La madera termotratada como material compuesto. Relación propiedades mecánicas estructura
1. Introducción
La madera es un material noble y ampliamente empleado en múltiples aplicaciones a lo largo de la historia de la humanidad. Aunque los tratamientos térmicos de la madera no son una novedad ya que desde principios del siglo pasado y a lo largo de varios años se han venido realizando diferentes experiencias (1,2 y 3), en las últimas décadas se han empleado diferentes métodos para modificar la composición química de la misma con el objetivo de protegerlas frente a diversos agentes tanto patógenos como medioambientales y muchos de ellos han sido ampliamente empleados en todo el mundo con un gran éxito en su comercialización (4).
Maderas con y sin termotratado.
Entre los diferentes métodos de modificación es sumamente interesante el proceso hidrotérmico donde el secado a elevada temperatura hace descender la humedad en equilibrio y en consecuencia el hinchamiento. Además, no se añade ningún producto químico (5). El proceso consiste en calentar la madera lentamente a temperaturas comprendidas entre 170 - 240°C durante largos periodos de tiempo; éstos pueden estar comprendidos entre 25 a 120 horas (dependiendo de la especie de madera) dentro de una cámara hermética en atmósfera inerte o reducida para facilitar el proceso de reacción (6 y 7).
Las paredes celulares de las plantas crean estructuras estables y particularmente en las leñosas donde se produce madera. Todas las plantas se componen, de forma general, de tres compuestos químicos de base biológica llamados: celulosa, hemicelulosa y lignina. Este conjunto forma un material compuesto (composite) de fibras de celulosa rígidas embebidas en una matriz reticulada de lignina y las hemicelulosas que trabajan como el ensimage para la unión de la matriz a las fibras (8).
La madera, aparte de las estructuras lignocelulósicas, presenta una gran variedad de compuestos orgánicos de bajo peso molecular que se denominan ‘extractivos’. Este grupo de la pared celular está formado por: fenoles, ácidos grasos, alcoholes grasos, terpenos, esteroides, ceras, etc., los cuales pueden ser extraídos con disolventes (9).
Los cambios que se producen en la composición química de la madera durante el proceso de termotratado de la misma son debidos, principalmente, a reacciones autocatalíticas en los constituyentes de la pared celular (10).
En este trabajo se presentan los resultados obtenidos tanto en madera tratada como sin tratar.
2. Experimental
2.1. Materiales
Los materiales que se han empleado en este trabajo, suministrados por la empresa Torrebaso S.L., de Orozko (Vizcaya), han sido pino de Monterey (Pinus radiata) y fresno europeo (fraxinus excelsior L.) modificados mediante termotratado en una cámara de termotratado (Mahild Drying Technologies GmbH, ) en atmósfera inerte a 210°C según la patente Termogenic Orozko (España). Como sistema de control para la comparación de las diferentes propiedades estudiadas se han empleado las mismas especies previo al proceso de termotratado. Los detalles sobre el proceso de termotratado se pueden ver en un trabajo previo (11).
2.2. Caracterización Químico-Física
Para la caracterización de la composición química de las muestras tanto termotratadas como sin tratar se han empleado las normas TAPPI, determinando los siguientes parámetros: cenizas (T211 om-02), extraíbles en etanol-tolueno (T264 cm-07) y contenido en lignina (T222 om-02). El contenido en carbohidratos se ha realizado por hidrólisis y se han expresado los resultados en términos de holocelulosa (12), α-celulosa y hemicelulosa (13). Para la determinación de la humedad y la densidad se han empleado las normas EN 13183-1/AC: 2004 y EN 384:2010 respectivamente. En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos.
Para la determinación de los carbohidratos solubles después de la hidrólisis ácida se siguió el método propuesto por Saeman (14). Para ello se emplearon 0,35 g de madera y una solución de 5 ml de H2SO4 al 72% w/w a 30°C durante 45 minutos. A continuación se añadieron 140 mL de agua destilada y se introdujo la mezcla en un autoclave durante 1 hora a 121°C.
Los azucares fueron caracterizados por cromatografía líquida de alta resolución empleando para ello un cromatógrafo Jasco LC-Net II/ADC equipado con detector de fotodiodo MD-2018 Plus y detector de índice de refracción RI-2013 Plus y columna Rezex ROA. La fase móvil empleada fue una solución al 0,005 N de H2SO4. Las condiciones de inyección han sido las siguientes: 40°C, 0,35 mL/min de flujo y un volumen de 20 μL. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2.
Mediante ensayos de espectrofotometría de infrarrojo (FT-IR) se ha estudiado los cambios en las estructuras químicas de los materiales objeto de este trabajo. Para ello se ha empleado un espectrofotómetro con transformada de Fourier Nicolet Nexus 570 trabajando en transmisión directa mediante ATR mediante MKII Golden Gate SPECAC. Los espectros se han obtenido en la región entre 4000 y 700 cm-1 con una resolución de 4 cm-1 y se han realizado 32 barridos. En la figura 1 se muestran los resultados obtenidos.
2.3. Caracterización mecánica
En este trabajo se han caracterizado mecánicamente las probetas objeto de estudio por medio de ensayos de flexión en tres puntos utilizando una máquina universal de ensayos mecánicos Instron modelo 4206 con célula de carga de 10 kN y ensayos de dureza mediante un durómetro Rockwell (HR-150A) siguiendo la norma UNE-EN-1534 2011.
Para el estudio de la rigidez del sistema (ks) se han realizado una serie de ensayos de indentación que nos ha permitido determinar, directamente, el desplazamiento debido únicamente a la flexión, según el trabajo desarrollado por Mujika (15). Por otra parte, también se ha estudiado la posible influencia que sobre el ensayo pueda tener el módulo de cortadura (G). Para eliminar la influencia que los apoyos pueden tener sobre las probetas, y según recomendación de la norma UNE-EN 408:2011+A1, se han utilizado placas de acero de longitud no mayor de la mitad de la altura de la probeta.
3. Resultados y discusión
Si se observan los resultados mostrados en la tabla 1, se puede ver como después del proceso de termotratado la humedad de ambas especies sufre un descenso brusco, siendo casi similar en ambas especies en el pino radiata (50,2%) que en el fresno (49,6%), mientras que la lignina sufre en ambos sistemas un incremento después del termotratado. El efecto del termotratado es más intenso sobre las hemicelulosas que sobre la α-celulosa. Como se puede observar en la tabla 1, el pino radiata sufre un descenso (45,4%), mientras que el fresno el descenso es menos acusado (36,5%). Ahora bien, ocurre lo contrario con la α-celulosa donde el descenso es más acusado en el fresno que en el pino radiata (8,13% pino radiata y 16,9% fresno). También se puede ver cómo influye el proceso de termotratado en los azúcares. Si observamos los resultados mostrados en la tabla 2, se puede ver que el contenido en glucosa aumenta en ambas especies, siendo mayor en el fresno que en el pino radiata (14,4% y 2,4% respectivamente). Además, el contenido en arabinosa desaparece después del proceso de termotratado y ambas especies sufren un descenso en el contenido en xilosa, siendo mucho más acusado dicho descenso en el fresno.
Si se observan los espectros de la figura 1 se puede ver como la estructura química de ambos sistemas presentan los mismos picos, aunque en algunos de ellos existe una ligera disminución pero ninguno desaparece después del termotratado.
Los ensayos de dureza de los materiales sin tratar y termotratados presentan los siguientes resultados: por una parte el proceso de termotratado disminuye ligeramente la densidad en ambos materiales. Por otra parte, el proceso de termotratado disminuye significativamente la dureza tanto del fresno como del pino. Ahora bien, es más acusada esta disminución en el pino, 35% aproximadamente (madera semidura), que en el fresno donde la disminución es de 13% aproximadamente (madera dura), ver tabla 3.
Como ya se ha comentado, se determinó la rigidez del sistema (ks) de cada una de las especies estudiadas mediante ensayos de indentación y siguiendo un modelo como el presentado en la figura 2. En la tabla 4 se muestran los resultados obtenidos. Por otra parte, se ha estudiado la influencia que el módulo de cortadura ‘G’ puede tener sobre los sistemas estudiados.
Fig. 2. Esquema del ensayo para determinar la ks.
En la tabla 5 se muestran los resultados obtenidos para la determinación del modulo a flexión para los diferentes sistema y a diferentes span, así como los datos obtenidos mediante regresión cubica siguiendo los estudios de Mujika.
En las figuras 3 y 4 se muestran la variación del modulo de flexión en función del span para el pino sin tratar y el fresno sin tratar, así como la regresión cubica de cada especie. Como se puede observar en dichas figuras los valores obtenidos del módulo por regresión cúbica se ajustan a los valores experimentales.
En la tabla 5 se muestran los resultados obtenidos por ensayos de flexión en tres puntos a diferentes span para la determinación de la influencia que el módulo de cortadura (G) pudiera tener sobre la rigidez del material. De la observación de los resultados el módulo de cortadura, por ejemplo para el pino sin tratar es de 483 MPa y para el fresno tratado de 577 MPa. Además, la relación Ef/G (modulo de flexión/modulo de cortadura) varía entre 22 y 20 para las mismas especies. De estos resultados se puede ver que la influencia para todos los sistemas es muy pequeña.
En las figuras 5, 6 y 7 se muestran la variación del módulo a flexión, la resistencia a flexión y la deformación de los diferentes sistemas estudiados en el presente trabajo.
Como se puede observar en la figura 5 el proceso de termotratado incrementa ligeramente el módulo a flexión en ambas especies, aunque es más acusado, dicho incremento, en el pino. Es decir el pino termotratado presenta un incremento en el módulo del 27,8%, mientras que un 14,7% para el fresno. En cuanto a la resistencia se puede observar (ver figura 6) una disminución de la misma con el proceso de termotratado, Ahora bien, en ambas especies el proceso de termotratado hace que la deformación de ambos materiales sea muy acusada, siendo está más intensa en el fresno que presenta una disminución de la deformación del 72,9%. Esto hace que el proceso de termotratado vuelve muy frágil al fresno, como se puede observar en la figura 7.
Las propiedades mecánicas de la madera está muy influenciada por factores medioambientales, tales como: la temperatura, contenido en humedad, especie de árbol, edad, etc. Además, el desarrollo de las técnicas de microscopía en el siglo XX han ayudado a observar como la pared celular podría estar, aproximadamente, constituida por dos fases donde las microfibrillas de celulosa estaban embebidas en una matriz (16 y 17). Es decir, dada la complejidad de las estructuras de madera objeto de este trabajo, y, aunque dicha interpretación será confirmada en trabajos posteriores, si simplificamos esta complejidad suponiendo que las especies estudiadas están formadas, fundamentalmente, sólo por los tres constituyentes principales (celulosa, lignina y hemicelulosa), se puede observar como la rigidez de los sistemas estarían relacionados con el constituyente estructurante (celulosa), mientras que la resistencia del compuesto se debería, fundamentalmente, a la matriz (lignina).
4. Conclusiones
- Los tratamientos hidrotérmicos causan cambios significativos en la composición química de la madera ya que se produce una variación significativa en la composición de las hemicelulosa (disminución) y de la lignina (incremento).
- Ambos sistemas presentan un descenso significativo en la cantidad total hidrolizada.
- El proceso de termotratado afecta muy significativamente a la dureza del fresno.
- El módulo de flexión mejora ligeramente en el pino radiata con el termotratado, mientras que el fresno presenta una ligera disminución.
- La resistencia a flexión sufre una ligera disminución en ambos sistemas al ser sometidos a procesos de termotratados.
- Ambos sistemas presenta una disminución significativa en cuanto a la deformación siendo muy acusada en el fresno que le convierte en un material frágil.
5. Agradecimientos
Los autores desean agradecer al Departamento de Desarrollo Económico y Competitividad del Gobierno Vasco (beca para la formación de jóvenes investigadores), a la Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea y a la empresa Torrebaso S.L. Orozko (Vizcaya) por el soporte financiero de este trabajo de investigación mediante el proyecto Universidad-Sociedad (US13/07).
Referencias
1 Seborg, R., Tarkow, H, Stamm, A., J. For. Prod. Res. Soc., (1953), “Effect of heat upon the dimensional stabilization of wood”, 3, (9), 59-67
2 Kollmann, F., Schneider, A., European J. of wood and wood industries, (1963), “On the sorption behavior of heat stabilized wood”, 21, (3), 77-85
3 Hillis, W.E., Wood Science and Technology, (1984), “High temperature and chemical effects on wood stability, Part. 1. General considerations, 18, 281-293
4 Hill, C.A.S., Wood modification: Chemical, thermal and other processes, (2006), John Wiley & Sons, Chichester.
5 Esteves, B.M., Pereira, H.M., BioResources, (2009), “Wood modification by heat treatment: a Review”, 4, (1), 370-404
6 Militz, H., (2002), Thermal treament of wood, European processes and their background, International Research Group on Wood Preservation. Document No.IRG/WP/02-4021.
7 Windeisen, E., Strobel, C., Wegener, G., Wood. Sci. Technol. (2007), “Chemical changes during the production of thermo treated beech wood”, 41(6) 523–536.
8 A.C., Miller, R.B., (2005). Structure and function of wood, in: R.M. Rowell (Ed.), Handbook of Wood Chemistry and Wood Composites, CRC Press, Boca Raton, 9–35
9 Kamdem, D.P., Pizzi, A., Jermannaud, A., (2002), Holz als Roh- und Werkstoff, “Durability of heat-treated wood” 60, 1-6
10 Hakkou, M., Pétrissans, M., Zoulalian, A., Gérardin, P., In Proceedings of the second European conference on wood modification ECWM, (2005). “Investigation of the reasons for the increase of wood durability after heat treatment based on changes of wettability and chemical composition”, 38-46.
11 Herrera, R., Erdocia, X., Llano-Ponte, R., Labidi, J., Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, (2014). “Characterization of hydrothermally treated wood in relation to changes on its chemical composition and physical properties”, 107, 256-266.
12 Wise, L.E., Murphy, M., D’Addieco, A.A., Pap. Trade J., (1946), “Chlorite holocellulose, its fractionation and bearing on summative wood analysis and studies on the hemicelluloses”, 122, 35–43.
13 Rowell, R., (1983), The Chemistry of Solid Wood, Advances in Chemistry Series, American Chemical Society, Washington, DC.
14 Seaman, JF., Bubl, JL., Harris, EE., Ind. Eng. Chem., Anal. Ed., (1944), “The quantitative saccharification of wood and cellulose”, 17(1) 35–37.
15 Mujika F., Polymer Testing, (2007), “On the effect of shear and local deformation in three-point bending tests”, 26, 869-877.
16 Abe, K., Yamamoto, H., J. Wood Sci., (2004), “Mechanical interaction between cellulose microfibril and matrix substance in wood cell wall determined by X-ray diffraction”, 51, 334-338.
17 Abe, K., Yamamoto, H., J. Wood Sci., (2006), “Change in mechanical interaction between cellulose microfibril and matrix substance in wood cell wall induced by hydrothermal treatment”, 52, 107-110.
