Chemical composition and hygroscopicity of thermally modified Eucalyptus grandis wood in closed and open systems

Resumo Técnico: Composição Química e Higroscopicidade de Madeira de Eucalyptus grandis Modificada Termicamente em Sistemas Fechados e Abertos

Definição do Problema
O Eucalyptus grandis é uma espécie primária na indústria florestal brasileira devido ao seu crescimento rápido e alta produtividade. No entanto, a adoção de ciclos de rotação curta resulta na predominância de madeira juvenil, que é caracterizada por menor densidade, reduzida estabilidade dimensional e maior suscetibilidade à degradação biológica em comparação com a madeira madura. A modificação térmica é uma abordagem sustentável reconhecida para melhorar as propriedades físicas e biológicas da madeira, incluindo a redução da higroscopicidade e o aumento da durabilidade. Embora existam dois sistemas industriais primários — fechado (pressurizado) e aberto (atmosférico) — há uma necessidade de compreender como esses ambientes de processo específicos afetam diferencialmente a composição química e a higroscopicidade da madeira juvenil de E. grandis, particularmente ao comparar tratamentos em temperaturas idênticas ou perdas de massa equivalentes.

Metodologia
O estudo utilizou madeira juvenil de E. grandis de uma plantação em Espírito Santo, Brasil. As amostras foram submetidas à modificação térmica em um reator piloto de 65 litros capaz de operar tanto em sistema fechado (simulando o FirmoLin®) quanto em sistema aberto (simulando o ThermoWood®).

• Delineamento Experimental: Seis tratamentos térmicos foram avaliados juntamente com a madeira não tratada:
  • Sistema Fechado: 150°C, 160°C e 170°C (100% de umidade relativa, pressurizado).
  • Sistema Aberto: 170°C, 190°C e 210°C (pressão atmosférica).
• Métricas do Processo: O desempenho foi caracterizado pelo teor de umidade final (CU), duração do processo e Perda de Massa Corrigida (PMC), calculada com base na massa livre de extrativos para isolar a degradação do polímero da perda de extrativos.
• Técnicas Analíticas:
  • Química Úmida: Quantificação de alfa-celulose, hemiceluloses, lignina total (Klason + solúvel em ácido) e extrativos (total, solúvel em acetona e solúvel em diclorometano).
  • Espectroscopia e Difração: Espectroscopia de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) para identificação de grupos funcionais e Difração de Raios-X (DRX) para o Índice de Cristalinidade (IC).
  • Higroscopicidade: Teor de Umidade de Equilíbrio (TUE) e Eficiência de Exclusão de Umidade (EEU) foram medidos a 20°C e 65% de UR.
• Análise Estatística: Os dados foram analisados por meio de um delineamento inteiramente casualizado com testes de Dunnett (vs. não tratado), análise de regressão (dentro dos sistemas) e testes t de Student (entre sistemas).

Principais Resultados

• Eficiência do Processo e Perda de Massa: O sistema fechado demonstrou maior eficiência de degradação. Na mesma temperatura (170°C), o sistema fechado (150CS) atingiu uma PMC de 14,9% comparado a 6,1% no sistema aberto (170OS), apesar de uma duração de processo mais curta. Isso é atribuído à alta umidade relativa e pressão no sistema fechado, que aceleram a hidrólise ácida.
• Composição Química:
  • Hemiceluloses: Ocorreu degradação significativa em todos os tratamentos, exceto no 170OS. O sistema fechado causou uma degradação de hemicelulose mais severa (ex.: 8,9% em 160CS vs. 23,3% em 170OS).
  • Celulose: O conteúdo de alfa-celulose aumentou proporcionalmente na maioria dos tratamentos devido à perda de hemicelulose, embora tenha diminuído em temperaturas mais altas no sistema aberto, sugerindo a degradação das cadeias de celulose sob condições severas.
  • Lignina: O conteúdo aparente de lignina aumentou em todos os tratamentos (até 37,2% em 170CS) devido à relativa estabilidade da lignina e reações de condensação, contrastando com a degradação dos carboidratos.
  • Extrativos: Os extrativos totais aumentaram significamente no sistema fechado (atingindo o pico de 14,6% em 150CS), mas permaneceram mais próximos dos níveis da madeira não tratada no sistema aberto. Os extrativos solúveis em diclorometano (não polares) foram notavelmente mais altos nos tratamentos do sistema aberto a 210°C (5,9%).
• Cristalinidade e Estrutura: O Índice de Cristalinidade (IC) aumentou em todas as amostras modificadas, com o aumento mais pronunciado no sistema fechado (até 63,4% em 170CS). Isso está ligado à remoção das frações amorfas de hemicelulose, permitindo o rearranjo das cadeias de celulose. A análise de FTIR confirmou a redução dos grupos hidroxila (degradação da hemicelulose) e a formação de novos grupos carbonila e reorganização de metoxila.
• Higroscopicidade: Todos os tratamentos reduziram a higroscopicidade (TUE). A maior redução foi observada no sistema aberto a 210°C (TUE 3,8%, EEU 61,8%). Curiosamente, para tratamentos com PMC semelhante (160CS e 210OS), o sistema aberto resultou em TUE significativamente menor (aproximadamente 50% menor). O estudo sugere que, embora o sistema fechado degrade mais hemicelulose, a retenção de extrativos polares higroscópicos (solúveis em acetona) no sistema fechado pode compensar parcialmente a redução na sorção de água em comparação com os sistemas abertos, onde os extrativos não polares predominam.

Significância e Alegações
O artigo alega que o ambiente de modificação térmica (fechado vs. aberto) altera fundamentalmente a via química de degradação da madeira, mesmo quando as temperaturas finais ou as perdas de massa são comparáveis.

1. Especificidade do Sistema: O sistema fechado promove uma degradação mais rápida em temperaturas mais baixas devido à alta umidade e pressão, levando a uma maior PMC e maior retenção de extrativos polares. Por outro vez, o sistema aberto favorece a formação de extrativos não polares e alcança menor higroscopicidade para perdas de massa equivalentes.
2. Compromissos Químicos (Trade-offs): Embora os sistemas fechados degradem mais a hemicelulose e aumentem a cristalinidade, a retenção de extrativos higroscópicos neste sistema pode resultar em um maior teor de umidade de equilíbrio em comparação com os tratamentos de sistema aberto com níveis de degradação semelhantes.
3. Viabilidade da Madeira Juvenil: O estudo confirma que a modificação térmica é um método eficaz para melhorar a estabilidade dimensional e reduzir a higroscopicidade da madeira juvenil de E. grandis, tornando-a uma estratégia viável para a utilização de madeira de rotação curta em aplicações que exigem maior durabilidade.

Os autores concluem que a seleção do processo deve ser guiada pelo equilíbrio desejado entre perda de massa, retenção química e desempenho higroscópico final, observando que o sistema fechado é mais eficiente energeticamente para atingir níveis específicos de degradação, mas pode gerar perfis químicos diferentes do sistema aberto.