Prehydrolysis and thermomechanical densification of pine timber

Densificação termomecânica é uma alternativa de tratamento para agregar valor às madeiras utilizadas como materiais construtivos de alta performance estrutural. O método consiste em submetê-las à prensagem a quente, no sentido perpendicular às fibras e na condição úmida, a fim de se obter materiais mais densos, homogêneos e de maior resistência mecânica, especialmente para a dureza superficial. A densificação pode ser precedida por tratamentos de pré-hidrólise, que tornam a estrutura lenhosa mais maleável à prensagem, maximizando-se a resistência e estabilidade do produto final. O objetivo deste estudo foi avaliar a densificação da madeira de pinus previamente submetida a diferentes condições de pré-hidrólise, divididas em três experimentos independentes. No primeiro, avaliou-se a densificação de madeiras submetidas aos pré-tratamentos hidrotérmicos, também denominados de auto-hidrólise, a 125, 150 e 175 °C. Observou-se que a densificação das madeiras pré-tratadas à temperatura mais elevada resultou em maior taxa de compactação, sem defeitos aparentes, coloração mais escura, menor higroscopicidade e maiores valores de densidade e resistência mecânica. A densidade aparente e a dureza Janka das madeiras densificadas deste tratamento foram, respectivamente, 81% e 128% maiores que a testemunha. No segundo experimento, avaliou-se a densificação de madeiras submetidas aos pré-tratamentos de auto-hidrólise, organossolve e alcalino a 175 °C. Observou-se que a condição alcalina favoreceu os maiores incrementos de resistência mecânica da madeira densificada, chegando ao aumento de 179% na dureza Janka em relação à testemunha. Entretanto, este pré-tratamento resultou em maior inchamento irreversível das madeiras densificadas quando imersas em água. No terceiro experimento, avaliou-se a densificação de madeiras submetidas aos pré-tratamentos com NaOH e ácido oxálico à temperatura de ebulição da água. Observou-se que o pré-tratamento ácido resultou em madeiras densificadas sem defeitos aparentes, menor higroscopicidade e maior densidade. A dureza Janka das madeiras deste tratamento foram 138% maiores que a testemunha, enquanto a estabilidade dimensional e a resistência ao cisalhamento na linha cola em condição úmida não foram significativamente alteradas. Por outro lado, os ganhos em resistência mecânica obtidos a partir da densificação das madeiras pré-tratadas com NaOH foram pouco expressivos, além de terem baixa estabilidade dimensional quando imersas em água. No geral, conclui-se que a densificação termomecânica, precedida pelo tratamento de pré-hidrólise, é uma via tecnicamente promissora para a termorretificação da madeira de pinus destinada ao uso como o material estrutural de alta performance. Palavras-chave: Hidrotérmico. Organossolve. Auto-hidrólise. Termorretificação. Material estrutural.Thermomechanical densification is a treatment alternative for adding value to timbers used as building materials of high structural performance. The method consists in subjecting them to a hot pressing, perpendicularly to grain and in wet condition, in order to obtain denser, homogeneous and higher resistant materials, especially for surface hardness. Densification may be preceded by prehydrolysis treatments, which make the woody structure more malleable to pressing, maximizing strength and stability of the final product. The aim of this study was to evaluate the densification of pine timber previously subjected to different prehydrolysis conditions, divided into three independent experiments. In the first one, the densification of timber samples subjected to hydrothermal pretreatments, also called autohydrolysis, at 125, 150 and 175 °C was evaluated. It was observed that the densification of samples pretreated at the highest temperature resulted in the greatest compaction rate, with no apparent defects, darker coloration, lower hygroscopicity and higher values of density and mechanical strength. The apparent density and Janka hardness of the densified samples of this treatment were 81% and 128% greater than the control, respectively. In the second experiment, the densification of timber samples subjected to autohydrolysis, organosolv and alkaline pretreatments at 175 ° C was evaluated. It was observed that alkaline condition resulted in the largest increases of mechanical strength for the densified samples, reaching a 179% increase in Janka hardness compared to the control. However, this pretreatment resulted in a high irreversible swelling of the densified samples when immersed in water. In the third experiment, the densification of timber samples subjected to pretreatment with NaOH and oxalic acid at the boiling water temperature was evaluated. It was observed that acid pretreatment resulted in densified samples with no apparent defects, lower hygroscopicity and higher density. The Janka hardness of these samples was 138% higher than the control, while the dimensional stability and shear strength in the wet glue line were not significantly changed. On the other hand, the increments in mechanical strength obtained from the densification of NaOH-pretreated timbers were not as great, besides having low dimensional stability when immersed in water. Overall, it is concluded that thermomechanical densification, preceded by prehydrolysis treatment, is a technically promising pathway for the thermal rectification of pine timber intended for use as a high performance structural material. Keywords: Hydrothermal. Organosolv. Autohydrolysis. Thermal Rectification. Structural Material