Avaliação da Degradação Não-Isotérmica de Madeira Através de Termogravimetria-TGA
Nonisothermal Degradation of Wood Using Thermogravimetric Measurements
Bianchi, Otávio; Castel, Charles Dal; Oliveira, Ricardo V. B. de; Bertuoli, Paula T.; Hillig, Everton
http://dx.doi.org/10.1590/S0104-14282010005000060
Polímeros: Ciência e Tecnologia, vol.20, n5, p.395-400, 2010
Resumo
O conhecimento da estabilidade térmica da madeira e materiais celulósicos é um importante fator na utilização destes materiais de fontes naturais como carga de reforço em matrizes poliméricas. Entretanto, estes materiais possuem baixa resistência à degradação térmica causado principalmente pela presença de espécies voláteis que entram em ignição em baixas temperaturas. Características dessa natureza contribuem significativamente na limitação do uso de tais materiais como cargas de reforços em situações que exigem temperaturas mais elevadas. Neste trabalho é avaliada a degradação térmica de duas espécies de madeira, em atmosfera de nitrogênio, por meio de medidas termogravimétricas. Os parâmetros cinéticos de decomposição térmica foram estimados com o método proposto por Flynn-Wall-Ozawa (FWO). A Garapeira apresentou energia de ativação menor nas frações reação até 0,4. Na fração de reação de 0,9 foi observada a maior diferença de energia de ativação entre as espécies de madeira. O mecanismo de reação para duas espécies é basicamente controlado por difusão (Dn) até a fração de reação de 0,8, sendo que após segue cinética de terceira ordem (F3).
Palavras-chave
Madeira, degradação térmica, energia de ativação, reação no estado sólido
Abstract
The thermal stability of wood and cellulosic materials is an important factor for applications of these natural renewable materials as fillers for reinforcing polymeric matrices. However, these materials have low thermal stability caused mainly by species that ignite at low temperatures. These characteristics contribute significantly to limit their use in situations where higher temperatures are required. In this work, the thermal degradation of two kinds of wood (Pinus and Garapeira) was evaluated using thermogravimetric measurements under nitrogen atmosphere. The parameters of thermal decomposition kinetics were estimated using the Flynn-Wall-Ozawa (FWO) method. The Garapeira wood showed lower activation energy at reaction degrees below 0.5, probably due to the presence of volatiles compounds, such as oil and wax. The Pinus wood had different characteristics in the initial reaction degree (up to 0.4). After this point, however, Garapeira becomes more stable than Pinus due to the formation of more thermally stable species and because of the higher amount of lignin. Besides, the thermal degradation processes of both woods were found to be mainly controlled by diffusion (Dn) of volatile species at reaction degrees up to 0.8, achieving a third order (F3) mechanism afterwards.
Keywords
Wood, thermal degradation, activation energy, solid state reaction
References
1. Correa, C. A.; Fonseca, C. N. P.; Neves, S., Razzino, C. A. & Hage Jr.,
E. - Polímeros, 13, p.154 (2003).
2. Shebani, A. N.; van Reenen, A. J. & Meincken, M. - Thermochim. Acta, 471, p.43 (2008).
3. Shebani, A. N.; van Reenen, A. J. & Meincken, M.- Thermochim. Acta, 481, p.52 (2009).
4. Albano, C.; González, J.; Ichazo, M. & Kaiser, D. - Polym. Degrad. Stabil., 66, p.179 (1999).
5. Nachtigall, S. M. B.; Graziela, S., Cerveira, G. S. & Rosa, S. M. L. - Polym. Test., 26, p.619 (2007).
6. Le van S. L. - “Thermal degradation”, in: Concise Encyclopedia of Wood & Wood-Based Materials, Schniewin, D. & Arno, P. (ed), Pergamon Press, Oxford (1992).
7. Gao, M.; Sun, C. & Zhu, K. - J. Therm. Anal. Calorim., 75, p.221 (2004).
8. White, R. H. & Dietenberger, M. A. - “Wood products: thermal degradation and fire”, in: Encyclopedia of materials: science and technology, Buschow, K. H. J.; Cahn, R. W.; Flemings, M. C.; Ilschner, B.; Kramer, E. J. & Mahajan, S. (ed.), Elsevier Science, Amsterdam (2001).
9. Zattera, A. J.; Bianchi, O.; Zeni, M. & Ferreira, C. A. - Polímeros, 15, p.73 (2005).
10. Hatakeyama, T. & Quinn, F. X.- “Thermal Analysis, Fundamentals and Applications to Polymer Science”, Wiley, West Sussex, 1999.
11. Flynn, J. H. & Wall, L. A.- J. Res. Natl. Bur. Stand., 70A, p.487 (1966).
12. Ozawa, T-J. - Therm. Anal. Calorim., 2, p.301 (1970).
13. Bianchi, O.; Oliveira, R. V. B.; Fiorio, R.; Martins, J. De N.; Zattera, A. J. & Canto, L. B. - Polym. Test., 27, p.722 (2008).
14. Pérez-Maqueda, L. A.; Criado, J. M.; Gotor, F. J. & Málek, J. - J. Phys. Chem. A, 106, p.2862 (2002).
15. Criado, J. M.; Pérez-Maqueda, L. A.; Gotor, F. J.; Málek, J. & Koga, N. - J. Therm. Anal. Calorim., 72, p.901 (2003).
16. Pérez-Maqueda, L. A.; Criado, J. M. & Sánchez-Jiménez, P. E.- J. Phys. Chem. A, 110, p.12456 (2006).
17. Gomide, R. - “Operações unitárias - 1º volume: operações com sistemas sólidos granulares”, Fca, São Paulo (1993).
18. TAPPI TEST METHOD T222 om-02- “Acid-insoluble lignin in wood and pulp”. in: Tappi Test Methods, Tappi Press, Atlanta (2002).
19. Wu, Y. & Dollimore, D. - Thermochim. Acta, 324, p.49 (1998).
20. Morais, S. A. L.; Nascimento, E. A. & Melo, D. C. – Rev. Árvore, 29, p.461 (2005).
21. Fukushima, R. S. & Hatfild, R. D. - J. Agric. Food Chem., 49, p.3133 (2001).
22. Yeh, T. F.; Chang, H. M. & Kadla, J. F. - J. Agric. Food Chem., 52, p.1435 (2004).
23. Qingfeng, L.; Chunxiang, L.; Yonggang, Y.; Fu, H. & Licheng, L.-J. - Mol. Struct., 733, p.193 (2005).
24. Ming, G.; Biaocan, L.; Shou Sheng, Y. & Min, Z.-J. Anal. Appl. Pyrolysis., 73, p.151 (2005).
25. Beall, F. C. & Eickner, H. W. - U.S.D.A. For. Serv. Res. Pap. FPL, 130, p.1 (1970).
26. Bianchi, O.; Fiorio, R.; Martins, J. De N.; Zattera, A. J.; Schuracchio, C. H. & Canto, L. B. - J. Elastom. Plast., 41, p.175 (2009).
27. Régnier, N. & Fontaine, S. - Therm. Anal. Calorim, 64, p.789 (2001).
28. House, J. E. - “Principles of Chemical Kinetics”, 2nd ed., Elsevier, Oxford (2007).
29. Kissinger, H. E. - J. Res. Natl. Bur. Stand., 57, p.217 (1956).
30. Coats, A. W. & Redfern, J. P. - Nature, 201, p.68 (1964).
31. Friedman, H. L. - J. Polym. Sci.: Part C, 6, p.183 (1964).
32. Freeman, E. S. & Carroll, B. - J. Phys. Chem., 62, p.394 (1958).
33. Vyazovkin, S. - J. Therm. Anal. Calorim., 49, p.1493 (1997).
34. Doyle, C. D. - Nature, 207, p.290 (1965).
35. Janssens, M. L. - Fire Mater., 28, p.199 (2004).
36. Leroya, V.; Cancellieri, D.; Leoni, E. & Rossi, J. L. - Thermochim. Acta, 497, p.1 (2010).
37. Paterson, W. L. - J. Comput. Phys., 7, p.187 (1971).
38. Pérez-Maqueda, L. A. & Criado, J. M. - J. Therm. Anal. Calorim., 60, p.909 (2000).
39. Tiptipakorn, S.; Damrongsakkul, S.; Ando, S.; Hemvichian, K. & Rimdusit, S. - Polym. Degrad. Stabil., 92, p.1265 (2007).
40. Huadong, W.; Jie, Y.; Shengru, L.; Xiaojun, W.; Zheng, Y. & Guangxian, L. - Polym. Degrad. Stabil., 83, p.229 (2004).
41. Yinghong, C. & Qi, W. - Polym. Degrad. Stabil., 92, p.280 (2007).
2. Shebani, A. N.; van Reenen, A. J. & Meincken, M. - Thermochim. Acta, 471, p.43 (2008).
3. Shebani, A. N.; van Reenen, A. J. & Meincken, M.- Thermochim. Acta, 481, p.52 (2009).
4. Albano, C.; González, J.; Ichazo, M. & Kaiser, D. - Polym. Degrad. Stabil., 66, p.179 (1999).
5. Nachtigall, S. M. B.; Graziela, S., Cerveira, G. S. & Rosa, S. M. L. - Polym. Test., 26, p.619 (2007).
6. Le van S. L. - “Thermal degradation”, in: Concise Encyclopedia of Wood & Wood-Based Materials, Schniewin, D. & Arno, P. (ed), Pergamon Press, Oxford (1992).
7. Gao, M.; Sun, C. & Zhu, K. - J. Therm. Anal. Calorim., 75, p.221 (2004).
8. White, R. H. & Dietenberger, M. A. - “Wood products: thermal degradation and fire”, in: Encyclopedia of materials: science and technology, Buschow, K. H. J.; Cahn, R. W.; Flemings, M. C.; Ilschner, B.; Kramer, E. J. & Mahajan, S. (ed.), Elsevier Science, Amsterdam (2001).
9. Zattera, A. J.; Bianchi, O.; Zeni, M. & Ferreira, C. A. - Polímeros, 15, p.73 (2005).
10. Hatakeyama, T. & Quinn, F. X.- “Thermal Analysis, Fundamentals and Applications to Polymer Science”, Wiley, West Sussex, 1999.
11. Flynn, J. H. & Wall, L. A.- J. Res. Natl. Bur. Stand., 70A, p.487 (1966).
12. Ozawa, T-J. - Therm. Anal. Calorim., 2, p.301 (1970).
13. Bianchi, O.; Oliveira, R. V. B.; Fiorio, R.; Martins, J. De N.; Zattera, A. J. & Canto, L. B. - Polym. Test., 27, p.722 (2008).
14. Pérez-Maqueda, L. A.; Criado, J. M.; Gotor, F. J. & Málek, J. - J. Phys. Chem. A, 106, p.2862 (2002).
15. Criado, J. M.; Pérez-Maqueda, L. A.; Gotor, F. J.; Málek, J. & Koga, N. - J. Therm. Anal. Calorim., 72, p.901 (2003).
16. Pérez-Maqueda, L. A.; Criado, J. M. & Sánchez-Jiménez, P. E.- J. Phys. Chem. A, 110, p.12456 (2006).
17. Gomide, R. - “Operações unitárias - 1º volume: operações com sistemas sólidos granulares”, Fca, São Paulo (1993).
18. TAPPI TEST METHOD T222 om-02- “Acid-insoluble lignin in wood and pulp”. in: Tappi Test Methods, Tappi Press, Atlanta (2002).
19. Wu, Y. & Dollimore, D. - Thermochim. Acta, 324, p.49 (1998).
20. Morais, S. A. L.; Nascimento, E. A. & Melo, D. C. – Rev. Árvore, 29, p.461 (2005).
21. Fukushima, R. S. & Hatfild, R. D. - J. Agric. Food Chem., 49, p.3133 (2001).
22. Yeh, T. F.; Chang, H. M. & Kadla, J. F. - J. Agric. Food Chem., 52, p.1435 (2004).
23. Qingfeng, L.; Chunxiang, L.; Yonggang, Y.; Fu, H. & Licheng, L.-J. - Mol. Struct., 733, p.193 (2005).
24. Ming, G.; Biaocan, L.; Shou Sheng, Y. & Min, Z.-J. Anal. Appl. Pyrolysis., 73, p.151 (2005).
25. Beall, F. C. & Eickner, H. W. - U.S.D.A. For. Serv. Res. Pap. FPL, 130, p.1 (1970).
26. Bianchi, O.; Fiorio, R.; Martins, J. De N.; Zattera, A. J.; Schuracchio, C. H. & Canto, L. B. - J. Elastom. Plast., 41, p.175 (2009).
27. Régnier, N. & Fontaine, S. - Therm. Anal. Calorim, 64, p.789 (2001).
28. House, J. E. - “Principles of Chemical Kinetics”, 2nd ed., Elsevier, Oxford (2007).
29. Kissinger, H. E. - J. Res. Natl. Bur. Stand., 57, p.217 (1956).
30. Coats, A. W. & Redfern, J. P. - Nature, 201, p.68 (1964).
31. Friedman, H. L. - J. Polym. Sci.: Part C, 6, p.183 (1964).
32. Freeman, E. S. & Carroll, B. - J. Phys. Chem., 62, p.394 (1958).
33. Vyazovkin, S. - J. Therm. Anal. Calorim., 49, p.1493 (1997).
34. Doyle, C. D. - Nature, 207, p.290 (1965).
35. Janssens, M. L. - Fire Mater., 28, p.199 (2004).
36. Leroya, V.; Cancellieri, D.; Leoni, E. & Rossi, J. L. - Thermochim. Acta, 497, p.1 (2010).
37. Paterson, W. L. - J. Comput. Phys., 7, p.187 (1971).
38. Pérez-Maqueda, L. A. & Criado, J. M. - J. Therm. Anal. Calorim., 60, p.909 (2000).
39. Tiptipakorn, S.; Damrongsakkul, S.; Ando, S.; Hemvichian, K. & Rimdusit, S. - Polym. Degrad. Stabil., 92, p.1265 (2007).
40. Huadong, W.; Jie, Y.; Shengru, L.; Xiaojun, W.; Zheng, Y. & Guangxian, L. - Polym. Degrad. Stabil., 83, p.229 (2004).
41. Yinghong, C. & Qi, W. - Polym. Degrad. Stabil., 92, p.280 (2007).
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