Modelagem na modificação térmica da madeira através de delineamento composto central rotacional

Orientador: Prof. Dr. Ricardo Jorge Klitzke

Coorientador: Prof. Dr. Dile Pontarolo Stremel e Prof. Dr. Jorge Luis Monteiro de Matos

Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Florestal. Defesa : Curitiba, 29/10/2020

Inclui referências: p. 138-147

Área de concentração: Tecnologia e Utilização de Produtos Florestais

Resumo: A modificação térmica da madeira melhora a estabilidade dimensional, resistência biológica e altera a cor, podendo agregar valor a esse produto. Em contrapartida, com o aumento da temperatura e tempo de exposição há um decréscimo nas propriedades mecânicas desse material. Conhecer o comportamento da madeira perante a esse tratamento é de extrema importância para aplicações cotidianas e disseminação dessa tecnologia. O delineamento composto central rotacional é uma metodologia de planejamento de experimentos que visa melhorar, facilitar e otimizar processos, utilizando uma menor quantidade de tratamentos e repetições amostrais. Quando há significância estatística nos modelos gerados por esse tipo de delineamento, é possível criar modelagens gráficas tridimensionais e curvas de nível para facilitar a visualização e aplicação dos resultados. Diante desse pressuposto, o objetivo dessa tese é aplicar a técnica de delineamento composto central rotacional e metodologia de superfície de resposta para a predição e otimização das propriedades tecnológicas da madeira de Pinus taeda, submetida a modificação térmica. Para isso, foi realizado um delineamento composto central rotacional, em cinco níveis de temperatura e tempo de exposição. Foram realizadas análises experimentais das propriedades físicas: perda de massa, teor de umidade de equilíbrio, inchamento linear e volumétrico, coeficiente de retratibilidade, coeficiente de anisotropia, taxa de absorção de água e eficiência anti-inchamento; propriedades mecânicas: flexão estática, compressão paralela as fibras e dureza Janka; e por fim, propriedades colorimétricas: parâmetros L* a*, b*,C*, h* e DeltaE. Após isso, foi realizada uma análise de regressão e análise de variância, validando estatisticamente os modelos, criando superfícies tridimensionais, curvas de nível, e quando possível e necessário, foram encontrados os pontos otimizados. Como resultados foi possível criar e validar modelos preditivos para as seguintes propriedades: perda de massa, teor de umidade de equilíbrio higroscópico, inchamento linear radial, inchamento linear tangencial, inchamento volumétrico, coeficiente de retratibilidade tangencial, coeficiente de retratibilidade volumétrico, taxa de absorção de água, eficiência anti-inchamento, massa específica aparente básica, massa específica anidra, ângulo de contato, flexão estática, compressão paralela as fibras, dureza janka e parâmetros colorimétricos. Não foi possível validar os modelos para inchamento linear longitudinal, coeficiente de retratibilidade radial, coeficiente de retratibilidade longitudinal, anisotropia de inchamento, massa específica básica e massa específica saturada. A temperatura foi a variável que teve maior influência sobre as propriedades que o tempo de exposição a modificação térmica. Foi possível encontrar os críticos para a taxa de absorção de água, massa específica básica e aparente anidra, módulo de ruptura e modulo de elasticidade da flexão estática e da compressão paralela às fibras.

Abstract: The thermal modification of the wood improves the dimensional stability, biological resistance and changes the color, being able to add value to this product. On the other hand, with the increase in temperature and exposure time there is a decrease in the mechanical properties of this material. Knowing the behavior of wood in the face of this treatment is extremely important for everyday applications and the dissemination of this technology. The central rotational composite design is an experiment planning methodology that aims to improve, facilitate and optimize processes, using a smaller number of treatments and sample repetitions. When there is statistical significance in the models generated by this type of design, it is possible to create three-dimensional graphic models and contour lines to facilitate the visualization and application of the results. Given this assumption, the objective of this dissertation is to apply the rotational central composite design technique and response surface methodology for the prediction and optimization of the technological properties of Pinus taeda wood, submitted to thermal modification. For this, a central rotational composite design was carried out, in five levels of temperature and time of exposure. Experimental analyzes of physical properties were performed: loss of mass, equilibrium moisture content, linear and volumetric swelling, retractability coefficient, anisotropy coefficient, water absorption rate and anti-swelling efficiency; mechanical properties: static bending, compression parallel to the fibers and janka hardness; and finally, colorimetric properties: parameters L * a *, b *, C *, h * and DeltaE. After that, a regression analysis and analysis of variance was performed, statistically validating the models, creating three-dimensional surfaces, contour lines, and when possible and necessary, the optimized points were found. As a result, it was possible to create and validate predictive models for the following properties: mass loss, hygroscopic equilibrium moisture content, radial linear swelling, tangential linear swelling, volumetric swelling coefficient, tangential retractability coefficient, volumetric retractability coefficient, absorption rate of water, anti-swelling efficiency, apparent specific gravity, anhydrous specific gravity, contact angle, static bending, fiber parallel compression, janka hardness and colorimetric parameters. It was not possible to validate the models for longitudinal linear swelling, radial retractability coefficient, longitudinal retractability coefficient, anisotropy coefficient, basic apparent specific gravity and saturated specific gravity. The temperature had a greater influence on the properties than the exposure time. It was possible to find the critics for the water absorption rate, basic and apparent anhydride density, rupture modulus and elastic modulus of static flexion and compression parallel to the fibers.