear correlation between the MOE and the Dynamic Constant was of the order of 95% for all the cases. Those highly significant results, indicate that it is possible the use of the ultrasound equipment in the prediction of the MOE for fiberboards. Keywords: fiberboards; Medium density fiberboard; ultrasound 02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003 Rio de Janeiro - RJ - Brasil 1. Introdução Embora sendo uma nação detentora de vastas áreas florestadas do planeta, o Brasil pouco incorporou os avanços tecnológicos alcançados na utilização da madeira para a Construção Civil. A maneira inadequada de utilização da madeira, por exemplo, gerou preconceitos sobre o material, inviabilizando, muitas vezes, que tecnologias apropriadas, desenvolvidas sob conceitos corretos de aproveitamentos racionais da matéria-prima sejam reconhecidas e aplicadas. Um estudo recente revela que, em nível mundial, o comércio de produtos de maior valor agregado chegou a US$ 41,5 bilhões em 2000, o que representou um aumento de 27% sobre o valor de 1996, ou seja, um crescimento de 6,5% ao ano. A venda de matéria-prima em bruto já não é a melhor opção para garantir mercado e muito menos para aumentar os valores exportados, pois é necessário adequar-se as necessidades do mercado e oferecer um produto mais elaborado ( REVISTA DA MADEIRA, 2002). O grande exemplo desta estratégia vem dos países asiáticos. A China, a Indonésia e a Malásia lideram as exportações de produtos de maior valor agregado em madeira, pois, somente a China exportou US$ 5 bilhões em 2000 em produtos de madeira com maior valor. Os Estados Unidos, Reino Unido, Canadá, Austrália e Espanha são os maiores importadores, cabendo somente aos Estados Unidos, importações de US$ 13,4 bilhões em 2000 (REVISTA DA MADEIRA 2002). A China é vista como o grande consumidor, pois seu mercado interno está crescendo consideravelmente, em especial, alguns segmentos como o de pisos residenciais que, em 20 anos triplicou, passando da média de 3,7 m2 por habitante para 9,6 m2. A expectativa, entretanto, é ainda mais animadora, considerando-se que a projeção, somente de pisos de madeira, deva chegar à média de 18 m2 por habitante em 2010 (REVISTA DA MADEIRA 2002). A exemplo dos países Asiáticos, este é o caminho a ser seguido pelas industrias madeireiras e moveleiras do Brasil, que é muito restrita na produção de derivados de madeira com maior valor agregado; diferencial este que permite não só aumentar os valores exportáveis como também garantir um novo espaço no comercio internacional. Modernização, aumento de produtividade e pesquisas ainda são as ações que precisam ser mais bem tratadas. A modernização da tecnologia para melhorar a qualidade das chapas MDF se constituiu na principal motivação para o desenvolvimento deste trabalho. A manutenção das características das chapas MDF se faz por meio de rigoroso controle de qualidade, pois, devido ao processo de confecção, é fundamental o monitoramento de suas propriedades de resistência, demandando muito tempo e dependendo de técnicos com treinamento especializado. Para a madeira maciça, estudos realizados com a utilização de equipamento de ultra-som, indicam a possibilidade de serem estabelecidas correlações com o Módulo de Elasticidade obtido por meio de ensaio destrutivo e os obtidos por meio de ensaios destrutivos convencionais. Dentre as vantagens da aplicação do ultra-som pode ser destacada a possibilidade de realização da avaliação das chapas na linha de produção, com a vantagem adicional de se realizar a avaliação de toda a linha e não somente de amostras. É importante ressaltar que os ensaios não-destrutivos possibilitam a caracterização das chapas em tempo muito inferior comparando-se aos ensaios propostos pela EMB, representando para as empresas melhor aproveitamento do tempo para ensaios e diminuição de despesas. 2. Material e Métodos A confecção das chapas MDF foi realizada considerando-se as condições experimentais apresentadas na Tabela 1. Tabela 1. Variáveis e condições experimentais utilizadas para confecção das chapas MDF. VARIÁVEIS Madeira Adesivo (%) Pressão (bar) Temperatura (0C) Espessura (mm) Umidade (%) Densidade (g/cm3) 1 Pinus sp 5 53 160 8 12 0,75 2 Pinus sp 3 53 190 7 12 0,75 CONDIÇÕES EXPERIMENTAIS 3 4 5 Pinus sp Eucaliptus sp Eucaliptus sp 5 5 3 53 53 53 160 160 190 7 15 7 12 12 12 0,75 0,75 0,75 6 Eucaliptus sp 5 53 160 7 12 0,75 As referidas chapas MDF foram confeccionadas no Laboratório Piloto da Empresa DURATEX conforme seqüência ilustrada pelas Figuras 1. 1a ETAPA 2a ETAPA 3a ETAPA 4a ETAPA 5a ETAPA Figura 1. Seqüência para confecção das chapas MDF. Fonte : DURATEX – Laboratório de Controle de qualidade A confecção das chapas foi realizada em cinco etapas, segundo a seguinte seqüência: Primeira Etapa: são utilizadas fibras obtidas por meio de desfibramento termomecânico. Segunda Etapa: adiciona-se adesivo às fibras com auxílio da “encoladeira de tambor”; Terceira Etapa: deposição manual das fibras encoladas na formadora de colchão Quarta Etapa: prensagem a frio com o objetivo de diminuir os espaços no interior do colchão de fibras e propiciar aproximação entre as fibras. Quinta Etapa: o colchão de fibras foi submetido ao ciclo de prensagem por meio da prensa com controle de temperatura e pressão resultando na confecção das chapas experimentais com dimensões aproximadas de 40 X 40 cm. Inicialmente as chapas MDF foram submetidas à caracterização por meio de ensaios não-destrutivos. A Figura 2 ilustra a seqüência de ensaio utilizada. A Figura 2(A) ilustra a utilização dos transdutores exponenciais na chapa de fibra. Nesse caso se trabalhou com ondas de compressão. A Figura 2 (B) ilustra os transdutores planos posicionados na chapa de fibra. Nesse caso, devido ao posicionamento dos transdutores, se trabalhou com ondas de superfície. Na Figura 2 (C) observam-se os transdutores planos posicionados na espessura da chapa de fibra, gerando ondas de compressão. (A) (B) (C) Figura 2 – Seqüência de ensaios utilizada para caracterização físico-mecânica com equipamento de ultra-som. Após os ensaios com equipamento de ultra-som, os corpos de prova para o ensaio de flexão e módulo de elasticidade foram retirados da chapa e o ensaio destrutivo de flexão estática para obtenção do Módulo de elasticidade foi realizado (Figura 3 a e b). Figura 3 – Ensaio de flexão estática e corpos-de-prova retirados da chapa. Fonte : DURATEX – Laboratório de Controle de Qualidade Os ensaios com equipamento de ultra-som permitiram a medição do tempo de propagação da onda no material. De posse desse tempo foram calculadas as velocidades de propagação das ondas que estão relacionadas com as constantes elásticas (constantes dinâmicas), sendo, portanto, possível se obter, por meio do ensaio, informações ligadas ao comportamento mecânico do material avaliado. Para o cálculo das constantes dinâmicas utilizou-se a Equação 1. CD = δ.V2 x 10-3 Equação 2 Onde: CD = Constante Dinâmica (MPa) δ = Densidade dos corpos-de-prova (g/cm3) V = Velocidade de propagação das ondas no corpo-de-prova (m/s) Os resultados foram avaliados estatisticamente utilizando o programa computacional Minitab 13. Essa avaliação consistiu na adoção de um modelo correlação entre os resultados obtidos na avaliação não destrutiva e destrutiva bem como na avaliação da adequação desse modelo. A verificação da hipótese de normalidade dos dados foi realizada utilizando-se o “Método de Tukey”, que analisa o modelo de regressão por meio da análise dos resíduos. 3. Resultados e Discussões As condições 2 e 5 das chapas (Tabela 1), cujo teor de adesivo foi de 3%, foram descartadas, uma vez que não apresentaram propriedades mínimas aceitáveis. Dessa forma, a avaliação da adequação do ensaio com ultra-som foi realizado nas chapas 1, 3,4 e 6. As figuras 4 e 5 apresentam as correlações realizadas coma as velocidades das ondas de ultra-som obtidas com Transdutores Exponenciais. CONDIÇÃO 1 y = 1,6406x – 126,78 R2 = 0,96 CONDIÇÃO 3 y = 4,6813x – 6636,3 R2 = 0,98 4000 MOE (MPa) MOE (MPa) 4000 3000 2000 1700 1900 2100 2300 2500 3000 2000 1900 1950 VOC (m/s) 2000 2050 2100 2150 VOC (m/s) Figura 4 – Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores planos das condições experimentais 1 e 3. CONDIÇÃO 4 y = 4,8297x – 7251,5 R2 = 0,95 CONDIÇÃO 6 y = 6,7029x – 9939,3 R2 = 0,95 4000 MOE (MPa) MOE (MPa) 4000 3000 2000 2000 2050 2100 2150 VOC (m/s) 2200 2250 3000 2000 1850 1900 1950 2000 2050 2100 VOC (m/s) Figura 5 – Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores planos das condições experimentais 4 e 6. Da mesma forma, foram avaliadas as correlações entre as velocidades das ondas de ultra-som , obtidas por meio de transdutores planos e os valores de resistência à Flexão Estática. As Figuras 6 e 7 apresentam as correlações obtidas. CONDIÇÃO 1 y = 2,7242x – 2863,7 R2 = 0,91 CONDIÇÃO 3 y = 2,7606x –3282 R2 = 0,96 4000 MOE (MPa) MOE (MPa) 4000 3000 2000 2000 2100 2200 2300 2400 3000 2000 2000 2100 2200 VOC (m/s) 2300 2400 VOC (m/s) Figura 6 –Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores exponenciais das condições experimentais 1 e 3. CONDIÇÃO 4 y = 6,1848x – 10137 R2 = 0,95 CONDIÇÃO 6 y = 1,5593x + 20,861 R2 = 0,92 4000 MOE (MPa) MOE (MPa) 4000 3000 2000 2050 2100 2150 2200 2250 3000 2000 1500 1700 1900 VOC (m/s) 2100 2300 2500 VOC (m/s) Figura 7 – Correlações entre Flexão Estática e Velocidade da Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de ultrasom utilizando transdutores exponenciais das condições experimentais 4 e 6. Da mesma maneira, foram verificadas as correções entre as constantes dinâmicas, obtidas por meio do ensaios não destrutivo, e o módulo de elasticidade, obtido por meio do ensaio destrutivo, para as 4 condições de chapas e para os dois tipos de ondas avaliados. Esses resultados são apresentados nas Figuras 8 a 11. CONDIÇÃO 1 y = 1,2115x – 1517,6 R2 = 0,96 CONDIÇÃO 3 y = 1E+15x – 1491,6 R2 = 0,97 4000 3500 MOE (MPa) MOE (MPa) 4000 3000 2500 2000 3000 3500 4000 3000 2000 1000 3000 4500 3500 4000 CTED (MPa) 4500 CTED (MPa) Figura 8 – Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de ultra-som utilizando transdutores Exponenciais das condições experimentais 1 e 3. CONDIÇÃO 6 y = 1,8716x – 4078,4 R2 = 0,96 4000 4000 3500 3500 MOE (MPa) MOE (MPa) CONDIÇÃO 4 y = 2,419x – 5058 R2 = 0,97 3000 2500 2000 3100 3200 3300 3400 CTED (MPa) 3500 3600 3000 2500 2000 3500 3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 CTED (MPa) Figura 9 – Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Compressão obtidas por meio de ensaio de ultra-som utilizando transdutores Exponenciais das condições experimentais 4 e 6. CONDIÇÃO 3 y = 1,337x – 1350,9 R2 = 0,97 3600 3500 3200 3000 MOE (MPa) MOE (MPa) CONDIÇÃO 1 y = 1,0069x + 324,75 R2 = 0,95 2800 2400 2400 2600 2800 3000 2500 2000 1500 2500 3200 3000 CTED (MPa) 3500 4000 CTED (MPa) Figura 10 –Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de ultra-som utilizando transdutores planos das condições experimentais 1 e 3. CONDIÇÃO 6 y = 2,3595x – 3895,9 R2 = 0,94 4000 4000 3500 3700 MOE (MPa) MOE (MPa) CONDIÇÃO 4 y = 1,5625x – 2118,3 R2 = 0,94 3000 2500 2000 2500 3000 3500 4000 3400 3100 2800 2500 2500 CTED (MPa) 2700 2900 3100 3300 3500 CTED (MPa) Figura 11– Correlações entre Flexão Estática e constante dinâmica - Onda de Superfície obtidas por meio de ensaio de ultra- som utilizando transdutores planos das condições experimentais 4 e 6. Utilizando-se transdutor plano (ondas de superfície), foram obtidas correlações entre velocidade e MOE, apresentadas nos gráficos das Figuras 4 e 5, iguais a 96, 98, 95 e 95%. Essas correlações são significativas e indicam a possibilidade de serem utilizadas as velocidades de propagação das ondas de compressão para inferir sobre a resistência à Flexão Estática das chapas MDF. As correlações entre Velocidade e MOE, apresentadas nos gráficos das Figuras 6 e 7, iguais a 91, 96, 95 e 92%, também indicam que as velocidades de propagação das ondas a partir de transdutores exponenciais (ondas de compressão) podem ser utilizadas para inferir sobre o MOE das chapas MDF. O mesmo se pode comentar em relação às correlações entre constante dinâmica e MOE, uma vez que as correlações obtidas, tanto com os transdutores planos quanto com os exponenciais, apresentaram correlações sempre maiores do que 0,94. É importante salientar que as ondas de compressão oferecem resultados de correlação mais elevados que os obtidos com onda de superfície, tanto para as correlações com a velocidade, quanto com constante dinâmica. 4. Conclusões As correlações obtidas entre as velocidades de propagação das ondas de ultra-som e os ensaios destrutivos realizados para a obtenção do módulo de elasticidade das chapas possibilitam inferir sobre a possibilidade de utilização dos ensaios não-destrutivos para caracterização das chapas MDF. As excelentes correlações com a velocidade são resultados muito significativos para a indústria, uma vez que sua determinação é muito mais simples e direta do que a determinação das constantes dinâmicas. 4. Agradecimentos Os autores agradecem à FAPESP pelo apoio financeiro para o desenvolvimento da Pesquisa e à Empresa DURATEX, onde foram confeccionadas as chapas e realizados os ensaios destrutivos para a determinação do MOE. 5. Lista de Referências REVISTA DA MADEIRA. Valor agregado impulsiona mercado externo. Publicação da Associação Brasileira da Madeira e Derivados. Ano 12, numero 67, pág. 10 a 14. Curitiba, 2002. EUROMDFBOARD. MDF - Medium Density Fiberboard Definitions. Test Methods and Requirements. Industry Standard. Part II: Requirements for General Purpose Boards. EMB/IS – 2:1995.