BRPI0713449A2

BRPI0713449A2 - material compósito de madeira

Info

Publication number: BRPI0713449A2
Application number: BRPI0713449-5A
Authority: BR
Inventors: Eric N Lawson
Original assignee: Huber Engineered Woods
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2007-06-11
Publication date: 2012-01-31
Also published as: TW200810918A; WO2008002763A3; CN101535046A; PE20080629A1; US7662465B2; CA2654544A1; WO2008002763A2; AR061634A1; US20070298199A1

Abstract

MATERIAL COMPóSITO DE MADEIRA. é divulgado um material compósito de madeira que compreender: camadas superficiais superior e inferior e uma camada de núcleo, no qual a camada de núcleo contém no mínimo cerca de 70% em peso de filamentos de paulóvnia; e as camadas superficiais contóm no mínimo cerca de 70% em peso de outras filamentos de densidade mais elevada de filamentos de madeira não paulóvnia.

Description

"MATERIAL COMPOSITO DE MADEIRA"

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

Madeira é um material comum utilizado para construir portas e outros elementos de construção de arquitetura. Ainda hoje, depois do desenvolvimento de diversas novas espécies de materiais compostos, madeira permanece um dos materiais estruturais mais amplamente utilizados devido à sua excelente resistência e rigidez, estética agradável, boas propriedades de isolamento e fácil trabalhabilidade.

Contudo, em anos recentes o custo de vigas de madeira sólida aumentou de maneira dramática, uma vez que seu suprimento reduziu devido ao esgotamento gradual de florestas primárias e virgens. E particularmente caro fabricar portas a partir de tal material, uma vez que de forma típica, menos do que metade das vigas de madeira colhida é convertida em madeira sólida natural, o restante sendo descartado como restos.

Conseqüentemente, uma vez que ambos, o custo de vigas de madeira de grau elevado, bem como uma ênfase aumentada em conservação de recursos naturais, alternativas baseadas em madeira para vigas de madeira sólida natural foram desenvolvidas, as quais tornam mais eficiente a utilização de madeira colhida e reduzem a quantidade de madeira descartada como restos jeito. Madeira compensada, placa de partículas e placa de filamento orientado ("OSB") são exemplos de compostos baseados em madeira alternativos para madeira serrada natural sólida que substituíram vigas de madeira sólida natural em diversas aplicações estruturais nos últimos setenta e cinco anos. Estes compostos baseados em madeira não apenas utilizam o suprimento disponível de vigas de madeira de forma mais eficiente, mas podem também ser formados de espécies de madeira de grau mais baixo, e mesmo de rejeitos de madeira.

Contudo, embora as características de desempenho tais como resistência e propriedades de isolamento destes compostos baseados em madeira sejam comparáveis ou superiores à madeira serrada sólida natural, alguns usuários reclamaram que em certos ambientes de umidade elevada, tais como tapamentos exteriores, as arestas do material composto experimentam intumescimento e rachaduras quando a água penetra nas arestas do material e faz com que ele expanda. Para impedir este dano, diversas técnicas foram desenvolvidas tais como, fixar moldes metálicos ou poliméricos às arestas da madeira ou aplicar um revestimento polimérico ou camada de filme às arestas suscetíveis do material composto. Estas técnicas são efetivas para intumescimento e rachadura atuais de aresta, porém têm a desvantagem de aumentar enormemente o custo de materiais e a complexidade dos processos de fabricação utilizados para prepará-los.

Dado o que precede, existe uma necessidade continuada por um material compósito de madeira que possa enfrentar estas inadequações.

De maneira notável, este material compósito de madeira poderia ter desempenho superior ou comparável à madeira serrada sólida ao mesmo tempo em que é mais leve (densidade mais baixa) do que materiais OSB convencionais, ter um melhor acabamento superficial do que seria possível eliminar a necessidade por uma etapa de jateamento pós-prensagem, e ter uma excelente resistência a intumescimento de aresta e a outros defeitos relacionados à umidade. Adicionalmente, este material compósito de madeira poderia incorporar, em alguma extensão, fibras colhidas de espécies de árvores que têm crescimento mais rápido do que aquelas espécies que são utilizadas de maneira convencional para materiais compostos de madeira.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção é relativa a um material compósito de madeira que compreende: camadas superficiais superior e inferior e uma camada de núcleo; no qual a camada de núcleo contém, no mínimo, cerca de 70% em peso de filamentos de paulóvnia; e as camadas superficiais contêm, no mínimo, cerca de 70% de outros filamentos de densidade mais elevada de madeira não paulóvnia.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Todas as partes, percentagens e relações aqui utilizadas são expressas em peso, a menos que especificado de outra maneira. Todos os documentos aqui citados são incorporados para referência.

Como aqui utilizado, "madeira" tem intenção de significar uma estrutura celular que tem paredes celulares compostas de celulose e fibras de hemicelulose ligadas juntas, por polímero lignina. Deveria ainda ser observado que o termo "madeira" abrange material lenho-celulósico genericamente.

Por "material compósito de madeira" quer se significar um material composto que compreende madeira e um ou mais aditivos compostos de madeira tais como adesivos ou ceras. A madeira é tipicamente na forma de folheado, lâminas, filamentos, fatias, partículas e aparas. Exemplos não limitativos de materiais compostos de madeira incluem placa de filamento orientado ("OSB"), placa de fatias, placa de partículas, placa de aparas, placa de fibra de densidade média, madeira compensada, madeira serrada de filamento paralelo, madeira serrada de filamento orientado e madeiras serradas de filamento laminado. Características comuns dos materiais compostos de madeira são que eles são materiais compostos constituídos de filamentos e dobras de folheado ligadas com resina polimérica e outros aditivos especiais. Como aqui utilizado, "lâminas", "filamentos", "aparas", "partículas", "fatias" são considerados equivalentes umas às outras e são utilizados de maneira intercambiável. Uma descrição não exclusiva de materiais compostos de madeira pode ser encontrada no Volume Suplemento da Enciclopédia Kirk-Rothmer de Tecnologia Química, páginas 765-810, sexta edição.

A presente invenção é direcionada a material compósito de madeira (especialmente placas e painéis compostos de madeira) que compreendem filamentos de paulóvnia. Paulóvnia como um material tem uma vantagem sobre outros materiais de madeira utilizados tipicamente em placas de compósito de madeira. De maneira mais notável, paulóvnia cresce mais rápido do que outras espécies de madeira similares. Adicionalmente, paulóvnia mostrou sofrer menos de ambientes com alta umidade. Além disto, paulóvnia tem uma relação excelente de resistência para peso sendo muito menos densa do que outras espécies de madeira. Uma desvantagem de espécies de madeira de crescimento rápido tal como paulóvnia é que estas espécies tendem a produzir madeira de densidade mais baixa e têm uma fração elevada de madeira juvenil. Dentro de uma dada espécie, madeira juvenil é menos desejável do que madeira madura para utilização em compostos de madeira devido à baixa resistência de madeira juvenil. Uma vez que densidade está correlacionada com rigidez e resistência, espécies de baixa densidade tais como paulóvnia tendem a ser de valor mais baixo para utilização em compostos de madeira. Por exemplo, madeira serrada de paulóvnia de um tamanho particular não é tão forte quanto outros materiais de madeira das mesmas dimensões, portanto, desempenho de resistência superior ou comparável deve ser obtido cortando paulóvnia em pedaços mais espessos ou utilizando-a em combinação com outros materiais de madeira.

A árvore Paulownia que inclui espécies tais como Paulownia tomentosa e Paulownia elongata, Paulownia kawakamii, Paulownia fortunei, Paulownia fargesii, Paulownia catalpifolia, Paulownia albiphloca, Paulownia australis, e Paulownia taiwaniana, é um gênero de árvore nativa da China continental. Ela foi utilizada por séculos, especialmente pelos japoneses para finalidades decorativas bem como em certas aplicações estruturais. Ela é uma árvore atraente com flores como dedaleira, longas nascidas na primavera e folhas grandes flexíveis. Ela cresce tipicamente em áreas interrompidas com pouca competição e pode ser encontrada através da maior parte dos EUA em terra mineirada, lotes abandonados, cortes de estrada bem como plantações de silvicultura. De fato, o perfil de crescimento rápido da paulóvnia significa que árvores de paulóvnia crescem em um sistema de plantação que foi mostrado alcançar tamanho próprio para colheita para materiais compostos de madeira em tão pouco quanto dois a três anos.

As placas ou painéis preparados de acordo com a presente invenção podem ser feitos na forma de uma variedade de diferentes materiais tais como madeira ou materiais compostos de madeira tais como placa de filamento orientado ("OSB"). Em adição a paulóvnia, estes painéis OSB também incorporam filamentos de outros materiais de espécies de maneira adequada inclusive espécies de madeiras de ocorrência natural duras ou macias, isoladamente ou misturados, seja tal madeira seca (que tem um teor de umidade entre 2% em peso a 12% em peso) ou verde (tendo um teor de umidade entre 30% e 200% em peso). Espécies de madeira adequadas em adição a paulóvnia incluem espécies de pinho tais como pinho Loblolly, pinho Virgínia, pinho retalhado, pinho de folha curta, e pinhos de folha longa, bem como Aspen ou outras espécies de madeira dura similar à madeira Aspen.

Na presente invenção os filamentos de paulóvnia são concentrados nas camadas núcleo e os outros filamentos de espécies de madeira são concentrados nas camadas superficiais. Preferivelmente as camadas superficiais contêm menos do que 15% em peso de paulóvnia e mais do que cerca de 85% em peso de filamentos de outras espécies de madeira não paulóvnia. Preferivelmente as camadas núcleo contém menos do que 15% em peso de outras espécies de madeira e mais do que cerca de 85% de filamentos de paulóvnia.

Uma conseqüência particular com relação à concentração aumentada de filamentos de paulóvnia em um compósito de madeira é que o material compósito de madeira será menos denso. Por exemplo, painéis OSB que correspondem a padrões OS-2 e que não contém quaisquer filamentos de paulóvnia têm uma densidade na faixa de cerca de 35 lb/pé3 até cerca de 48 lb/pé3 (0,56 a 0,77 g/cm3). A densidade se situa desde 40 lb/pé3 até 48 lb/pé3 (0,64 a 0,77 g/cm3) para pinho do sul e 35 lb/pé3 até 42 lb/pé3 (0,56 a 0,67 g/cm ) para Aspen. Em contraste, painéis OSB feitos totalmente de filamentos de paulóvnia e fabricados para corresponder a critérios PS-2 terão uma densidade na faixa de cerca de 20 lb/pé3 até cerca de 40 lb/pé3 (0,32 a 0,64 g/cm3 ). Para outras aplicações onde não é necessário atingir os padrões PS-2, compostos de madeira úteis poderiam ser fabricados com densidades tão baixas quanto 15 lb/pé3 (0,24 g/cm3), e nestas outras aplicações misturar paulóvnia com outras espécies de madeira poderia ser desejável.

Naturalmente, quanto mais elevada a fração de filamentos de paulóvnia utilizados nestes compostos de espécies de madeira misturados, mais baixa a densidade da placa ou painel. O painel deveria ter uma espessura de cerca de 0,6 cm (cerca de um quarto de polegada) até cerca de 10,2 cm (cerca de 4 polegadas).

Tipicamente, as matérias-primas de madeira bruta seja virgem ou recuperada são cortadas em filamentos, fatias, ou lâminas de tamanho e forma desejados, que são bem conhecidos de alguém de talento ordinário na técnica. Os filamentos são preferivelmente de mais do que duas polegadas de comprimento (50,8 mm), mais do que 0,3 polegadas de largura (7,62 mm) e menos do que 0,25 polegadas de espessura (6,35 mm). Embora não tendo a intenção de ser limitado pela teoria, acredita-se que filamentos mais longos, isto é, mais longos do que cerca de 6 polegadas (152,4 mm), melhoram a resistência mecânica do produto final ao permitir melhor alinhamento.

Também é conhecido que filamentos de largura uniforme são preferidos para melhor qualidade de produto. Geometria uniforme de filamento permite ao fabricante otimizar o processo do fabricante para cada tamanho de filamento. Por exemplo, se todos os filamentos fossem de 4 polegadas por 1 polegada (101,6 mm por 25,4 mm) então o orientador poderia ser otimizado para alinhar estes filamentos dentro de uma única camada. Se filamentos que fossem de 1 polegada de comprimento (25,4 mm) e 0,25 polegadas de largura (6,35 mm) fossem adicionados, algum destes poderiam deslizar através das laterais dos orientadores laterais. Filamentos orientados transversais reduzem a resistência/rigidez mecânica global do produto.

Depois que todas os filamento sejam cortados, eles são secados em um forno até um teor de umidade de cerca de 1 até 21%, preferivelmente entre 2 até 18%. mais preferivelmente desde 3 até cerca de 15% e então revestidos com uma ou mais resinas ligantes de cura térmica poliméricas, ceras e outros aditivos. A resina ligante e os outros diversos aditivos que são aplicados aos materiais de madeira são referidos aqui como um revestimento, mesmo embora o ligante e aditivos possam ser na forma de pequenas partículas tais como partículas atomizadas ou partículas sólidas que não formam um revestimento contínuo sobre o material madeira. De maneira convencional, o ligante, cera, ou quaisquer outros aditivos, são aplicados aos materiais madeira por uma ou mais técnicas de borrifamento, mistura ou combinação, uma técnica preferida é borrifar a cera, resina e outros aditivos sobre os filamentos de madeira quando os filamentos são tombados em um tambor misturador.

Depois de serem revestidos e tratados com o revestimento desejado e produtos químicos de tratamento, estes filamentos revestidos são utilizados para formar um tapete de diversas camadas. Em um processo convencional para formar um tapete de diversas camadas, os materiais madeira revestida são espalhados sobre uma correia transportadora em uma série de duas ou mais, preferivelmente três camadas. Preferivelmente os filamentos são posicionado sobre a correia transportadora como camadas alternadas, onde os filamentos em camadas adjacentes são orientados genericamente perpendiculares um ao outro, porém é também entendido por aqueles versados na técnica que os produtos feitos por meio deste processo poderiam ter os filamentos alinhados todos na mesma direção ou de maneira randômica sem um alinhamento particular.

Diversas resinas poliméricas, preferivelmente resinas de cura térmica, podem ser empregadas como ligantes para as lâminas ou filamentos de madeira. Ligantes poliméricos adequados incluem resina isocianato, uréia formaldeido, fenol formaldeido, melamina formaldeido ("MUF") e seus copolímeros. Isocianatos são os ligantes preferenciais e preferivelmente os isocianatos são selecionados dentre o grupo de polímeros difenilmetano-p,p'- diisocianato que têm grupos funcionais NCO- que podem reagir com outros grupos orgânicos para formar grupos poliméricos tais como poliuréia, - NCON, e poliuretano, -NCOO-, 4,4-difenil-metano diisocianato ("MDI") é preferido. Um produto pMDI comercial adequado é Rubinate 1840 disponível de Huntsman, Salt Lake City, UT e Mondur 541 pMDI disponível de Bayer Corporation, North America, de Pittsburg, PA. 1 eixo norte América 9 Pittsburgh PA. Ligantes MUF comerciais adequadas são os produtos LS 2358 e LS 2250 de Dynea Corporation.

A concentração de ligante é preferivelmente na faixa de cerca de 1,5% em peso até cerca de 20% em peso, mais preferivelmente cerca de 2% em peso até cerca de 10% em peso. Um aditivo cera é comumente empregado para aprimorar a resistência dos painéis OSB à penetração de umidade. Ceras preferenciais são cera solta ou uma cera em emulsão. O nível de carregamento de cera é preferivelmente na faixa de cerca de 0,5% em peso até cerca de 2,5% em peso.

Depois que os tapetes de diversas camadas são formados de acordo com o processo discutido acima, eles são comprimidos sob e uma máquina de prensar a quente que funde e liga juntos os materiais de madeira para formar painéis OSB consolidados de diversas espessuras e tamanhos. Preferivelmente os painéis da invenção são prensados por 2 a 10 minutos a uma temperatura de cerca de 100°C até cerca de 260°C.

A invenção será descrita agora em mais detalhe com relação aos exemplos específicos não limitativos que seguem.

Exemplos

Placas compostas de madeira foram preparadas de acordo com a presente invenção para demonstrar as características de desempenho superior de placas de madeira preparadas com uma concentração de filamentos de paulóvnia na camada de núcleo.

Tarugos de pinho e tarugos de paulóvnia foram obtidos para utilização. Os tarugos foram então cortados em filamentos de entre 1 a 6 polegadas (25,4 mm a 152,4 mm) em comprimento até 4 polegadas (101,6 mm)de largura e cerca de 0,025 polegadas (0,635 mm) de espessura. Os filamentos foram então secados (para a paulóvnia) durante uma noite em um forno de ar forçado Gruenberg no laboratório a 103 °C ou (para o pinho) em um secador convencional de escala de fabricação total. Estes filamentos foram então selecionados e prensados em doze tipos diferentes de painéis, cada um com combinações diferentes de filamentos e densidade final de painel, foram feitos como a seguir:

Tabela 1

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(Painéis número 5-8 representam painéis preparados de acordo com a presente invenção. Os filamentos foram orientados em somente uma única direção (isto é, o núcleo foi orientado na mesma direção que as superfícies). Os painéis nos exemplos acima continham 5% em peso de Mondur G541 pMDI disponível de Bayer Corporation, Pittsburgh, PA. (Nenhuma cera foi utilizada na experiência).

Os painéis foram então cortados para tamanhos menores e testados para diversas características de desempenho de compostos de madeira diferentes de acordo com o protocolo especificado na ASTM D1037. Estas características de desempenho incluíam Módulo de Elasticidade ("MOE", uma medida da rigidez do painel) em ambas as direções, paralela e perpendicular; Módulo de Ruptura ("MOR"; uma medida de resistência do painel) em ambas as direções, paralela e perpendicular; absorção de água de 1embebimento em água por 24 horas; intumescimento de 1 polegada (2,54 cm) de espessura e intumescimento de aresta. As características de desempenho medidas para ambos, os painéis da técnica precedente e os painéis da presente invenção estão descritas na Tabela 2 abaixo.

Tabela 2

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Como pode ser visto na Tabela 1, a placa OSB preparada de acordo com a presente invenção tem características de desempenho significativamente melhores do que as outras placas. De maneira notável, a placa OSB de acordo com a presente invenção teve espessura, intumescimento de aresta e desempenho de absorção de água muito melhor do que placas comparativas, demonstrando que ela é muito melhor para utilização em ambientes de umidade mais elevada. Para propriedades de resistência, a placa preparada de acordo com a presente invenção teve desempenho superior em todas as características quando estabelecida próximo às placas comparativas.

Será apreciado por aqueles versados na técnica que mudanças poderiam ser feitas nas configurações descritas acima sem se afastar de seu conceito inovador. E entendido, portanto, que esta invenção não está limitada às configurações particulares divulgadas, mas tem intenção de cobrir modificações dentro do espírito e escopo da presente invenção como definida pelas reivindicações anexas.

Claims

1. Material compósito de madeira, caracterizado pelo fato de compreender: camadas superficiais superior e inferior e uma camada de núcleo; no qual a camada de núcleo contém no mínimo cerca de 70% em peso de filamentos de paulóvnia e as camadas superficiais contêm no mínimo cerca de 70% em peso de outros filamentos de densidade mais elevada de madeira não paulóvnia.

2. Material compósito de madeira de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a placa de compósito de madeira ter uma densidade de cerca de 20 lb/pé3 (0,32 g/cm3) até cerca de 50 lb/pé3 (0,80 g/cm3).

3. Material compósito de madeira de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os outros filamentos de madeira não paulóvnia serem selecionados dentre o grupo que consiste de espécies de pinho, espécies aspen, e outras espécies de madeiras duras e madeiras macias.

4. Material compósito de madeira de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o material compósito de madeira ser na forma de uma placa de filamento orientado.

5. Material compósito de madeira de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o material compósito de madeira compreender desde cerca de 1% em peso até cerca de 20% em peso de ligantes poliméricos.

6. Material compósito de madeira, caracterizado pelo fato de compreender: camadas superficiais superior e inferior e uma camada de núcleo; no qual a camada de núcleo contém no mínimo cerca de 70% em peso de filamentos de paulóvnia e as camadas superficiais contêm no mínimo cerca de 870% em peso de filamentos de madeira selecionados dentre o grupo que consiste de espécies de pinho, espécies aspen e outras espécies de madeira dura.

7. Material compósito de madeira de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a placa de compósito de madeira ter uma densidade de cerca de 20 lb/pé3 (0,32 g/cm3) até cerca de 50 lb/pé3 (0,80 g/cm3).

8. Material compósito de madeira de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a placa de compósito de madeira ser na forma de uma placa de filamento orientado.

9. Material compósito de madeira de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o compósito de madeira compreender desde cerca de 1% em peso até cerca de 20% em peso de ligantes poliméricos