ARTÍCULO
Recepción: 23 Abril 2019
Aprobación: 18 Febrero 2020
Resumen: La presente investigación se desarrolló con la madera Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl. Var. Ochoterenai de plantación forestal de Colombia, la cual presenta inconvenientes importantes que limitan su uso, debido a su poca estabilidad dimensional y resistencia mecánica. Los tratamientos con impregnación de polímeros pueden reducir las deformaciones, y mejorar las propiedades físicas y mecánicas. El objetivo de esta investigación fue evaluar el efecto de la impregnación de polietilenglicol con peso molecular 600 y 1500, alcohol polivinílico y adición de zeolita, sobre la densidad, estabilidad dimensional, flexión estática y compresión paralela al grano. Las muestras se impregnaron con baño caliente a 95 °C, durante 8 horas, y luego impregnados a temperatura ambiente, por 16 horas. La evaluación de la madera se llevó a cabo bajo las Normas Técnicas Colombianas y otros estándares de la literatura. Los mejores resultados se obtuvieron con la impregnación de polietilenglicol 1500; la densidad aumentó entre el 21 % y 24 %; la eficiencia anti-hinchazón fue de 60 %; en flexión estática aumentó el módulo ruptura 20 %, el módulo de elasticidad 39 % en compresión paralela al grano aumentó 8 %. La madera cambia de categoría a madera estructural, mejorando sus propiedades físicas y mecánicas. El tratamiento con polietilenglicol 600 proporcionó una menor eficacia anti-hinchazón (14 %), y menor mejora en densidad (8 %) y en las propiedades mecánicas (1 % a 7 %).
Palabras claves: Densidad, eficiencia anti-hinchazón, flexión estática, módulo de elasticidad, Pinus oocarpa, polímeros, tratamiento químico de madera.
Abstract: This research was performed with Pinus oocarpa Schiede ex Schltdl. Var. Ochoterenai of Forest Plantation of Colombia, which presents some important troubles that limiting its use, due to its low dimensional stability and mechanical resistance. Polymer impregnation treatments could reduce deformation and improve physical and mechanical properties of the wood. The aim of this research was evaluated the effect of polyethylene glycol impregnation with molecular weight 600 and 1500, polyvinyl alcohol and zeolite addition, on density, dimensional stability, static flexion and compression parallel to Grain. The samples were impregnated in hot bath at 95 °C for 8 hours, and then impregnated at room temperature for 16 hours. The assessment of the wood was carried out under the Colombian Technical Standards and other standards. The best results were obtained with the impregnation of polyethylene glycol 1500 where the density increased between 21 % and 24 %; the anti-swelling efficiency was 60 %; in static flexion the modulus rupture increased 20 %, modulus of elasticity 39 % and compression parallel to grain increased 8 %. Wood changed to the structural lumber category, improving in its mechanical and physical properties. Treatment with polyethylene glycol 600 provided lower anti-swelling efficiency (14%), and lower improvement in density (8%), and in mechanical properties (1% to 7%).
Keywords: Density, anti-swelling efficiency, static flexion, modulus of elasticity, Pinus oocarpa, polymers, wood chemical treatments.
Introducción
La madera de pino ocarpa que se investigó es de origen de plantación, se desarrolla en pisos térmicos templado y frío, con disponibilidad de 24000 hectáreas (Lamprecht 1990, Cipreses de Colombia 2017); debido a la disminución de la riqueza forestal, las plantaciones de especies de rápido crecimiento se han convertido en recursos forestales madereros importantes para la industria. Pero, por su inestabilidad dimensional, sus bajas propiedades mecánicas y poca resistencia a la descomposición frente agentes biológicos, limitan su utilización con fines estructurales (González y Honorato 2005, Unsal 2011, Mattos et al. 2015, Li et al. 2015, Dong et al. 2016).
Un tratamiento alternativo a los métodos de modificación química de la madera es la impregnación de polímeros, los cuales pueden reducir los fenómenos de la contracción e hinchazón de la madera y mejorar las propiedades físicas y mecánicas (Rowell 2006, Giridhar et al. 2017, Berube et al. 2017, Behr et al. 2017, Xiao et al. 2018, Gardner y Bozo 2018, Yang et al. 2018, Yu et al. 2018). Uno de los tratamientos es la impregnación de productos para el engrosamiento de la pared celular, donde los productos químicos son depositados dentro de la misma; se utilizan diferentes productos químicos, sales de sodio, bario y magnesio, azucares, resinas sintéticas, y la alternativa de gran relevancia como es el polietilenglicol (PEG) material de origen sintético con características principales la biocompatibilidad, solubilidad en agua, no tóxico y bajo costo, el cual penetra en las paredes y lúmenes de la madera (Cooper et al. 1991, Lutz y Hoth 2006, Bardet et al. 2006, Kocabaş 2014, Kang et al. 2017).
Y el otro es la adición de monómeros, polímeros u oligoelementos como el caso del alcohol polivinílico (PVA), para el relleno de cavidades de células grandes de la madera que pueden condensarse y reticularse; para de esta manera modificar las propiedades de la madera y disminuir la contracción total o parcialmente (Krause et al. 2003, Hill 2006, Rowell 2006, Chiozza et al. 2018). Son varios los estudios con diferentes especies que han corroborado los aumentos de la estabilidad dimensional en la madera, mediante la impregnación de mezclas de agente hinchante de la pared celular de PEG 600 y PEG 1000 (Paz y Sanabria 2000, Jeremic et al. 2007, Bjurhager et al. 2010, Meints et al. 2018, Ermeydan 2018). El tratamiento con la impregnación de PVA como agente de reticulación en la red porosa de la madera y polimerización en su estructura, causa un aumento en las propiedades mecánicas de flexión estática y compresión paralela al grano (Devi et al. 2003, Yildiz et al. 2005, Cai et al. 2007, Li et al. 2010, Holloway et al. 2010, Zheng et al. 2014, Tan et al. 2015, Sun et al. 2016, Kwak et al. 2018, Ma et al. 2018, Solikhin et al. 2018, Gadhave et al. 2019), y una mejoría en la estabilidad dimensional (Alma et al. 1996, Sun et al. 2016, Olaniran et al. 2019).
El objetivo de este estudio fue evaluar el comportamiento de algunas propiedades físicas (densidad seca la aire, densidad básica y eficiencia anti-hinchazón) y propiedades mecánicas (resistencia a la compresión paralela al grano, resistencia a la flexión y módulo de elasticidad en la flexión) de la madera Pinus oocarpa después del tratamiento de impregnación con mezclas de PVA y PEG. Se espera que esta investigación contribuyan al conocimiento de maderas de rápido crecimiento de origen de plantaciones forestales, para ser utilizadas como alternativas en materia prima estructural, y con ello hacer un aporte significativo al crecimiento del sector forestal de Colombia.
Materiales y métodos
Muestras de madera
La madera Pinus oocarpa que se investigó fue proporcionada por la Empresa de Cipreses de Colombia S.A., proviene de las plantaciones del núcleo ubicado en el municipio de Yolombó (Antioquia, república de Colombia) finca La Carolina, lote Las Nubes y rodal R2 (coordenadas X=891818, Y=1227491). Se recolectaron treinta (30) árboles de 25 años de edad, con fuste útil de diámetro de 45 cm, de los cuales se tomaron las dos primeras trozas de 250 cm de largo, se cortó de cada troza un tablón central de 10 cm de espesor de madera de duramen; luego de cada tablón se cortaron listones de 6,0 cm x 6,0 cm x 250 cm eliminando la médula, de los cuales se obtuvieron las probetas necesarias para cada uno de los ensayos.
Para las propiedades físicas de densidad seca al aire y densidad básica y de estabilidad dimensional se utilizaron 500 muestras de 3,0 cm x 3,0 cm x 10 cm. Para las pruebas de propiedades mecánicas se dispuso de 500 muestras de 2,5 cm x 2,5 cm x 41 cm para los ensayos de flexión estática; y para el ensayo de compresión paralela otras 500 muestras de 5 cm x 5 cm x 20 cm. Se trató de que las muestras para estos ensayos estuvieran libres de nudos y defectos, con los anillos de crecimiento bien direccionados, enmarcando de forma clara las orientaciones radiales y tangenciales de la muestra.
Tratamiento de la madera
Para el tratamiento de la madera se utilizó alcohol polivinílico (PVA) (CH2CHOH)n ); polietilenglicol (PEG) (HO(C2H4O)nH de dos pesos moleculares PEG 600 y PEG 1500, proporcionados por la empresa Bell Chem Internacional SA (Medellín, Colombia); y zeolita proporcionado por la empresa Zeocol (Armenia, Colombia). La madera se sometió a diferentes tratamientos alternativos de impregnación con los agentes alcohol polivinílico (PVA) y polietilenglicol PEG de pesos moleculares 600 y 1500, los cuales se disolvieron en agua a concentraciones de 20 % y 40 % (p/v), así como la adición en algunos tratamientos de zeolita (mineral rico en sílice) al 3 % y al 7 %. Para comparación de los efectos de los tratamientos aplicados, se mantuvieron muestras sin tratar (control). En la Tabla 1 se presentan los grupos de tratamientos alternativos de impregnación. La madera se sumergió en agua a una temperatura de 95 °C, en un tanque metálico de laboratorio, con dimensiones de 60 cm x 60 cm x 60 cm, equipado con resistencia eléctrica y medidor de temperatura durante 8 horas, y luego se pasó rápidamente a otro tanque que contenía la mezcla impregnante a temperatura ambiente, y se dejó sumergido por 16 horas. Después de la impregnación las muestras se secaron al aire libre hasta 12 % de contenido de humedad.
Grupos de tratamientos alternativos de impregnación de la madera de la especie forestal Pinus oocarpa.
Propiedades físicas
La madera Pinus oocarpa tratada con los métodos alternativos a la modificación química, mediante la impregnación de polímeros como el grupo control, fue sometida a los ensayos de densidad siguiendo los lineamientos de la Norma Técnica Colombiana NTC 290 (NTC 2006). La estabilidad dimensional, se realizó siguiendo los lineamientos del ensayo de Rowell y Youngs (1981); en un ciclo completo el cual consistió en pasar la madera de estado seco a húmedo y luego húmedo a seco y sucesivamente hasta completar 3 ciclos. El secado se llevó a cabo en horno a 103 °C ± 2 °C hasta peso constante, el ciclo de húmedo se realizó mediante remojo de las probetas durante 24 horas, midiendo el cambio de dimensiones de las muestras; se estimó el coeficiente de hinchamiento volumétrico (S) y la eficiencia anti-hinchazón (ASE, antiswell effciency) se consideró luego de los tres ciclos como una medida de la estabilidad dimensional de la madera. Para calcular ASE se utilizaron las siguientes Ecuacion 1 y Ecuacion 2:
(1)Donde, V2 es el volumen de las probetas saturadas y V1 volumen de las probetas secas al horno.
(2)Donde, Ss es el coeficiente S promedio de las probetas sin modificar y Sm coeficiente promedio de las probetas modificadas.
Propiedades mecánicas
La madera Pinus oocarpa, tratada con los métodos alternativos como el grupo control, se sometió a pruebas a flexión estática siguiendo los lineamientos de la Norma Técnica Colombiana NTC 663 (NTC 2006), y la compresión paralela al grano bajo la Norma Técnica Colombiana NTC 784 (NTC 2006). La determinación de las propiedades mecánicas se realizó en las instalaciones del Laboratorio de Productos Forestales, de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, en una máquina universal Tinius Olsen (Willow Grove Pensilvania, USA) con capacidad de 15 toneladas, accesorios para cada ensayo y la madera en condición seca al aire (contenido de humedad cercano al 12 %).
Análisis estadístico
Se realizó un diseño experimental completamente al azar, con veinticinco (25) tratamientos y veinte (20) repeticiones por tratamiento. Se realizó análisis de varianza (ANOVA) para cada variable. Finalmente, se utilizaron pruebas de comparación de rangos múltiples para determinar cuáles medias eran significativamente diferentes de otras. La información se procesó teniendo como base la metodología descrita por Gómez (1989).
Resultados y discusión
Propiedades físicas
Densidad de la madera
En la Tabla 2 se observa un resumen de las densidades obtenidas en la madera Pinus oocarpa, tratada con los métodos alternativos, como grupo control.
Los mayores aumentos de densidad (seca la aire y básica), se presentaron con la aplicación de los tratamientos con mezclas de los agentes impregnantes de polietilenglicol (PEG) con peso molecular de 1500 y alcohol polivinílico (PVA) para las concentraciones de 20 % y 40 %, y con la adición de zeolita (7%); sin presentar diferencias significaivas entre ellos. El valor más alto de mejora de densidad seca al aire fue de 24 % y para la densidad básica de 15 %. Estos resultados están en concordancia con los aumentos de densidad en otras maderas impregnadas con polímeros (Alma et al. 1996, Ohmae et al. 2002, Bjurhager et al. 2010). El aumento de la densidad de la madera Pinus oocarpa, se debe al reemplazo del agua por parte de los polímeros en las paredes celulares y en los lúmenes.
Densidades obtenidas en la madera de la especie forestal Pinus oocarpa, tratada con los métodos alternativos.
En el cuerpo de la tabla se muestran los valores promedio ± Intervalo de confianza al 95% de veinte probetas por tratamiento. Las letras iguales en las columnas indican la no diferencia significativas entre tratamientos, de acuerdo a la prueba de Rangos Múltiples de Tukey (P ≤ 0,05)
Estabilidad dimensional
En la Tabla 3 se presetan los valores promedio de eficiencia anti-hinchazón (ASE) obtenidos en la madera Pinus oocarpa, tratada con los métodos alternativos.
Los mayores valores se obtuvieron con los tratamientos de impregnación de PEG con peso molecular de 1500, tanto para las concentraciones de 20 % y 40 %, y PVA para concentraciones de 20 % y 40 %, y con la adición de zeolita en las concentraciones de 3 % y 7 %. La eficiencia anti-hinchazón ASE radial fue del 56 % al 59 %; sin presentar diferencias significativas entre ellos, pero sí con los demás tratamientos. En relación con las mayores eficiencias anti-hinchazón ASE tangencial, se lograron con los tratamientos de impregnación de PEG con peso molecular de 1500 al 40 % de concentración, y con PVA tanto para las concentraciones de 20 % y 40 %, y adición de zeolita al 7 % de concentración; no presentando diferencia significativa entre ellos, pero con diferencia significativa con los demás tratamientos. Los anteriores resultados son iguales a los obtenidos para otras maderas (Alma et al. 1996, Paz y Sanabria 2000, Ohmae et al. 2002, Sun et al. 2016, Meints et al. 2018). Estas mejoras se deben atribuir principalmente a los efectos de los polímeros en la reticulación y aumento del engrosamiento de la pared celular, por lo que se reducen las tensiones intercelulares y se obtienen menos contracciones y dilataciones en la madera.
Eficiencia anti-hinchazón (ASE) obtenidas en la madera de la especie forestal
Propiedades mecánicas
Los resultados obtenidos en los ensayos de flexión estática y compresión paralela al grano en la madera Pinus oocarpa, tratada con los métodos alternativos, se presentan en la Tabla 4.
El aumento máximo en el módulo ruptura de flexión estática del 20 %, se presentó después de la impregnación de PEG con peso molecular de 1500 y PVA al 40 % de concentración y adición de zeolita al 7 % de concentración, lo cual es debido a la mejora de la densidad que se produce con este tratamiento; presentando diferencia significativa con los demás tratamientos. Para el módulo de elasticidad de flexión estática, se presentan los mayores aumentos del 31 %, y para compresión paralela al grano los mayores aumentos fueron del 7 % y 8 %; los cuales se obtuvieron mediante la aplicación de los tratamientos de impregnación de polietilenglicol (PEG) con peso molecular de 1500 y con alcohol polivinílico (PVA) tanto para las concentraciones de 20 % y 40 %, y con la adición de zeolita en las concentraciones de 3 % y 7 %; sin diferencias significativas, pero sí con los demás tratamientos.
En relación con estos resultados obtenidos en el módulo ruptura de flexión estática, exceden a los valores reportados para otras maderas blandas (Yildiz et al. 2005, Cai et al. 2007, Holloway et al. 2010, Luo et al. 2013, Sun et al. 2016). En relación a los resultados del módulo de elasticidad de flexión estática, son mayores a los informados para otras maderas blandas (Yildiz et al. 2005, Cai et al. 2007, Holloway et al. 2010, Luo et al. 2013, Olaniran et al. 2019). Los resultados obtenidos de la mejora en compresión paralela al grano, fueron iguales a las encontradas del 7 % y 8 % para otras maderas blandas (Yildiz et al. 2005, Luo et al. 2013, Sun et al. 2016). El aumento de las propiedades mecánicas, se debe principalmente al hecho de la reticulación de los polímeros dentro de las paredes celulares de la madera, con interacción intermolecular con la lignina.
Flexión estática y compresión paralela al grano obtenidas en la madera de la especie forestal Pinus oocarpa, tratada con los métodos alternativos.
Conclusiones
La madera plantada Pinus oocarpa se sometió a diferentes tratamientos de impregnación de mezclas de PVA y PEG y se evaluó el efecto en algunas propiedades físicas y mecánicas. De acuerdo con la estabilidad dimensional mejorada, el aumento de las densidades seca al aire y básica, así como los aumentos de las propiedades mecánicas de resistencia a la compresión paralela al grano, resistencia a la flexión y el módulo de elasticidad en la flexión, la madera Pinus oocarpa se puede utilizar como alternativa a las maderas convencionales para diversas aplicaciones en las que no tenía uso anteriormente, después de los tratamientos de impregnación de PVA y PEG. Por lo tanto, la impregnación con polímeros proporciona un método alternativo a la modificación química, ofreciendo una nueva generación de materia prima de madera de alto valor agregado, con mayor estabilidad dimensional y mejores propiedades físicas y mecánicas, sin utilizar productos químicos contaminantes y sin riesgos a la salud humana y animal.
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Notas de autor
♠Autor para correspondencia: jfherrer@unal.edu.co
