Introducción

En los países desarrollados y con tradición forestal la madera se considera un material básico para la industria de la construcción y mueblería. Su comportamiento para diferentes usos depende en gran medida de su mayor o menor estabilidad dimensional.

Durante su ciclo de vida la madera siempre contiene agua. La cantidad de agua presente en la madera en un momento determinado dependerá de los procesos y transformaciones a la que haya sido sometida y de las condiciones ambientales a la que esté expuesta. Por ser un material higroscópico la madera puede absorber o eliminar agua dependiendo de las condiciones ambientales de su entorno. Las variaciones de las dimensiones de una pieza de madera causadas por condiciones ambientales variables se conoce como inestabilidad dimensional. La mayor o menor transferencia de agua entre el material y su medio ambiente, que se observan durante el secado, acondicionamiento y uso son dependientes de su composición y su estructura, asociados al equilibrio por sorción y a la cinética de transferencia del agua (Stamm, 1962).

Goulet y Fortín (1975) citados por Hernández (1993) han demostrado que el hinchamiento de la madera es afectado por el estado de sorción. Estos investigadores destacan que los cambios relativos en dimensiones asociado con un cambio en el contenido de humedad, deben considerarse relativamente lineales para la mayor parte del rango higroscópico.

Se sabe que las isotermas de sorción de celulosa y de la madera se comportan de manera muy similar. Poca atención se ha dado a otros constituyentes como las hemicelulosas, ligninas y extractivos, que constituyen una parte importante de la pared celular de la madera (Christensen y Kelsey 1958). Dentro de la pared celular, las hemicelulosas son más higroscópicas que las celulosas y la higroscopicidad de la lignina no es despreciable (Siau 1984). Por ello de acuerdo con la variación de los porcentajes de la celulosa, hemicelulosa y lignina variaran los porcentajes de agua en el equilibrio (Kollmann y Côté, 1968).

Dada la baja higroscopicidad de los extractivos, estos disminuyen la sorción de humedad por parte de la madera. Su presencia hincha las células de las paredes con un material de higroscopicidad débil. Esta propiedad ha sido utilizada por Moreno y Medina (1991) quienes consiguieron aumentar la estabilidad de la madera mediante la impregnación de la misma con taninos.

Las curvas de adsorción-desorción no evolucionan de la misma manera, sino que se constata un fenómeno de histéresis de sorción (Kollmann y Côté, 1968). La posición de la isoterma depende en parte de las condiciones particulares de las fibras celulósicas, cualquiera sea su origen, es bastante similar, pudiendo la sorción a una humedad determinada ser diferente. La amplitud de este fenómeno evoluciona de acuerdo al tipo de producto, la temperatura de sorción y la cantidad de compuestos extractivos contenidos en la madera (Skaar, 1972).

Para una determinada condición ambiental el valor de equilibrio que una madera alcanza dependerá si ha sido calentada o no, y también de si el calentamiento fue realizado en un solo paso o en varios pasos. Se ha determinado que la humedad de equilibrio será mayor cuando la madera se ha calentado en un solo paso y en condiciones de equilibrio dadas por una determinada humedad relativa, que cuando se llega a ella en varias etapas y con humedades relativas crecientes (Stamm y Hansen, 1937).

La proporción de los componentes más importantes de la pared celular; celulosa, hemicelulosa y lignina deben tener influencia desde que la sorción de estos materiales es diferente para una misma humedad relativa. Según Christensen y Kelsey (1958) la celulosa contribuye a la sorción en un 37%, las hemicelulosas en 47% y la lignina con 16%. Sin embargo la capacidad de sorción de estos materiales, dentro de la madera, debe ser diferente debido a la acción de los extractivos y la interrelación entre ellos en la pared celular.

Otra variable que influye sobre la sorción, es la temperatura y se manifiesta de dos maneras, la primera es la acción inmediata de la temperatura y la segunda es el efecto del tiempo de calentamiento. En relación al primer factor, la elevación de la temperatura disminuye el contenido de humedad en equilibrio, efecto lógico ya que la sorción es un fenómeno exotérmico. En cuanto al segundo efecto, calentando la madera por períodos largos hay una continua disminución del peso, por debajo del peso seco en estufa originada por pérdida de agua de constitución (Stamm et al., 1946). La reducción de la higroscopicidad se expresa en porcentaje como “efecto anticontrac-ción”, en función de la temperatura para diversos tiempos de calentamiento correspondientes a humedades relativas entre 30 a 90%. De acuerdo a esto los autores sostienen que un método para reducir los efectos de hinchamiento y contracción con los cambios de humedad es mediante el calentamiento de la madera (Stamm et al., 1946).

Uno de los tratamientos térmicos más comunes es el secado de la madera. El secado es un proceso termodinámico que consiste en elevar la temperatura del agua o disminuir su presión de vapor saturado hasta alcanzar su evaporación. Este tratamiento confiere a la madera una mayor estabilidad dimensional, una mejora de la resistencia mecánica y mayor resistencia a los agentes biológicos (Loubinouk citado por Pujol, 2007). El secado convencional generalmente no sobrepasa los 95 ºC. En el secado denominado de alta temperatura se realizan a temperaturas de hasta los 180 ºC, temperatura considerada como la del comienzo de la descomposición termoquímica (Kollmann y Côté, 1968).

Kollmann y Fengel (1965) midieron la disminución de la holocelulosa, alfa-celulosa, hemicelulosa y lignina, al pasar de temperaturas ambiente a 180 °C, para una especie conífera y una latifoliada. Sus resultados muestran que para coníferas la disminución de holocelulosa y alfa-celolosa comienza a los 100 °C, mientras que para latifoliadas estos componentes se mantienen constantes. Verificaron que entre 100 y 180 ºC, la pérdida de peso seco de la madera se atribuye principalmente a la volatilización de las hemicelulosas. Estos autores refutan la teoría que atribuye el fenómeno de estabilización por temperatura a la formación de enlaces del tipo éter entre las cadenas adyacentes, debido a la pérdida de moléculas de agua, atribuyendo la estabilización dimensional por el calor a la formación de polímeros de furfural.

El objetivo del presente trabajo fue obtener valores de estabilidad dimensional calentando la madera de Pinus elliottii Engelm. var. elliottii, al ser tratada con tres temperaturas por arriba de 100 °C y tres tiempos diferentes, utilizando como variable respuesta, el hinchamiento volumétrico.

Material y métodos

Como material de investigación se utilizó la madera proveniente de seis ejemplares de Pinus elliotii var. elliottii pertenecientes a una plantación ubicada en predios de la Escuela Forestal de la Universidad Federal de Paraná en la República de Brasil. La selección de los ejemplares se realizó al azar, de acuerdo a lo estipulado por Hoheisel (1968); Norma Panamericana COPANT 458, 1972 y Norma IRAM 9523, 1977. Los rollos se apilaron en un galpón con buena circulación de aire para evitar una rápida desecación, protegiéndolos con pintura asfáltica en sus caras transversales (Hoheisel, 1968).

De cada rollo seleccionado se escogió una troza de 1.20 metros para la elaboración de las probetas de ensayo (Norma Panamericana COPANT 458, 1972). De cada troza se obtuvo un tablón central radial de un espesor de 80 mm y, descartando la médula, se confeccionaron las probetas a partir de los listones escogidos (Norma Panamericana COPANT 458, 1972). Las muestras de madera se confeccionaron en estado verde, de acuerdo a las siguientes dimensiones: 30 mm x 30 mm x 50 mm.

Las probetas fueron pesadas al 0.01 gr y se realizó la medición de sus dimensiones al 0.01 mm en estado verde. Posteriormente fueron introducidas en agua y realizada la cocción a tres diferentes temperaturas y durante tres distintos tiempos. Las temperaturas y tiempos aplicados fueron: 130, 150 y 170 °C; y 10, 20 y 30 horas. De la combinación de estos dos factores, se conformaron 9 tratamientos, cada uno con tres repeticiones. Luego de tratadas las probetas fueron secadas en estufa a 100 °C hasta peso constante. Una vez procesadas las muestras fueron pesadas al 0.01 gr y determinándose el volumen en estado seco (Vs) por inmersión en agua. Posteriormente, las probetas fueron sumergidas en agua por un periodo de 96 horas. Concluida esta etapa, se midió nuevamente el volumen utilizando el mismo método anterior, con lo cual se obtuvo el volumen húmedo (Vh). Los valores de hinchamiento volumétrico (Hv) se calcularon de acuerdo a la Ecuación I.

Donde:

Hv = Hinchamiento volumétrico;

Vh = Volumen en húmedo;

Vs = Volumen en seco.

Se realizó un experimento factorial de nk donde k son los factores (temperatura y tiempo) y n son los niveles de cada factor. El modelo estadístico aplicado lo describe la Ecuación II.

Donde:

Yijk = la respuesta de la k-ésima repetición en el i-ésimo nivel del factor A y j-ésimo nivel del factor B

m = la media general

ai= el efecto que produce el i-ésimo nivel del factor A

bj= efecto del j-ésimo nivel del factor B

dij= el efecto adicional (interacción) para la combinación de los niveles i del factor A y j del factor B y

eijk= es el error aleatorio asociado a la observación ijk-ésima

El tratamiento estadístico de los datos fue realizado mediante el software InfoStat (InfoStat, 2008).

La normalidad de los residuos fue probada mediante el test de Shapiro-Wilks modificado por Mahibbur y Govindarajulu (1997). Para probar la homogeneidad de variancias se realizó un gráfico de los residuos en función de los valores predichos por el modelo.

Resultados y discusión

Los valores promedios de hinchamiento volumétrico obtenidos para cada combinación de temperatura-tiempo se presentan en la tabla 1.

De acuerdo con Fornés y Pan (2003) el hinchamiento volumétrico de la madera de Pinus elliotti sin ningún tratamiento, presenta un valor medio de 12.74%. Si se compara este valor con los de la tabla 1, se verá que sólo un valor medio, del total de nueve, resulta contrario a la hipótesis de trabajo que postula que el tratamiento térmico aumenta la estabilidad de la madera. Sin embargo, los restantes 8 valores concuerdan con la hipótesis. Dado que el único valor divergente presenta una diferencia de sólo de 0.74% (13.21–12.74) que bien puede no ser significativo estadísticamente, y teniendo en cuenta que el valor de 13.21% corresponde al tratamiento de estabilización más débil, se puede postular inicialmente que en estas condiciones no se produce modificación en la estabilidad.

De la simple observación de las medias de la tabla 1 se puede inferir que el hinchamiento volumétrico se reduce a medida que aumenta la temperatura y el tiempo de exposición de la madera al calor, siendo el valor más bajo de hinchamiento el obtenido para la combinación de máxima temperatura y mayor tiempo de exposición, esto es, 7.43%. La diferencia entre el mayor y menor valor de hinchamiento de la tabla arroja una diferencia de hinchamiento de 5.78%; esto es, hubo una reducción del hinchamiento volumétrico de 5.78%. Esta reducción de hinchamiento es de 5.31% si comparamos con el hinchamiento dado por Fornés y Pan (2003) y Pan y Umlandt (2011).

A fin de obtener más información a partir de los valores promedios se confeccionaron los gráficos de las medias del hinchamiento volumétrico para cada nivel de temperatura y cada tiempo de exposición (figura 1 y figura 2)

Estos gráficos anticipan que no existe interacción entre los factores temperatura y tiempo en los niveles considerados.

A fin de analizar y describir estadísticamente los resultados alcanzados se realizó el análisis de la variancia según el modelo propuesto en la Ecuación II. Los resultados se muestran en la tabla 2.

El análisis de variancia, como se desprende da la tabla 2, resultó significativo para la temperatura y el tiempo considerados de forma independiente. La interacción no resulta significativa (p=0.8784), como ya lo sugerían las figura 1 y la figura 2.

Con el fin de establecer la diferencia existente entre los valores medios se realizó una comparación de medias a través del Test de Tukey. Los resultados obtenidos se pueden ver en la tabla 3 y tabla 4.

De acuerdo con los resultados de presentados en la tabla 3 la mayor estabilización se obtiene a 170 ºC. Por otro lado, no se mejora la estabilidad estadísticamente al aumentar la temperatura de 130 a 150 ºC. En términos prácticos este resultado obliga al uso de la mayor temperatura lo que representa un mayor gasto por mayor consumo de energía. Esto deberá ser analizado bajo el balance costo/beneficio.

De acuerdo con los valores de la tabla 4 se puede asegurar con un 95% de probabilidad, que la estabilidad aumentará al pasar de 10 horas a 30 horas. Dado que no existe diferencia estadística en los valores de hinchamiento volumétrico entre 20 y 30 horas, se debería optar por 20 horas por razones económicas. Con lo que, desde el punto de vista estrictamente técnico de la reducción del hinchamiento, la madera debería ser calentada a 170 ºC durante 20 horas para mejorar significativamente esta propiedad.

Las razones por las cuales se obtiene una mejoría en la estabilidad de la madera, ya fue explicado por Stamm et al. (1946); quienes reportan que la acción inmediata de la temperatura provoca un descenso de la humedad de equilibrio en la madera en 0.1% por cada grado de aumento de la temperatura y en cuanto al afecto del tiempo de calentamiento se observa que, calentando la madera por periodos de tiempo largos, hay una continua disminución del peso por debajo del peso seco en estufa. Según los autores, esta reducción de peso se origina por una pérdida de agua de constitución que proviene probablemente de la descomposición de la hemicelulosa, más sensible a la degradación térmica, que la celulosa y lignina. También, es importante recordar que frente al calor las coníferas son más sensibles a la pérdida de peso que las latifoliadas. Este hecho queda evidente en la aplicación de la Norma IRAM 9532 (1972) que prevé una temperatura inferior a 100 °C, para determinar la humedad de coníferas en estufa, justamente para prevenir esta pérdida de peso.

También Stamm et al. (1946) reportan que, al aumentar la temperatura a valores de 100 ºC, la histéresis desaparece lo que indica que el calentamiento es un método para reducir la higroscopicidad mejorando así la estabilidad dimensional (disminuyendo la contracción e hinchamiento).

En definitiva, la disminución de la contracción a causa del calor observada en el presente experimento coincide con lo establecido por Stamm et al. (1946) que, si bien se refieren al efecto “anti contracción” dado por el aumento de la temperatura para diversos tiempos de calentamientos, concluyen que se produce una reducción de la higroscopicidad de la madera que equivale a una mejora de la estabilidad dimensional (Stamm, 1962).

El hecho que, el aumento de la estabilidad dimensional de la madera vaya acompañado de una pérdida de peso, induce a pensar que este fenómeno puede afectar sus propiedades mecánicas. De acuerdo a esto, se recomienda realizar ensayos mecánicos de la madera con pérdida de peso para evaluar si el aumento de estabilidad no ocasiona pérdida de resistencia mecánica.

Que actualmente se seque madera de pino a altas temperaturas, próximas a 150 ºC y que la misma sea comercializada sin mayores problemas, no significa que para ciertas aplicaciones no existan inconvenientes con el calentamiento y la pérdida de peso.

Desde el punto de vista ambiental el calentamiento de la madera a altas temperaturas genera mayor desprendimiento de compuestos orgánicos volátiles que resultan nocivos para la salud de la población. Este aspecto también debe ser balanceado a la hora de decidir estabilizar madera mediante calor.

La tabla 5 presenta el análisis de los residuos a fin de constatar la normalidad de los mismos. El valor de p= 0.0562 constata la normalidad.

En la figura 3 se observan los residuos versus los valores predichos por el modelo. En este gráfico no se observa tendencia lo que nos lleve a rechazar la homogeneidad de variancias.

Conclusiones

Con el aumento de la temperatura y del tiempo de exposición, se produce una mejora en la estabilidad dimensional.

En los rangos de temperatura y tiempo estudiados no existió interacción significativa entre ambas variables. Con el incremento de la temperatura y del tiempo de exposición, disminuye el hinchamiento volumétrico y por tanto, aumenta la estabilidad dimensional.

La mayor estabilidad se consigue con la mayor temperatura (170 ºC) y en el mayor tiempo de exposición (30 hs). En estas condiciones se logró reducir el hinchamiento en 5% y 6%.

Si bien se puede concluir que el calentamiento a temperaturas mayores de los 100 ºC trae un beneficio respecto a la disminución del hinchamiento volumétrico, es conveniente medir el efecto de este calentamiento sobre las propiedades mecánicas a fin de tomar decisiones correctas.

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