Introducción

A partir de la concientización sobre el gran impacto ambiental provocado por el ser humano como consecuencia de la Revolución Industrial, la tendencia impulsa a alcanzar un consumo responsable de los recursos, cambiando el paradigma hacia una conducta más consecuente con los términos ‘evitar’, ‘disminuir’ y ‘reutilizar’. El enorme derroche energético, las demandas de los mercados y los modelos de vida llevan a una reflexión y planteamiento de metas asociadas a la disminución del impacto ambiental, obligando a la industria a generar más productos con menos materia prima y energía, lo que solo se puede conseguir en la medida que se aprovechen eficazmente los recursos naturales existentes, prolongando su vida útil, considerando aspectos de reutilización y uso de tecnologías amigables con el medio ambiente.

Existen diferentes iniciativas que promueven un comportamiento social más consciente como, por ejemplo, el Protocolo de Kioto (Naciones Unidas, 1998), que busca generar un estamento jurídico internacional entre países desarrollados destinado a luchar contra el cambio climático y pro- mover el desarrollo sostenible. En esta medida, dirigir la mirada hacia el diseño de biomateriales genera aportaciones desde la base de la concepción de un producto, ya que es el material el que define la naturaleza del artefacto (Manzini, 1993). El uso de biomateriales encuentra su fundamento principalmente en el aprovechamiento de la materia orgánica, o en el mejor de los casos, de los residuos de una materia prima proveniente de algún proceso productivo. “Los montones de basura apilados en los vertederos son un creciente objeto de preocupación, pero la cantidad de estos residuos –el espacio que ocupan no es el mayor problema derivado del diseño de la cuna a la tumba, son más preocupantes los nutrientes –alimentos valiosos, tanto para la industria como para la naturaleza– que resultan contaminados, se desperdician o se pierden” (McDonough y Braungart, 2005). Cabe señalar que cuanto más crece y se desarrolla una sociedad, más residuos y contaminación genera, por lo que un intento global por crear alternativas útiles para la disposición de estos residuos es relevante para promover el bienestar del planeta. “Este mercado de strawboard (tableros hechos con rastrojos agrícolas) es presentado en términos internacionales con beneficios ambientales enormes, señalando que esos subproductos agrícolas son generados en cantidades casi ilimitadas y la mayoría son simplemente desperdiciados” (Garay et al., 2008).

El aprovechamiento de estos residuos y su aplicación como material de revestimiento y de aislación térmica permite disminuir el impacto ambiental que éstos originan, ya que en su mayoría son quemados produciendo emisión de CO2 y polución ambiental, mientras que por otra parte posibilitan la sustitución de los materiales deriva- dos del petróleo utilizados para el aislamiento térmico, los cuales repercuten negativamente en el equilibrio ecológico. Como complemento a lo anterior, la presente investigación valora a la ingeniería kansei como una metodología capaz de potenciar la etapa de ideación del proceso de diseño (Prodintec, 2006), llevando el desarrollo del producto a niveles resolutivos que van desde sus prestaciones funcionales hasta un aspecto visual concebido a partir de las emociones de los posiblesusuarios.

Enfoque Metodológico

El enfoque metodológico se centró en el diseño de un tablero para la categoría Compressed Agricultural Fiber (CAF) Board y la utilización del desecho agroindustrial de cebada en formato de rastrojo. En un sentido estratégico, Di Giampaolo et al. (1992) se refieren a la conveniencia de generar materiales que involucren en sus procesos el uso de energías renovables, con costos reducidos, originados de entornos naturales y la integración de aspectos propios de la producción limpia. Por su parte, Leonard (2010) asegura que la verdadera etapa inicial de toda producción, antes de que se dé inicio a la producción física, es el diseño, ya que determina puntos fundamentales, tales como: materialidad, adhesivos, color, acabado, formato y posibilidades de reciclaje una vez finalizada la vida útil del producto.

La presente investigación correspondió a un estudio de tipo exploratorio para la definición de un tablero, basado en la experimentación con tres tipos de adhesivos: harina de lupino, almidón de papa y resina de ricino, además del testeo de las probetas resultantes. Según Desirello etal. (2004), tanto para tableros de madera como para aquellos conformados por otras fibras naturales, la densidad y resistencia depende de la cantidad y tipo de resina que se utilice, junto a la presión y temperatura que se aplique en su elaboración. El carácter reciclable constituye el soporte del planteamiento desarrollado llevado al diseño de un material en forma- to de tablero, donde además de la definición del sustrato se aborda el diseño de la superficie acorde a una sensación deseada por los futuros usuarios. Para esta etapa se aplicaron metodologías provenientes del ámbito de la ingeniería kansei, entendida como la disciplina responsable de establecer las relaciones entre las emociones que los productos generan en los individuos y cómo estas influyen en el proceso de diseño (Nagamachi, 1995).

Material y Método

Los métodos utilizados en esta investigación involucran cinco etapas:

1. 1. Estado del arte: para contextualizar el escenario global, se realizó un levantamiento de información referido a las tipologías de tableros existentes en el mercado para uso como paramentos verticales no estructurales en edificaciones en Chile.
2. 2. Definición de materias primas para la experimentación: consideró los residuos de la industria de la cerveza, correspondientes al rastrojo que se genera en la extracción del grano de la cebada (Hordeum vulgare L.). La estructura de la fibra de la cebada es similar a la morfología de la madera, ya que existen diversos canales que recorren a lo largo del tallo y hojas de la planta, cuya estructura ahuecada hace que la densidad de estos materiales sea baja y al mismo tiempo la conductividad térmica sea mínima (Guerrero et al., 2009). Se trata de estructuras complejas, filamentosas, ligno-celulósicas de origen vegetal. Los adhesivos naturales sometidos a prueba son: harina de lupino (Lupinus albus L.), obtenida a partir de la síntesis de una legumbre de ese nombre, logrando obtener una harina de color amarillento; almidón de papa (Solanum tuberosum), que es una harina de color blanco que se obtiene a partir de la papa; y resina de ricino (Ricinus communis), un poliuretano compuesto natural proveniente del árbol de ricino.
3. 3. Experimentación de laboratorio: en el Laboratorio de Biomateriales de la Universidad del Bío Bío se experimentó con variables de temperatura, prensado, tiempo, dosificación y tipos de adhesivos, de acuerdo a los siguientes pasos (Figura 1):

Figura 1
Proceso de elaboración de probetas.

1. a) Secado: se dispuso en bandejas el rastrojo de cebada en sus composiciones fino y grueso, para colocarlas en una estufa de secado industrial marca Binder a 103ºC. Después de 6h con circuito de aire forzado se bajó el porcentaje de humedad de un contenido de 11,57% a un óptimo de 1,6% en base seca.

2. b) Dosificación del adhesivo: se pesó el adhesivo en una balanza digital marca Sartorius con precisión de 0,01g. Para los tres casos de adhesivos ensayados las proporciones fueron las mismas, según las fórmulas siguientes:

donde d: densidad (kg·m-3), m: masa (g), b1 y b2: medidas ortogonales de los lados (mm), y e: espesor (mm).

Para el tablero de rastrojo de cebada y adhesivo natural:

Y

1. c) Encolado: se dispuso el material seco y pesado según las proporciones de cada mezcla y se procedió a encolar en un contenedor de giro mecánico automático y rotatorio a 120rpm, hasta lograr una mezcla homogénea. Se introdujo el rastrojo de cebada y con un sistema spray se aplicó el adhesivo mientras giraba el contenedor. Finalmente, luego de ensayos preliminares en el laboratorio, se determinó que las dosificaciones de adhesivos variaron según la tipología. Para harina de lupino fue de 400ml·kg, para almidón de papa fue 370 ml·kg y para resina de ricino de 144ml·kg.

2. d) Pre-prensado: la mezcla encolada se depositó en una caja formadora de madera tipo bastidor de 500×500mm, puesta sobre la matriz de acero de carbono que contiene la textura que se percibirá en una de las caras del tablero. La matriz fue protegida con una lámina de papel aluminio para evitar que el material se adhiriera a ella. Las fibras fueron distribuidas manual y uniformemente. A partir de este pre-prensado se obtuvo un colchón de rastrojo de cebada encolado listo para ser sometido a calor y presión.

3. e) Prensado: el prensado se realizó en prensa hidráulica Dumont, equipada con calentamiento automatizado, programada a 130ºC. La presión que se aplicó fue de 40 Bar y el ciclo de prensado de 1800s (Tabla I).

4. f) Desmoldado: terminado el ciclo de prensado, los tableros fueron enfriados a temperatura ambiente interior de 22ºC y, posteriormente, se confeccionaron las probetas, formateando los bordes para realizar ensayos en máquina universal marca Instron, modelo 4468. Las probetas fueron acondicionadas en cámara climatizada a 20ºC y humedad relativa de 65%, hasta que alcanzaron peso constante. Posteriormente fueron destinadas a la realización de los ensayos de propiedades.

1. 4. Testeo de propiedades en el laboratorio: se establecieron parámetros de acuerdo a los estándares de regulación de la Unión Europea (TRES, 1993) para ensayos de hinchamiento, absorción y adhesión interna).

1. a) Ensayo de hinchamiento en espesor [He] - EN 317: se realizó por inmersión de las probetas dimensiones 50 ±1mm de arista en agua destilada por 24h. Se midió el espesor de las probetas con micrómetro marca Mitutoyo en la intersección de las diagonales, antes y después de su inmersión en agua. El hinchamiento se calculó empleando la ecuación:

donde He: hinchamiento (%), e1: espesor inicial (mm) y e2: espesor final (mm). El requerimiento de la Norma EN 317_1 es <25%.

1. b) Ensayo de absorción [A] - EN 317: las probetas con dimensiones de 50 ±1mm de arista, se sumergieron en agua por 24h. Se midió la masa de las probetas en balanza de precisión marca Radwall, antes y después de la inmersión en agua. La absorción se calculó empleando la ecuación.

donde A: absorción (%), m1: masa inicial (g) y m2: masa final (g). El requerimiento de la Norma EN 317_1 es <80%.

1. c) Ensayo de adhesión interna [AI] - EN 319: para probetas con dimensiones de 50 ±1mm de arista, se pusieron soportes metálicos en los dos lados de las probetas, que por tracción son sometidos a esfuerzo en direcciones opuestas, hasta su rotura. El resultado se expresa en Newton, siendo determina- dos con una máquina de ensayos mecánicos marca Instron. La siguiente ecuación se utilizó para calcular de la adhesión interna:

donde AI: adhesión interna (MPa), FMAX: carga máxima (N), a: extensión da probeta

(m) y b: largo de la probeta (m). El requerimiento de la Norma EN 317_1 es <0,35Mpa.

1. 5. Definición de calidad percibida del material, a partir del diseño de la superficie: para establecer un acabado en la superficie del tablero, se decidió dar valor visual en base a relieves y conservar su apariencia natural. La capacidad de percibir depende de los sentidos, ya que estos se activan ante un estímulo. Se denominan Atributos Intrínsecos a aquellos sentidos que son inherentes al ser humano: visual, auditivo, olfativo, tacto y gusto. Los tres primeros hacen que el ser humano se conecte con el entorno, ya que de manera instantánea reaccionan al ingresar a un espacio, que en este caso corresponde al estímulo generador de emociones. A los Atributos Extrínsecos corresponden aquellos factores asociados a las reacciones, pero que dependen de las experiencias previas del individuo, entre los que podemos encontrar: expectativas, valoraciones de creencias, información y experiencias. Todos ellos influyen en los juicios racionales y verbales expresados por un individuo (Figura 2).

1. a) Elección del entorno y aplicación de metodología kansei para definir la apariencia superficial: la elección del espacio donde se podría incorporar este material, queda definida por espacios de estar en hogares, ya que permite una libertad asociada a estilos de vivir diversos y personales, lejos de decisiones estratégicas corporativas. La ingeniería kansei, término japonés, que significa kan: sensación, sensibilidad, sentir, emoción y sei: sensitivo, sentidos, impresión, apreciación (Nagamachi, 2011) es una metodología para impulsar el proceso de diseño mediante la incorporación de estudios de usuarios en la etapa de ideación de productos. El diferencial semántico, entendido como un método para medir cuantitativa y sistemáticamente la significación semántica inherente a un concepto (Osgood et al., 1957), permite conocer las relaciones entre las experiencias emocionales expresadas por los usuarios y los parámetros de diseño que han conducido a esa emoción. Para este caso, los términos más representativos que componen el diferencial semántico son: comodidad, distracción, tranquilidad y carácter acogedor, ya que son aquellos de mayor frecuencia de aparición para el espacio sala de estar, según las respuestas de los entrevistados.

TABLA I

CARACTERÍSTICAS PARA LA ELABORACIÓN DE PROBETAS

Figura 2
Atributos intrínsecos vs atributos extrínsecos.

Resultados y Discusión

Un primer resultado, proveniente del análisis del estado del arte, es una caracterización de materiales conformados por materias primas convencionales. Un caso es el de tableros de fibra de densidad media (rúbrica 63 de la clasificación ECE-FAO), cuyas emanaciones de formaldehido podrían resultar adversas a la salud de los humanos, lo que reafirma la necesidad de búsqueda relativa a nuevos adhesivos inocuos para los usuarios.

El requerimiento de la Norma EN 371_1 (TRES, 1993) para la propiedad hinchamiento señala como óptimo un porcentaje <25%. Como resultado de los ensayos realizados, se obtuvo que las probetas con harina de lupino tuvieron 32,6% en promedio; las de almidón de papa un 36,91% en promedio y las de resina de ricino un 22,67% en promedio, siendo esta última la que mejor responde a la norma. Los resultados de hinchamiento se expresan en la Tabla II.

Con respecto a la absorción interna, la norma menciona que este debe ser <80%. Los resultados para las probetas en base a harina de lupino evidenciaron en promedio un 81,38%; para las elaboradas con adhesivo de almidón de papa un 87,74%; mientras que las elaboradas con resina de ricino pre- sentaron solo un 75,66% pro- medio, constituyéndose en la que mejor respuesta tiene para este ensayo (Tabla III).

Para adhesión interna, el requerimiento de la norma sitúa lo óptimo en <0,35Mpas. Los resultados evidenciaron en promedio para las probetas en base a harina de lupino un 0,32; para las elaboradas con adhesivo de almidón de papa un 0,23; mientras que elaboradas con resina de ricino presenta un 0,35. Todas las probetas cumplieron con la norma, sin embargo, el comportamiento en orden jerárquico fue: aceite de ricino, harina de lupino y almidón de papa. (Tabla IV).

De acuerdo a los resultados obtenidos, las probetas elabora- das con adhesivo resina de ricino respondieron siempre positivamente a los requerimientos de la norma en cada uno de los aspectos estudiados, siendo este adhesivo el más compatible con el rastrojo de cebada. Luego de ensayos preliminares en el laboratorio, se determinó que las dosificación según la tipología; para harina de lupino fue de 400ml, para almidón de papa de 370ml y para resina de ricino de 144ml por kg de rastrojo.

Finalmente, los patrones definidos dicen relación con bajo-relieves de no más de 2mm de profundidad, sinuosidades con identificación de simetrías que hacen predecible la forma superficial y unas curvas que no se alejan más de 40mm de la línea de horizonte imaginaria (Figuras 3 y 4). Es así como la propuesta asociada a la calidad percibida deja ver un material al desnudo y con una expresión en tono arena oscuro que posee curvas suaves y bajo-relieves tenues, siempre dispuestos en lectura horizontal, perfectamente legibles y coherentes con la generación de emociones buscadas. Se generaron propuestas aplicativas espaciales para ejemplificar las posibles aplicaciones del material como revestimiento de menes de adhesivos variaron diana altura (Figura 4).

TABLA II

RESUMEN DE RESULTADOS A ENSAYO DE HINCHAMIENTO PARA UN TABLERO DE RASTROJO DE CEBADA, CON DIVERSOS TIPOS DE ADHESIVOS NATURALES

TABLA III

RESUMEN DE RESULTADOS A ENSAYO DE ABSORCIÓN PARA UN TABLERO DE RASTROJO DE CEBADA, CON DIVERSOS TIPOS DE ADHESIVOS NATURALES

TABLA IV

RESUMEN DE RESULTADOS A ENSAYO DE ADHESIÓN INTERNA PARA UN TABLERO DE RASTROJO DE CEBADA, CON DIVERSOS TIPOS DE ADHESIVOS NATURALES

Figura 3
Material terminado dispuesto en formato de tableros de 400x400mm, vinculados mediante un sistema de enmarcado de madera que permite su adosamiento al muro.

Figura 4.
Material terminado dispuesto en formato de tableros de 400x400mm, vinculados mediante un sistema de enmarcado de madera que permite su adosamiento al muro.

Conclusiones

Una primera conclusión después de realizadas las experiencias en el laboratorio, es que el rastrojo de cebada puede ser empleado en la fabricación de tableros, ya que se trata de una fibra que funciona a nivel óptimo con resina de ricino como ligante para todos los ensayos efectuados. La composición básica de la agrofibra estudiada permite establecer que se puede usar en reemplazo o, eventualmente, junto a fibras de maderas en procesos industriales para elaboración de tableros.

El rastrojo de cebada más el adhesivo resina de ricino, constituyen una materia prima base con capacidad de adquirir una expresión superficial por prensado, ya que la consistencia de las fibras es resistente y posee un tamaño adaptable a curva- turas de radios amplios. El color del rastrojo de cebada se mantiene con este adhesivo, permitiendo generar un tablero con apariencia natural interesante. Una mirada contemporánea de la concepción de espacios y productos, valora la potencialidad de la experiencia sensorial a través de la expresión de los materiales y del significado que tienen por sí mismos, es decir, de su capacidad de comunicar e instalar una calidad percibida en los usuarios. Tradicionalmente, la tarea principal del material ha sido estructurar un sistema más complejo; sin embargo, en la nueva situación, el material mismo puede presentar una complejidad.

REFERENCIAS

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Notas de autor