Apostila de Qu ¡mica da Madeira

Apostila de Qu ¡mica da Madeira

(Parte 1 de 10)

(3ª. Edição revisada)

Umberto Klock Eng. Florestal, Dr., Prof. Adjunto

Graciela Inez Bolzon de Muñiz Eng. Florestal, Dr. Prof. Titular

José Anzaldo Hernandez Eng. Químico – Doutorando CPGEF/UFPR

Alan Sulato de Andrade Eng. Industrial Madeireiro - Doutorando CPGEF/UFPR

Curitiba 2005

A Composição Química da Madeira é essencial para o entendimento do comportamento deste material ou compósito natural que é objeto da Engenharia Industrial Madeireira e da Engenharia Florestal.

Este manual didático foi desenvolvido para servir de apoio aos estudantes da Disciplina de Química da Madeira ofertada pelo Departamento de Engenharia e Tecnologia Florestal – Setor de Ciências Agrárias – da Universidade Federal do Paraná bem como a outras disciplinas relacionadas e a todos interessados no conhecimento do assunto.

Ao CNPq – Conselho Nacional de Desenvovimento Científico e Tecnológico por concessão de bolsas de produtividade e de estudos aos autores.

Aos estudantes interessados em aprofundar seus conhecimentos em relação a madeira.

APRESENTAÇÃO 01 AGRADECIMENTOS 02 1. INTRODUÇÃO 03 2. ESTRUTURA E ULTRAESTRUTURA DA PAREDE CELULAR 04 2.1 Aspectos anatômicos 05 2.1.1 Coníferas 06 2.1.2 Folhosas 09 2.1.3 - Tecidos de Reação 1 2.1.4. Elementos funcionais do sistema de condução 13 2.1.5 Tiloses 15 2.1.6 Cerne e alburno 15 2.2. Ultraestrutura da parede celular 17 3. COMPOSIÇÃO QUÍMICA DA MADEIRA 20 3.1. Componentes químicos 20 3.2 Substâncias macromoleculares 21 3.2.1 Celulose 2 3.2.2. Polioses (hemiceluloses) 2 3.2.3. Lignina 2 3.2.4. Substâncias Poliméricas Secundárias 2 3.2.5. Substâncias de Baixo Peso Molecular 2 4. ANÁLISE QUÍMICA DA MADEIRA 24 4.1. Problemas da Análise 24 4.2. Amostragem e preparação da amostra. 25 4.3. Determinação da Umidade da Madeira. 26 4.4. Extrativos 28 4.5. Material inorgânico 29 4.6 Métodos de deslignificação 29 4.7. Isolamento e determinação da celulose 30 4.8 Isolamento e determinação de polioses 31 4.9. Isolamento e determinação da lignina 31 5. REAÇÕES QUÍMICAS DA MADEIRA 3 5.1. Ação de substâncias químicas 3 6. CELULOSE 39 6.1. Conceito 41 6.2 Fontes de celulose 42 6.3. Estrutura da celulose 42 6.4 Histerese 46 6.5. Reações Químicas da Celulose 47 7. POLIOSES (HEMICELULOSES) 57 7.1 Conceito: 58 7.2. Tipos de Polioses: 59 7.3. Diferenças entre Celulose e Polioses: 61 7.4. Reatividade das Polioses 61 7.5. Importância das polioses 61

8. LIGNINA DA MADEIRA 62 8.1 Introdução 62 8.2 Conceito 64 8.3 Estrutura química 64 8.3.1 Composição elementar 64 8.3.2 Base estrutural 65 8.3.3 Grupos funcionais 65 8.4. Propriedades da lignina 67 8.4.1. Massa molecular 67 8.4.2. Comportamento coloidal 67 8.4.3. Transição vítrea 67 8.5 Funções da lignina na planta 68 8.6 Principais reações químicas da lignina 69 9. COMPONENTES ACIDENTAIS DA MADEIRA 71 9.1. Definições 71 9.2 . Extrativos da madeira 72 9.2.1. Extrativos voláteis com vapor d’água 73 9.2.2. Extrativos solúveis em solventes orgânicos 73 9.2.3. Extrativos solúveis em água 74 9.2.4. Terpenos e terpenóides 74 9.2.5 Compostos alifáticos (graxas e ceras) 76 9.2.6. Compostos fenólicos 76 9.3 Formação e função dos extrativos 78 9.4 Localização dos extrativos 79 9.4.1 Extrativos da madeira de coníferas 79 9.4.2 Extrativos de madeiras de folhosas 80 10. COMPOSTOS INORGÂNICOS E SUBSTÂNCIAS PECTICAS 80 1 . BIBLIOGRAFIA CONSULTADA e RECOMENDADA 81

1. INTRODUÇÃO

Dentre os materiais de origem biológica, a madeira é sem dúvida o mais conhecido e utilizado, o lenho de uma árvore contém grande quantidade de substâncias que são utilizadas como matérias primas em quase todos os campos da tecnologia.

Por ser a madeira um material de origem natural, servindo para fortalecer troncos, ramos e raízes de árvores e outras plantas, retorna ao ciclo natural após ter cumprido sua função, sendo degradada a seus elementos básicos. Isto explica o porque de tão poucas evidências da utilização ancestral da madeira tenha sobrevivido, embora algumas pontas de lanças e flechas, utensílios e ferramentas de até 300.0 anos tenham sido preservados sob condições excepcionais de clima e sítio.

Durante os períodos pré-históricos e históricos, a madeira não foi somente utilizada como material de construção, mas progressivamente também como importante matéria-prima química para a produção de carvão (usado na fusão de ferro), alcatrão e piche (utilizados para preservação e selamento de cascos de embarcações) e, cinzas utilizadas na produção de vidros e agentes branqueadores de linho e tecidos de algodão.

Porém, de outro ponto de vista, a madeira é uma matéria-prima moderna. Madeiras maciças utilizadas para móveis e revestimentos atestam sua utilidade e beleza. Mesmo nas formas convertidas como painéis compensados, aglomerados e fibras, além de outros produtos, mostram-na como um valioso material de construção. Também como matéria-prima mais importante na produção de papel, além de inúmeros produtos oriundos de sua transformação química, conjuntamente com sua condição de matéria-prima renovável, tornam-a um bem de inigualável valor para a humanidade.

Desta forma, o conhecimento aprofundado da madeira torna-se indispensável para sua utilização racional e efetiva nas necessidades da sociedade humana.

2. ESTRUTURA E ULTRAESTRUTURA DA PAREDE CELULAR

A madeira é um material heterogêneo, sendo sua variabilidade estrutural e química refletida numa ampla gama de propriedades físicas, tais como: densidade permeabilidade; comportamento quanto à capilaridade; condutividade térmica; difusão da água de impregnação, entre outras.

O arranjo de seus componentes físicos (macroscópicos, microscópicos, ultramicroscópicos) e químicos definem a estrutura lenhosa como uma engenhosa organização arquitetônica da madeira. A Figura 1 mostra os principais aspectos macroscópicos da madeira.

A madeira é um material composto de células produzidas por uma árvore viva para suportar a copa, conduzir água e nutrientes dissolvidos do solo à copa, armazenar materiais de reserva (principalmente carboidratos). A madeira é um tecido complexo devido a sua formação por diferentes tipos de células, as quais desempenham diferentes funções.

A madeira, que é o xilema secundário, e a casca interna, floema secundário, são produzidos por uma camada de composta por apenas uma célula de espessura que é denominado câmbio vascular, cuja localização se encontra entre a madeira e a casca.

As células do câmbio são vivas e capazes de se dividirem repetidas vezes.

FIGURA 1 – Aspectos macroscópicos da madeira em uma secção transversal do tronco de uma árvore. (Adaptado de CONTRERAS, 2002).

Podemos assim concluir que a madeira é um material extremamente complexo, poroso e com características diferentes nos seus três sentidos de crescimento. Ela é formada através das reações da fotossíntese onde a água e os sais minerais que estão no solo ascendem pelo tronco no xilema ativo (responsável pela translocação da seiva bruta) que ao chegar as folhas (estruturas clorofiladas), possibilita a ocorrência da fotossíntese na presença da luz solar, utilizando o CO2 que esta presente na atmosfera, produzindo glucose (C6H1206) e liberando oxigênio. A equação simplificada que rege este fenômeno é: 6CO2 +

6H2O ⇒ C6H1206 + 6O2. A glucose é o monômero básico a partir do qual são originados todos os polímeros que formam a madeira, a partir daí será transportada das folhas das árvores no sentido descendente pelas células do floema (responsável pela condução de seiva elaborada).

2.1 Aspectos anatômicos

Do ponto de vista anatômico, a madeira é um tecido perene que resulta do crescimento secundário do tronco, ramos e raízes de árvores e arbustos.

A observação da madeira a olho nú, permite-nos distinguir não somente diferenças entre as madeiras de coníferas e folhosas e entre várias espécies, mas também diferenças dentro de uma amostra, tais como anéis anuais de crescimento, lenho inicial (primaveril) e tardio ( outonal), o arranjo dos poros em folhosas, cerne e alburno, etc. como exemplifica a Figura 2.

Todos estes fenômenos são o resultado do desenvolvimento e crescimento do tecido madeira.

Este tecido é constituído de tal forma a suprir as necessidades naturais da árvore, e consiste consequentemente em células de sustentação mecânica, condução, armazenamento e de secreção, como apresentado no Quadro 1.

O sentido e arranjo das células podem ser reconhecidos nas seções dos três principais planos de corte utilizados na caracterização anatômica da madeira : • Transversal

• Tangencial, e

A Conífera B Folhosa

FIGURA 2 – Exemplo de aspectos macroscópicos da madeira de conífera, anéis anuais de crescimento e da madeira de folhosa, textura desuniforme com porosidade em anéis. (Laboratório de Química da Madeira, UFPR. 2000).

Madeira/funçãoMecânica Condução Armazenagem Secreção

QUADRO 1. Principais funções dos vários tipos de células da madeira

Traqueóides do lenho tardio

Traqueóides de lenho inicial

Traqueóides radiais

Parêquima radial e longitudinal.

Células epiteliais (canais resiníferos)

Fibras libriformes

Fibrotraqueóides

Vasos

Traqueóides vasculares

Parênquima radial e longitudinal.

Células epiteliais (canais gomíferos)

2.1.1 Coníferas

As madeiras de coníferas apresentam uma estrutura relativamente simples, constituída de 90 a 95% de traqueóides ou traqueídes axiais, os quais são células compridas e delgadas, com extremidades fechadas mais ou menos afiladas, de acordo com a espécie.

Os traqueóides são arranjados em filas radiais, com sua extensão longitudinal orientada na direção do eixo axial do tronco.

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