Formação e controle da mancha marrom em madeira serrada de Pinus elliottii Engelm Var. elliotti

Abstract

A mancha marrom tem-se constituído em séria limitação para a secagem da madeira serrada de Pinus elliottii var. elliottii sob altas temperaturas. É produzida por alterações químicas que ocorrem com os extrativos solúveis em água, que são transportados pela água capilar e depositados próximo à superfície da madeira, na medida que a água se evapora. A única alternativa disponível para seu controle, no momento, é a utilização de baixas temperaturas até a madeira atingir cerca de 30% de umidade. A partir desse instante, até a umidade final desejada, podem-se usar altas temperaturas. O emprego dessa alternativa, no entanto, implica em tempo de secagem muito longo e em maior consumo de energia. Este trabalho foi desenvolvido com os propósitos de compreender melhor o processo de formação da mancha marrom, através do estudo do fluxo capilar, bem como de propor alternativas de controle que viabilizem o emprego de programas de secagem sob altas temperaturas. Após o estudo do fluxo da água capilar, desenvolvido através da técnica de atenuação de raios gama, foram pesquisados alguns tratamentos químicos citados em literatura para outras espécies. O mecanismo de ação do tratamento químico no controle da mancha marrom foi estudado através da técnica de Raio X. O estudo do fluxo de água capilar revelou que a secagem inicia-se pelo lenho inicial e evolui da superfície para o interior das peças e, posteriormente, para o lenho tardio. A presença de água capilar na superfície da madeira, mesmo em estágios mais avançados do processo de secagem, explica porque as altas temperaturas só podem ser utilizadas abaixo de 30% de umidade. A imersão da madeira recém-serrada em solução aquosa de fluoreto de sódio a 1%, durante 15 segundos, mostrou-se eficiente no controle da mancha marrom; as soluções de carbonato e de borato de sódio não o foram. Enquanto a literatura atribui ao fluoreto o bloqueio da reação enzimática que desencadeia o processo de formação da mancha marrom, os resultados aqui obtidos sugerem que o mecanismo de controle é de natureza diversa, física ao invés de química: o tratamento não impede a formação das manchas, apenas determina um ligeiro recuo da linha úmida para o interior da madeira logo ao inicio da secagem, o que faz com que as mesmas se formem mais internamente. A luz dessas informações, outras alternativas foram estudadas. A imersão das amostras em soluções de cloreto de sódio e de cálcio também reduziram a ocorrência de manchas. No entanto, a alternativa mais atraente foi a secagem superficial da madeira por compressão mecânica, com resultados altamente satisfatórios e promissores. Estudos complementares e equipamento apropriado são necessários para que esta nova tecnologia possa ser transferida a nível industrial.

Brown stain has been a serious limitation to kiln drying Pinus elliottii var. elliottii lumber under high temperature. Brown stain is produced due to a chemical reaction of cell contents which are transported to the surface of the boards by capilarity and deposited as a solid when the water evaporates. Up to the present stage of development the only practical alternative found to prevent brown stain is to dry down to 30% moisture content using a low temperature schedule. Further drying can be conducted at higher temperatures without causing brown stain. As a result of the utilization of this schedule drying times are much longer and also energy consumption is higher. This research was developed in order to obtain a more comprehensive understanding about the staining process through the study of free water flow and to allow the use of high temperature drying schedules by preventing brown stain. After the study of free water flow by using gamma ray technique, some chemical treatments were tried. The method according to which the treatment prevents staining was further investigated by X-ray technique. The results indicated that drying started in the earlywood layers where moisture content was gradually reduced from the surface to the center of the sample. In a later stage, drying proceeded from springwood towards latewood layers. Even in an advanced stage free water was present at layers very close to the surface. For this reason drying temperature can only be increased when almost all free water has been evaporated. Dipping freshly cut timber for fifteen minutes in water solution of sodium fluoride at 1% was the best treatment to prevent brown stain. Sodium carbonate and sodium borate solutions were also tried without success. The way according to which sodium fluoride treatment works in brown stain control seems to be quite different from that reported in the literature. It seems to be a physical phenomena rather than a chemical one. The utilization of X-ray showed that free water line receded to inner portions of the treated samples in an earlier stage of drying and this seems to be the reason associated to the fact that stain was almost absent in layers close to the surface. Neverthless, changes in colour of the treated material appeared in deeper portions of the boards. According to these results, new alternatives were tried. Dipping freshly cut samples in sodium and calcium chloride also reduced staining. However, drying wood surface by means of mechanic compression was the most attractive way to prevent brown stain. Additional efforts related to equipment and process must be done before this new technology is made available for industrial use.

RESUMO A mancha marrom tem-se constituído em séria limitação para a secagem da madeira serrada de Pínus ellíottlí var. elliottii sob altas temperaturas, fí produzida por alterações químicas que ocorrem com os extrativos solúveis em água, que são transportados pela água capilar e depositados próximo à superfície da madeira, na medida que a água se evapora. A única alternativa disponível para seu controle, no momento, é a utilização de baixas temperaturas até a madeira atingir cerca de 30% de umidade. A partir desse instante, até a umidade final desejada, podem-se usar altas temperaturas. 0 emprego dessa alternativa, no entanto, implica em tempo de secagem muito longo e em maior consumo de energia. Este trabalho foi desenvolvido com os propósitos de compreender melhor o processo de formação da mancha marrom, através do estudo do fluxo capilar, bem como de propor alternativas de controle que viabilizem o emprego de programas de secagem sob altas temperaturas. Após o estudo do fluxo da água capilar, desenvolvido através da técnica de atenuação de raios gama, foram pesquisados alguns tratamentos químicos citados em literatura para outras espécies. 0 mecanismo de ação do tratamento químico no controle da mancha marrom foi estudado através da técnica de Raio X. 0 estudo do fluxo de água capilar revelou que a secagem inicia-se pelo lenho inicial e evolui da superfície para o interior das peças e, posteriormente, para o lenho tardio. A presença de água capilar na superfície da madeira, mesmo em estágios mais avançados do processo de secagem, explica porque as altas temperaturas só podem ser utilizadas abaixo de 30% de umidade. A imersão da madeira recém-serrada em solução aquosa de fluoreto de sódio a 1%, durante 15 segundos, mostrou-se eficiente no controle da mancha marrom; as soluções de carbonato e de borato de sódio não o foram. Enquanto a literatura atribui ao fluoreto o bloqueio da reação enzimática que desencadeia o processo de formação da mancha marrom, os resultados aqui obtidos sugerem que o mecanismo de controle é de natureza diversa, física ao invés de química: o tratamento não impede a formação das manchas, apenas determina um ligeiro recuo da linha úmida para o interior da madeira logo ao início da secagem, o que faz com que as mesmas se formem mais internamente. A luz dessas informações, outras alternativas foram estudadas. A imersão das amostras em soluções de cloreto de sódio e de cálcio também reduziram a ocorrência de manchas. No entanto, a alternativa mais atraente foi a secagem superficial da madeira por compressão mecânica, com resultados altamente satisfatórios e promissores. Estudos complementares e equipamento apropriado são necessários para que esta nova tecnologia possa ser transferida a nível industrial.

SUMMARY Brown stain has been a serious limitation to kiln drying Pinus elliottii var. elliottii lumber under high temperature. Brown stain is produced due to a chemical reaction of cell contents which are transported to the surface of the boards by capilarity and deposited as a solid when the water evaporates. Up to the present stage of development the only practical alternative found to prevent brown stain is to dry down to 30% moisture content using a low temperature schedule. Further drying can be conducted at higher temperatures without causing brown stain. As a result of the utilization of this schedule drying times are much longer and also energy consumption is higher. This research was developed in order to obtain a more comprehensive understanding about the staining process through the study of free water flow and to allow the use of high temperature drying schedules by preventing brown stain. After the study of free water flow by using gamma ray technique, some chemical treatments were tried. The method according to which the treatment prevents staining was further investigated by X-ray technique. The results indicated that drying started in the earlywood layers where moisture content was gradually reduced from the surface to the center of the sample. In a later stage, drying proceeded from springwood towards latewood layers. Even in an advanced stage free water was present at layers very close to the surface. For this reason drying temperature can only be increased when almost all free water has been evaporated. Dipping freshly cut timber for fifteen minutes in water solution of sodium fluoride at 1% was the best treatment to prevent brown stain. Sodium carbonate and sodium borate solutions were also tried without success. The way according to which sodium fluoride treatment works in brown stain control seems to be quite different from that reported in the literature. It seems to be a physical phenomena rather than a chemical one. The utilization of Xray showed that free water line receded to inner portions of the treated samples in an earlier stage of drying and this seems to be the reason associated to the fact that stain was almost absent in layers close to the surface. Neverthless, changes in colour of the treated material appeared in deeper portions of the boards. According to these results, new alternatives were tried. Dipping freshly cut samples in sodium and calcium chloride also reduced staining. However, drying wood surface by means of mechanic compression was the most attractive way to prevent brown stain. Additional efforts related to equipment and process must be done before this new technology is made available for industrial use.

RESUMO A mancha marrom tem-se constituído em séria limitação para a secagem da madeira serrada de Pínus ellíottlí var. elliottii sob altas temperaturas, fí produzida por alterações químicas que ocorrem com os extrativos solúveis em água, que são transportados pela água capilar e depositados próximo à superfície da madeira, na medida que a água se evapora. A única alternativa disponível para seu controle, no momento, é a utilização de baixas temperaturas até a madeira atingir cerca de 30% de umidade. A partir desse instante, até a umidade final desejada, podem-se usar altas temperaturas. 0 emprego dessa alternativa, no entanto, implica em tempo de secagem muito longo e em maior consumo de energia. Este trabalho foi desenvolvido com os propósitos de compreender melhor o processo de formação da mancha marrom, através do estudo do fluxo capilar, bem como de propor alternativas de controle que viabilizem o emprego de programas de secagem sob altas temperaturas. Após o estudo do fluxo da água capilar, desenvolvido através da técnica de atenuação de raios gama, foram pesquisados alguns tratamentos químicos citados em literatura para outras espécies. 0 mecanismo de ação do tratamento químico no controle da mancha marrom foi estudado através da técnica de Raio X. 0 estudo do fluxo de água capilar revelou que a secagem inicia-se pelo lenho inicial e evolui da superfície para o interior das peças e, posteriormente, para o lenho tardio. A presença de água capilar na superfície da madeira, mesmo em estágios mais avançados do processo de secagem, explica porque as altas temperaturas só podem ser utilizadas abaixo de 30% de umidade. A imersão da madeira recém-serrada em solução aquosa de fluoreto de sódio a 1%, durante 15 segundos, mostrou-se eficiente no controle da mancha marrom; as soluções de carbonato e de borato de sódio não o foram. Enquanto a literatura atribui ao fluoreto o bloqueio da reação enzimática que desencadeia o processo de formação da mancha marrom, os resultados aqui obtidos sugerem que o mecanismo de controle é de natureza diversa, física ao invés de química: o tratamento não impede a formação das manchas, apenas determina um ligeiro recuo da linha úmida para o interior da madeira logo ao início da secagem, o que faz com que as mesmas se formem mais internamente. A luz dessas informações, outras alternativas foram estudadas. A imersão das amostras em soluções de cloreto de sódio e de cálcio também reduziram a ocorrência de manchas. No entanto, a alternativa mais atraente foi a secagem superficial da madeira por compressão mecânica, com resultados altamente satisfatórios e promissores. Estudos complementares e equipamento apropriado são necessários para que esta nova tecnologia possa ser transferida a nível industrial.

SUMMARY Brown stain has been a serious limitation to kiln drying Pinus elliottii var. elliottii lumber under high temperature. Brown stain is produced due to a chemical reaction of cell contents which are transported to the surface of the boards by capilarity and deposited as a solid when the water evaporates. Up to the present stage of development the only practical alternative found to prevent brown stain is to dry down to 30% moisture content using a low temperature schedule. Further drying can be conducted at higher temperatures without causing brown stain. As a result of the utilization of this schedule drying times are much longer and also energy consumption is higher. This research was developed in order to obtain a more comprehensive understanding about the staining process through the study of free water flow and to allow the use of high temperature drying schedules by preventing brown stain. After the study of free water flow by using gamma ray technique, some chemical treatments were tried. The method according to which the treatment prevents staining was further investigated by X-ray technique. The results indicated that drying started in the earlywood layers where moisture content was gradually reduced from the surface to the center of the sample. In a later stage, drying proceeded from springwood towards latewood layers. Even in an advanced stage free water was present at layers very close to the surface. For this reason drying temperature can only be increased when almost all free water has been evaporated. Dipping freshly cut timber for fifteen minutes in water solution of sodium fluoride at 1% was the best treatment to prevent brown stain. Sodium carbonate and sodium borate solutions were also tried without success. The way according to which sodium fluoride treatment works in brown stain control seems to be quite different from that reported in the literature. It seems to be a physical phenomena rather than a chemical one. The utilization of Xray showed that free water line receded to inner portions of the treated samples in an earlier stage of drying and this seems to be the reason associated to the fact that stain was almost absent in layers close to the surface. Neverthless, changes in colour of the treated material appeared in deeper portions of the boards. According to these results, new alternatives were