Introdução

A exploração comercial de madeira natural, especialmente para a construção civil, tem um impacto significativo na saúde do ecossistema global, dado o papel crucial das árvores na manutenção do equilíbrio ecológico. A monocultura de espécies comerciais, como Eucalipto e Pinus, representa uma ameaça ambiental considerável devido ao seu potencial invasor e de degradação (Resueno et al., 2018).

Simultaneamente, a poluição proveniente de resíduos plásticos é outro desafio ambiental relevante, constituindo cerca de 12% dos Resíduos Sólidos Urbanos (RSU) gerados no mundo anualmente (Kaza et al., 2018; Kieling; Pereira; Santos, 2019), totalizando aproximadamente 2,01 bilhões de toneladas. Projeções indicam um aumento para 3,40 bilhões de toneladas até 2050 (Kaza et al., 2018).

Diante dessas problemáticas, a adoção da madeira plástica em substituição à madeira natural emerge como uma estratégia significativa para enfrentar esses desafios ambientais. A madeira plástica, um material compósito formado por uma matriz polimérica e uma carga de preenchimento e/ou reforço, oferece benefícios estéticos, resistência à umidade e mofo, além de maior resistência a pragas e fungos comparativamente à madeira natural (Clemons, 2002; Cabral et al., 2016). Embora possa ser empregada em tapumes e hastes para cercas, a madeira plástica destaca-se principalmente na construção de decks (Carus et al., 2015), espaços que desempenham funções sociais, estéticas e de lazer no ambiente construído (Freda; Ferreira, 2021).

Os decks, como elementos lineares de madeira, são amplamente utilizados em espaços externos, como varandas, piscinas e jardins, oferecendo uma montagem prática diretamente sobre pisos, terra ou gramados. Embora tradicionalmente as madeiras nobres, como Ipê e Itaúba, sejam as escolhas predominantes, exigindo tratamentos específicos para mitigar os efeitos da umidade e resistir a cupins e apodrecimento (Cabral et al., 2016), outras espécies como Eucalipto, Pinus e Teca também são empregadas (Blanco-Flórez et al., 2015; Mallet; Kalyanasundaram; Evans, 2018). No entanto, devido ao considerável tempo dedicado à instalação e manutenção das madeiras naturais, incluindo tarefas como vedação, lixamento e pintura, as madeiras plásticas estão gradualmente ganhando espaço como alternativa viável na construção de decks. Além das vantagens ambientais, as propriedades da madeira plástica atendem perfeitamente aos requisitos dessas estruturas, destacando-se pela matriz polimérica que a torna superior à madeira convencional quando instalada em ambientes úmidos, além de proporcionar uma vantagem econômica expressiva em termos de custos de manutenção (Cabral et al., 2016).

Além dos benefícios mencionados, a utilização da madeira plástica contribui para a redução do consumo de madeira natural (Keskisaari; Karki, 2018), preservando as florestas e os habitats naturais, além de auxiliar na redução do acúmulo de resíduos plásticos no planeta, quando estes são utilizados como matriz. Diversas pesquisas na literatura propõem madeiras plásticas com diferentes combinações de matriz e cargas. Devido à sua baixa densidade, resistência química, custo reduzido e equilíbrio entre rigidez e tenacidade (Callister; Rethwisch, 2016), as matrizes mais empregadas na fabricação de madeira plástica são de termoplásticos, como polipropileno (PP), polietileno (PE) e policloreto de vinila (PVC), juntamente com outros polímeros recicláveis (Chun et al., 2019). Quanto às cargas, resíduos de madeira, como farinha (serragem), cascas ou cavacos, além de materiais fibrosos como fibra de coco, bambu e casca de arroz, são comumente utilizados na produção de madeira plástica (Kieling; Pereira; Santos, 2019). A utilização desses subprodutos da indústria madeireira oferece vantagens, como menor custo e maior disponibilidade em comparação com outros tipos de carga (Battistelle et al., 2014).

Exemplos de combinações propostas em pesquisas anteriores incluem PP e casca de arroz (Zaini et al., 2016), Polietileno de Alta Densidade (PEAD) e farinha de madeira (Mbarek et al., 2010), PEAD e fibra de madeira (Al-Maqdasi et al., 2020), PP e resíduos de papelão ondulado (Santos et al., 2022) e PP e farinha de madeira (Battistelle et al., 2014). Além das fibras naturais, aditivos minerais, como grafeno (Al-Maqdasi et al., 2020) e talco (Huang et al., 2013), podem ser utilizados para melhorar as propriedades mecânicas dos materiais produzidos.

Este estudo tem como objetivo avaliar a aplicabilidade de PP virgem e resíduos de beneficiamento de madeira como matérias-primas na produção de madeira plástica. Busca contribuir para o desenvolvimento de materiais sustentáveis e eficientes que minimizem os impactos ambientais e reduzam a exploração de recursos naturais. Os resultados obtidos podem subsidiar o desenvolvimento de novas tecnologias e aprimoramento de processos produtivos na área de madeira plástica.

Metodologia

Matérias-primas e caracterização da farinha de madeira

As matérias-primas empregadas na produção da madeira-plástica consistiram em Polipropileno virgem (PPv) e farinha de madeira (FM) residual, que apresentam um potencial significativo em compósitos. A incorporação de parte de material reciclados não apenas contribui para a sustentabilidade, como também resulta na economia equivalente de materiais virgens (Keskisaari; Karki, 2018).

O PPv, fornecido pela Braskem, possui índice de fluidez igual e 3,5 g/10 minutos e densidade de 0,905 g/cm³ (Braskem, 2019). A FM foi adquirida localmente, sendo uma mistura das espécies Pinus (Pinus elliotii Engelm), Orelha de Macaco (Enterolobium schomburgkii) e Paraju (Manilkara huberi). Para eliminação da umidade, a FM foi submetida a um processo de secagem em estufa a 100 °C por 24 horas, conforme indicado pela NBR 17054 (ABNT, 2022). Posteriormente, passou por uma seleção granulométrica, utilizando um conjunto de peneiras de 4,75 mm a 150 µm, sobre plataforma, com o material passante da maior peneira (4,75 mm) sendo utilizado na confecção dos corpos de prova.

Para a verificação da densidade da farinha de madeira utilizou-se o método gravimétrico com balança hidrostática, que se baseia no deslocamento da água devido à imersão da amostra (Foelkel; Brasil; Barrichelo, 1971). A partir de 5 amostras de 25 g cada, a FM foi envolta em um saco de pano juntamente com um contrapeso, para que pudesse afundar na água, e aferiu-se a seguinte sequência de valores:

1. peso do saco quando submerso em água com o auxílio do contrapeso;

2. peso ao ar do saco saturado e contrapeso;

3. peso seco em estufa do saco e contrapeso;

4. peso imerso do saco, contrapeso e farinha de madeira;

5. peso ao ar do saco, contrapeso e farinha de madeira; e

6. peso seco em estufa do saco, contrapeso e farinha de madeira.

A densidade básica foi calculada a partir da Equação 1.

Moldagem dos corpos de prova

A produção da madeira plástica envolveu diferentes formulações, utilizando 60 g de PPv e variados teores de FM (5%, 10%, 20%, e 30% da massa total), além de uma amostra de controle composta exclusivamente por PPv (Tabela 1). A limitação técnica na produção de amostras com maiores teores de FM foi reconhecida com base em estudos anteriores (Santos et al., 2022).

A confecção dos corpos de prova iniciou-se com a homogeneização termocinética em homogeneizador de alta velocidade (Drais). O material resultante foi triturado em um moinho de facas (Marconi, MA 580) com peneira de 1,75 mm. A extrusão do compósito foi realizada em uma extrusora monorrosca de laboratório (Thermo Scientific, HAAKE Polylab) operando a 175 °C, com o material extrudado sendo peletizado para obter grãos com comprimento médio de 3,70 mm.

A técnica de extrusão, conforme descrita por Gardner, Han e Wang (2015), destaca-se por sua capacidade de fundir o polímero e integrá-lo de maneira contínua com a carga, ao passo que o material é forçado através do interior de uma matriz. A eficácia inerente a essa abordagem justifica sua extensa aplicação, proporcionando não apenas a modelagem do compósito, mas também a fusão e mistura simultâneas dos materiais. Na Europa, os compósitos extrudados solidificaram sua posição como materiais preferenciais em aplicações como decks, cercas e elementos de fachada, muitas vezes ultrapassando a participação de mercado da madeira tropical em diversos países (Carus et al., 2015).

Placas do compósito foram produzidas por compressão a quente em uma prensa hidráulica com aquecimento (SL11, SOLAB), a 180 ºC e uma força de fechamento de 5 toneladas. O material foi conformado utilizando um molde metálico, resultando em placas que foram posteriormente cortadas para obtenção dos corpos de prova.

O fluxograma na Figura 1 resume os materiais e procedimentos envolvidos, enquanto a Figura 2 ilustra o aspecto do material em diferentes estágios do processo.

Avaliação das propriedades

Os ensaios de resistência à tração foram conduzidos em uma Máquina Universal de Ensaios (EMIC 23-20, Instron), seguindo a norma D638 (ASTM, 2014), a uma velocidade de 50 mm/min e temperatura ambiente (aproximadamente 23 °C). Foram realizadas seis medições para cada corpo de prova, avaliando os parâmetros de deformação, módulo de elasticidade e máxima tensão à tração.

Os ensaios de resistência à flexão, conforme norma D790 (ASTM, 2007), foram realizados na mesma Máquina Universal de Ensaios, considerando propriedades como resistência à flexão, módulo de elasticidade e deformação sob flexão. A média de quatro corpos de prova foi utilizada para análise, com uma precisão de 0,1%.

Resultados e discussões

Caracterização da farinha de madeira

O ensaio de granulometria permitiu analisar a distribuição de tamanho das partículas de FM. As porcentagens de massa passante e retida são apresentadas na Tabela 2; e em posse destes valores, foi possível a criação da curva granulométrica apresentada na Figura 4. O intervalo do peneiramento indica a presença de partículas ou fibras muito curtas. Como pode ser observado a partir da análise granulométrica, a maior parte do material (83,5%) tem granulometria entre 0,15 e 1,18 mm; distribuição que se enquadra dentro do tamanho típico das partículas utilizadas para a produção de madeira plástica: 0,18 a 2,0 mm (Clemons, 2002).

A densidade básica da FM foi avaliada utilizando o método gravimétrico, e os resultados para cinco amostras, juntamente com a densidade média do material, são apresentados na Tabela 3. A densidade média obtida, 0,261 g/cm³, revela uma significativa disparidade em relação à densidade do Polipropileno virgem (PPv), que é de 0,905 g/cm³. Essa discrepância pode suscitar desafios durante o processo de mistura, especialmente quando conduzido de forma simultânea à extrusão. A separação natural dos materiais por gravidade é uma possibilidade, resultando na segregação da mistura, com o PPv concentrando-se na parte inferior e as partículas de FM ascendendo para a porção superior do alimentador manual.

Além disso, a divergência nas densidades pode influenciar as propriedades de fluxo e escoamento dos materiais, uma vez que partículas mais densas apresentam maior inércia e resistência ao movimento em comparação com partículas menos densas. Diante desse cenário, a escolha de empregar o homogeneizador termocinético para a mistura dos materiais se mostra estratégica, assegurando uma mistura eficiente e homogênea das matérias-primas, mesmo diante das disparidades de densidade, em contraposição à extrusão.

Corpos de prova de madeira plástica

A Figura 4 apresenta os corpos de prova das amostras produzidas, após o corte das chapas moldadas, nomeados de acordo com o teor de FM incorporado ao PPv: 95PPv5FM, 90PPv10FM, 80PPv20FM e 70PPv30FM. Adicionalmente, foi confeccionada uma amostra de controle utilizando exclusivamente a resina virgem (100PPv), a qual seguiu os mesmos procedimentos aplicados às demais amostras. O aspecto visual das amostras é notavelmente similar ao da madeira natural, evocando uma memória afetiva que tem o potencial de favorecer a aceitação do produto no mercado em comparação com as madeiras naturais. A eventual adoção generalizada desse substituto no mercado poderia desempenhar um papel crucial na mitigação da monocultura de espécies, como o eucalipto, que tem impactos significativos, influenciando adversamente o fluxo hídrico de recargas dos aquíferos e exercendo efeitos prejudiciais na fertilidade do solo (Resueno et al., 2018).

Resistência à tração e flexão

Os resultados de tensão e deformação na força máxima para o ensaio de tração uniaxial são apresentados na Figura 5, enquanto os resultados de módulo de elasticidade na tração podem ser observados na Figura 6.

Fica evidente que a amostra de controle, composta de resina virgem, apresenta uma deformação significativamente maior e suporta uma tensão de tração também muito superior às amostras de madeira plástica. A adição de FM, variando de 5 a 30%, resulta em uma redução na deformação do material e de sua resistência à tração. A menor resistência (26,02 MPa) foi obtida pela amostra com maior teor de FM (70PPv30FM), sendo 18,5% menor que a resistência à tração (30,83 MPa) da amostra contendo menor teor de FM (95PPv5FM). A princípio, o comportamento dos materiais aparenta ser linear; no entanto, a amostra 80PPv20FM não apresentou o comportamento previsto, alcançando resistência máxima de 30,07 MPa, superior à resistência da amostra 90PPv10FM (29,08 MPa), mesmo esta última contendo menor teor de FM. É possível que os pellets utilizados para a moldagem desta amostra tenham composição mais heterogênea, com maior concentração de PPv em algumas regiões. De toda forma, a resistência inversamente proporcional à quantidade de carga adicionada pode estar relacionada a uma ineficiência na transmissão de esforços do PPv para a FM (Scheeren; Mählmann; Müller, 2020).

Certamente, um dos desafios preeminentes na fabricação de madeira plástica reside na adesão eficaz das fibras à matriz polimérica, muitas vezes requerendo o emprego de agentes compatibilizantes na composição para facilitar essa união. No entanto, os resultados indicam que é possível produzir compósitos contendo até 30% de FM sem a necessidade de aglutinantes ou agentes compatibilizantes nas formulações. Os estudos de Battistelle et al. (2014) corroboram essa perspectiva ao demonstrar a confecção de compósitos com até 30% de FM sem a adição de compatibilizantes, ressaltando a vantagem econômica ao eliminar a necessidade desses elementos na fabricação do compósito para a adesão eficiente das fibras à matriz.

Ao analisar os resultados para módulo de elasticidade apresentados na Figura 6, observa-se que, com exceção da amostra 80PPv20FM e considerando os valores de desvio padrão, os módulos de elasticidade das madeiras plásticas produzidas se equivalem, o que leva a crer que a variação de carga de 5 a 30% não interfere significativamente na rigidez do material.

As Figuras 7 e 8 apresentam, respectivamente, os resultados de tensão e deformação e de módulo de elasticidade na força máxima para o ensaio de flexão.

Ao analisar a curva de flexão apresentada na Figura 7, podemos observar um comportamento contrário ao da resistência à tração, ou seja, com o aumento no teor de FM, o material passou a alcançar maiores valores de resistência, permitindo suportar cargas mais elevadas. Considerando que no contexto dos decks, a principal aplicação da madeira plástica na construção civil, as ripas geralmente serão submetidas a forças de flexão em vez de tração direta, os resultados alcançados são promissores. A amostra contendo 30% de FM alcançou tensão máxima igual 38,3 MPa, valor 1,7% maior que a amostra com 20% de FM e 27% maior que a amostra de controle, contendo apenas PPv.

Além disso, o acréscimo do teor de carga também ocasionou um aumento do módulo de elasticidade na flexão, como pode ser visto na Figura 8, indicando uma maior rigidez do material, logo, menor tendência à deformação, o que também favorece sua aplicação em segmentos da construção civil, como é o caso dos decks. O módulo de elasticidade da amostra 70PPv30FM (2407,4 MPa) foi 11,2% maior que a amostra contendo 20% de FM e 32% maior que o valor encontrado para 95PPv5FM. Aprimorar o desempenho mecânico representa um desafio significativo na implementação bem-sucedida da madeira plástica. Apesar disso, sua versatilidade na produção a torna uma excelente escolha. Sua utilização em decks oferece a possibilidade de estender consideravelmente a utilização do plástico, contribuindo para prolongar o ciclo de vida de produtos provenientes de um relevante passivo ambiental (Kieling; Pereira; Santos, 2019).

No estudo conduzido por Clemons (2002), foram delineadas as propriedades mecânicas previstas para compósitos à base de polipropileno, incorporando 40% em peso de farinha de madeira, conforme os padrões ASTM para plásticos. Segundo o autor, a resistência à tração é prevista em 25,4 MPa, enquanto a resistência à flexão é aguardada em 44,2 MPa. Apesar de as amostras deste trabalho apresentarem uma carga inferior à estipulada por Clemons, os resultados obtidos convergem com as previsões do autor quanto à tração, alcançando uma resistência de até 26,02 MPa na amostra menos resistente. No entanto, os valores de resistência à flexão ficam abaixo das expectativas, com a amostra mais resistente (70PPv30FM) atingindo 38,3 MPa. Essa discrepância pode ser mitigada por meio do acréscimo de carga até 40% de FM, acreditando-se que a resistência à flexão seria ainda maior do que com 30%, conforme indicado pelo comportamento observado nas amostras.

É possível também comparar as propriedades mecânicas das amostras e as características de madeiras naturais destacadas pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) de São Paulo, um centro de pesquisa e desenvolvimento no âmbito de recursos florestais. O IPT fornece informações relevantes sobre diversas madeiras comumente empregadas na construção de decks, como Ipê, Itaúba, Eucalipto, Pinus e Teca (IPT, 2021).

No que diz respeito à resistência à flexão, a amostra mais robusta de madeira plástica (com 30% de FM), atingindo 38,3 MPa, embora inferior à resistência à flexão do Pinus verde (48,0 MPa), que é a menor entre as madeiras naturais citadas (IPT, 2021), ainda demonstra um desempenho notável. Esta comparação sugere que a madeira plástica exibe propriedades de flexão competitivas, especialmente considerando que o Pinus verde é reconhecido por sua resistência nesse aspecto. No tocante à resistência à tração, ainda que a amostra menos resistente de madeira plástica, alcançando 26,02 MPa, supera substancialmente a resistência à tração do Ipê (11,1 MPa), classificado como o mais resistente no quesito tração entre as madeiras naturais mencionadas, indicando uma notável vantagem mecânica da madeira plástica nesse cenário específico. Resumidamente, embora alguns valores de resistência à flexão da madeira plástica possam estar abaixo das madeiras naturais do IPT, a madeira plástica continua a se destacar, especialmente ao considerar sua versatilidade, durabilidade e benefícios ambientais.

Conclusão

Os resultados obtidos neste estudo fornecem insights valiosos sobre a fabricação e desempenho de madeiras plásticas, destacando importantes considerações em relação à farinha de madeira e sua incorporação no polímero virgem. No que diz respeito à caracterização da farinha de madeira, a análise granulométrica revelou uma distribuição de tamanho de partículas adequada para a produção de madeira plástica, com a maioria das partículas (83,5%) dentro do intervalo típico para esse fim (0,18 a 2,0 mm). Entretanto, a densidade básica da FM apresentou uma disparidade significativa em relação ao PPv, podendo influenciar o processo de mistura e as propriedades de fluxo dos materiais. A utilização estratégica do homogeneizador termocinético mostrou-se eficaz na obtenção de uma mistura homogênea, superando as diferenças de densidade.

Os corpos de prova das amostras de madeira plástica apresentaram características visuais semelhantes à madeira natural, sugerindo um potencial de aceitação no mercado. A possibilidade de mitigar os impactos ambientais associados à monocultura de espécies, como o eucalipto, destaca a relevância ambiental dessa alternativa. No que tange aos resultados de resistência à tração, observou-se uma tendência inversamente proporcional à quantidade de carga de FM, sugerindo uma possível ineficiência na transmissão de esforços do PPv para a FM. A adição de FM, mesmo em teores mais elevados (até 30%), não exigiu agentes compatibilizantes, indicando uma vantagem econômica e simplificação do processo produtivo.

Os resultados de resistência à flexão, por sua vez, apresentaram um comportamento promissor, com o aumento do teor de FM resultando em maior resistência e rigidez do material. Esse comportamento é particularmente relevante para aplicações na construção civil, como decks, onde as ripas estão sujeitas a forças de flexão. Comparando as propriedades mecânicas das amostras com madeiras naturais destacadas pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), a madeira plástica mostrou-se competitiva, especialmente considerando sua versatilidade, durabilidade e benefícios ambientais.

Em suma, os resultados deste estudo indicam que a madeira plástica, mesmo com algumas variações nas propriedades mecânicas, apresenta um potencial significativo como alternativa sustentável em aplicações na construção civil, contribuindo para a redução do impacto ambiental e promovendo a diversificação de materiais utilizados nesse setor. O aprimoramento contínuo do processo de fabricação e formulações pode impulsionar ainda mais a aceitação e aplicação desses compósitos inovadores.

Considerando o escopo e os resultados apresentados neste trabalho, algumas sugestões de trabalhos futuros e ensaios adicionais podem incluir o estudo da influência de agentes compatibilizantes, ensaios de abrasão, impacto, absorção e inchamento, avaliação da estabilidade térmica e análise de ciclo de vida. Essas sugestões de trabalhos futuros podem contribuir para uma compreensão mais abrangente e aprimorada das características e potenciais aplicações dos compósitos, abrindo espaço para inovações e otimizações adicionais.

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