Avaliação da estabilidade térmica e da cinética de degradação da madeira através da caracterização de seus componentes

Abstract

Neste trabalho, as relações entre os componentes da madeira, cristalinidade da celulose, influência do teor de extrativos na degradação térmica da madeira, correlação entre a composição química e as propriedades físicas de quatro espécies de madeira foram investigadas através de análises químicas, espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), difração de raios-X e termogravimetria. A influência dos componentes da madeira e da cristalinidade da celulose na degradação térmica da madeira foi também investigada utilizando os métodos de Flynn-Wall-Ozawa e Criado. As espécies estudadas foram Pinus elliottii (PIE), Eucalyptus grandis (EUG), Mezilaurus itauba (ITA) e Dipteryx odorata (DIP). As análises químicas mostraram que as espécies DIP e ITA contêm uma quantidade maior de extrativos associadas a menores quantidades de holocelulose e lignina que as espécies PIE e EUG. A espectroscopia no infravermelho demonstrou que a maior quantidade de extrativos na espécie ITA pode estar associada a bandas mais intensas em 2920, 2850 e 1510 cm-1. Os resultados das análises termogravimétricas demonstraram que elevadas quantidades de extrativos associadas com baixa cristalinidade e menor tamanho de cristalito da celulose podem acelerar o processo de degradação e reduzir a estabilidade térmica da madeira. Por outro lado, os resultados indicaram que a cristalinidade da celulose inibe a degradação da madeira, uma vez que as regiões de celulose organizada retardam o processo de degradação porque as cadeias de celulose mais organizadas impedem a difusão o que aumenta a estabilidade térmica da madeira. O método de Criado mostrou que o mecanismo de degradação da madeira ocorre por processos de difusão quando a conversão é inferior a 40%. Quando a conversão ultrapassa 50% o processo de degradação da madeira é o resultado de uma nucleação aleatória com um núcleo de degradação em cada partícula. Os resultados obtidos indicam que a cristalinidade da celulose afeta a temperatura de degradação térmica e consequentemente a cinética de degradação da madeira.

In this work, the relationship between wood components, wood cellulose crystallinity, influence of extractives on wood thermal degradation, correlation between chemical composition, and physical properties of four wood species were investigated by chemical analysis, Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy, X-ray diffraction, and thermogravimetry. In addition, the influences of wood components and cellulose crystallinity on the wood kinetic degradation were also investigated by using Flynn-Wall-Ozawa and Criado methods. The species studied were Pinus elliottii (PIE), Eucalyptus grandis (EUG), Mezilaurus itauba (ITA) and Dipteryx odorata (DIP). The chemical analysis showed that DIP and ITA contain a higher quantity of extractives and lower quantities of holocellulose and lignin than PIE and EUG. FTIR spectroscopy demonstrated that higher extractives content in ITA might be associated with more intense bands at 2920, 2850 and 1510 cm-1. The thermogravimetric results demonstrated that higher extractives content associated with lower crystallinity and lower cellulose crystallite size can accelerate the degradation process and reduce wood thermal stability. On the other hand, the results indicated that cellulose crystallinity inhibits wood degradation, since organized cellulose regions slow the degradation process because the well-packed cellulose chains impede diffusion, which improves the wood’s thermal stability. The Criado method showed that the wood degradation mechanism occurs by diffusion processes when the conversion values are below 40%. When the conversion values are above 50% the degradation of wood is a result of random nucleation with one nucleus in each particle. The obtained results indicated that the cellulose crystallinity affects the thermal degradation temperature and consequently the degradation kinetics of wood.