MADERA MODIFICADA III. MADERA ACETILADA
Lo funcional es mejor que lo bello, porque lo que funciona bien permanece en el tiempo.
Ray Eames
Dentro de la serie sobre madera modificada, ya hemos repasado las distintas tecnologías con las que es posible obtener madera termotratada, ahora nos centremos en las modificaciones mediante acciones químicas, en concreto las que producen madera acetilada.
La madera acetilada se obtiene sometiendo la madera a un tratamiento químico pero sin biocidas que afectan a los grupos hidroxilo y que mejoran, mantienen o reducen, según el caso, las propiedades naturales de la madera sometida a modificación. La modificación química de la madera a nivel molecular se ha utilizado para mejorar sus propiedades de rendimiento. Se han realizado muchas investigaciones sobre sistemas de reacción química para la modificación de la madera, especialmente aquellos que utilizan varios tipos de anhídridos; sin embargo, la reacción de la madera con anhídrido acético ha sido el más estudiado.
Origen
El desarrollo tecnológico del tratamiento químico en madera ha tenido poco éxito pese a ser objeto de estudio desde su descubrimiento en los años 30 del s. XX.
A pesar de la gran cantidad de investigaciones sobre la modificación química de la madera y, más específicamente, en la acetilación de la madera, la comercialización no fue fácil. La primera patente sobre la acetilación de madera fue presentada por Suida en Austria, en 1930, aunque la acetilación de la madera se realiza por primera vez en Alemania en 1928 por Fuchs. Desde la década de 1940, muchos laboratorios de todo el mundo han mirado a la acetilación de muchos tipos diferentes de bosques y recursos agrícolas.
Más tarde, en 1947, Stamm y Tarkow presentó una patente sobre la acetilación de madera y tableros utilizando piridina como catalizador. En 1961 la Compañía Koppers publicó un boletín técnico sobre la acetilación de la madera sin usar catálisis, pero con una orgánica cosolvente.
En 1977, en Rusia, Otlesnov y Nikitina estuvo cerca de la comercialización, pero el proceso se interrumpió, presumiblemente debido a que no se podía alcanzar la rentabilidad.
En 2007, Titan Wood, una empresa con sede en Londres, con instalaciones de producción en los Países Bajos, logró una comercialización rentable y comenzó la producción a gran escala de la madera acetilada bajo el nombre comercial «Accoya«.
La acetilación es una modificación de la madera de tipo química. En esencia, la modificación química de la madera consiste en producir una reacción química que permita formar enlaces estables (covalentes) entre componentes de la pared celular y un reactivo químico.
Rowell y Konkol, 1987.
En el caso de la acetilación, la reacción química transforma grupos hidroxilo en grupos acetilo mediante un tratamiento que impregna la madera con anhídrido acético, generando ácido acético durante la reacción, que puede ser transformado en anhídrido acético y reciclado en el propio proceso.
La madera acetilada
En el caso de la acetilación, una reacción química transforma grupos hidroxilo en grupos acetilo mediante un tratamiento realizado en autoclave que impregna la madera con anhídrido acético, generando ácido acético (vinagre) que puede ser reciclado en el propio proceso. El proceso mejora de forma extraordinaria la higroscopicidad de la madera y, al mismo tiempo, incrementa su densidad al incorporar grupos acetilos con un mayor tamaño y peso molecular. La durabilidad frente a los hongos de pudrición mejora considerablemente, alcanzando la máxima categoría (muy durable) según la norma UNE-EN 350-2.
La acetilación no supone un cambio significativo de la mayor parte de las propiedades mecánicas por lo que el material mantiene e incluso mejora sus posibilidades de empleo estructurales. El tratamiento no altera el color original de la madera y permite prolongar considerablemente el mantenimiento del acabado decorativo. Las principales aplicaciones de la madera acetilada se encuentran en revestimientos de fachadas, pavimentos de exterior, elementos de carpintería y mobiliario urbano, construcción, etc.
Por tanto, la madera acetilada es un tipo de madera tratada para mejorar sus prestaciones al exterior, ya que es modificación mejora la estructura interna reduciendo la capacidad inicial de absorber la humedad lo que conlleva una mejora de la estabilidad natural de la propia madera manteniendo resistencia, dureza y apariencia propias.
El proceso
Al igual que otros materiales, la madera se ve alterada por la humedad del ambiente, por lo que podemos decir que la madera está continuamente en movimiento para adaptarse al medio en el que se encuentra. Este movimiento1 es fruto de la absorción y expulsión de agua lo que produce contracciones y dilataciones.
El objetivo del tratamiento de acetilado de la madera es reducir esta absorción natural, al igual que los anteriores métodos de modificación que hemos descrito previamente (I, II),. Este proceso consiste en transformar
mediante una reacción química los hidróxilos libres -que son los responsables de absorber la humedad- en grupos de acetilo. Esta modificación consigue reducir de manera muy notable la capacidad de la madera de absorber agua.
La acetilación se trata de una modificación química de la madera, en el cual los grupos de hidroxilo de la misma se reemplazan por un grupo acetilo. Este proceso de transferencia del grupo acetilo a la madera, implica la sustitución de un átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo por un grupo acetilo (CH3CO) para generar un éster específico: el acetato. Además durante el proceso se requieren ciclos de altas temperaturas y vacío para conseguir la reacción deseada.
En la acetilación, la madera se calienta (50º-130º) y luego se impregna con anhídrido acético, un anhídrido carboxílico simple, utilizado ampliamente en síntesis orgánica. Es un líquido incoloro, que huele fuertemente a vinagre (ácido acético) debido a su reacción con la humedad del aire. Además de la mencionada alteración, es habitual que la madera incremente su densidad entre 1-8%.
Al hinchar la madera en forma permanente, se mejora su estabilidad dimensional, y al extraer el grupo hidroxilo se reduce al mismo tiempo su susceptibilidad a ataques biológicos. La investigación desarrollada en España y Estados Unidos indica que la madera acetilizada tiene un comportamiento excepcional en condiciones adversas, tales como la exposición a sales marinas o en terrazas exteriores.
Los métodos actuales
La mayoría de las investigaciones en el campo de la modificación química de la madera tenían como objetivo la mejora de la estabilidad dimensional o su resistencia a la biodegradación, siendo la acetilación uno de los procesos más empleados. Actualmente existen varios métodos o sistemas de reacción que proporcionan buenos resultados, y en su mayoría implican en la reacción el uso de un catalizador o de un agente expansor de la pared celular, que potencia la eficiencia del reacción. Siendo uno de los catalizadores más comúnmente empleado ha sido la piridina (C5H5N).
También se han empleado otros compuestos químicos en lugar de anhídrido acético, tales como claruros ácidos, otro anhidridos, ácidos carbónicos, isocianatos, formaldehidos, otro aldehídos (tales como acetaldehído y benzaldehído), metilación, β-propiolactona, acrilonitrilo y epóxidos, con sus correspondientes catalizadores, obteniendo diversos resultados y subproductos.
Características de la madera acetilada
Pese a los estudios e investigaciones en la reacción química entre la madera y el ácido anhídrido, el resultado final de la reacción es compleja ya que depende de muchas variables. Dichas variables en el proceso de tratamiento son:
- El uso de catalizadores. Empleo de estos catalizadores podría acelerar el proceso de reacción, pero también se podría producir un proceso de degradación, lo que podría derivar en una menor capacidad de la misma frente al ataque de agentes agresores. Por tanto solo debe emplearse cuando las condiciones de uso aconsejan.
- Tiempo, temperatura y composición. Tres parámetros interrelacionado y que deben tenerse en cuenta cuando se emplean los catalizadores.
- Contenido de humedad. Parámetro que debe situarse dentro de índices adecuados para que se puede produzca la reacción adecuadamente, precisa ser ajustada para cada especie y para cada volumen de madera.
- Escuadría y penetración del tratamiento. La eficiencia de la reacción de acetilación en la madera depende directamente de la accesibilidad del reactivo a la mayor parte posible de su volumen, es decir, al interior de la pared celular. Cuando se tratan grandes escuadrías resulta habitual la utilización de sistemas gaseosos que induzcan el reactivo mediante vapor a cierta presión en la búsqueda de una penetración uniforme en el conjunto del volumen tratado, aunque actualmente los procesos de ayuda se realizan con microondas.
- Tipo y especies de madera. Dada la diferente permeabilidad y composición del duramen y la albura, así como otros parámetros hacen que las maderas reacción de diferente forma.
- Procedimiento de limpieza. El vacío con calefacción; remojo en agua; extracción de vapor y extracción de disolvente son importantes para obtener un producto final adecuado.
Ventajas de la madera Acetilada
El destino principal de cualquier tratamiento o modificación química de la madera es la búsqueda de las propiedades mejoradas frente al producto natural, esto conlleva cambios. Por tanto para el caso de la madera acetilada sería:
A. Propiedades físicas
- Apariencia. Mantiene la apariencia natural de la madera, la modificación en el tono es apenas perceptible.
- Estabilidad dimensional. Dado que la pared celular se encuentra ahora llena de grupos acetilo, la madera sufrirá muy poca variación dimensional cuando absorba el agua. Reduciendo las contracciones y dilataciones entre un 70 y un 80%.
- Higroscopicidad. A medida que el nivel de acetilación aumenta el punto de saturación de la fibra disminuye.
- Peso específico. Con el aumento del contenido de grupos acetil, se produce también un aumento de las dimensiones de la madera, incluso en condiciones de secado en horno.
- Exposición a laso rayos ultravioleta. Presenta degradaciones debido a la inestabilidad de la lignina por lo que es preciso aplicar cierto tipo de tratamientos superficiales para obtener cierta estabilidad.
- Coeficiente de dilatación térmica. Dado el tipo de estabilidad dimensional que genera, los cambios provocados en la componente longitudinal resultan mínimos, siendo de mayor intensidad los correspondientes a deformación radial y un tanto menor en la tangencial.
- Adherencia de la madera tratada. En general, los adhesivos no funcionan tan bien con la madera acetilada como sucede con otros compuestos, tales como los poliuretanos. Los adhesivos termoendurecibles producen los enlaces más fuertes, tanto en condiciones húmedas como secas, mientras que los adhesivos termoplásticos solamente alcanzarán altas resistencias en estado seco.
B. Propiedades químicas
- Resistencia. Por lo general, la madera acetilada mantiene las mismas propiedades de mecanizado (aserrado, cepillado, taladrado, …) que la madera sin tratar. Debido a la estabilidad dimensional de la madera acetilada en su núcleo, los tratamientos exteriores típicos tienen una vida de entre 2-3 veces mayor que la de las muestras no acetiladas. También se aprecia como la superficie de la madera acetilada después de cepillado es más suave que la madera natural antes de la aplicación del tratamiento exterior.
- Las propiedades mecánicas de duramen y la albura. Pueden verse afectada dependiendo del uso de determinados productos durante el tratamiento.
- Durabilidad. (Clase1) Muchos de los estudios se han orientado en el sentido de considerar que «las enzimas responsables de la degradación de los polímeros de la madera ya no son capaces de reconocer el material». Es decir, no es digerible por insectos como termitas o carcoma.
Un beneficio indirecto del empleo de madera acetilada es que con su uso se reduce la demanda de especies de madera tropicales, muchas de ellas en riesgo debido a la sobreexplotación. Y no solo eso, también reduce el uso de productos químicos potencialmente perjudiciales que en ocasiones se utilizan para preservar maderas en exteriores.
Usos
Debido a sus excelentes prestaciones frente a los agentes externos (durabilidad, Clase1) sus principales usos (clases 3 -madera al exterior sin contacto con el suelo y protegidas, y sin protección- y 4 -maderas al exterior en contacto con el suelo) son:
- mobiliario urbano,
- tarima y carpintería de exterior (puertas, ventanas, marcos…),
- revestimiento de fachadas, construcción, etc.
Según la normativa europea, y los diferentes estudios estiman que la madera acetilada puede durar aproximadamente hasta 25 años en contacto directo con el suelo y 50-60 si no está en contacto.
Conclusiones
La modificación de la madera ofrece una posibilidad de forma no biocida para extender la vida útil de la madera utilizada. Las nuevas investigaciones, crecientes aplicaciones y el auge de la demanda hacía una arquitectura sostenible, hacen posible la aparición y el desarrollo de estos nuevos productos .
En un futuro próximo continuarán apareciendo nuevas normativas y modificaciones para impulsar el uso de maderas disponibles actualmente en un intento de avanzar hacia un desarrollo más sostenible.
Como ejemplo de obra se propone la revisión de la Estación Marítima de Vilanova de Arousa de 2C Arquitectos, finaliza en 2012 y así comprobar el uso de la madera acetilada en arquitectura.
Desde el punto de vista tecnológico, las excepcionales propiedades de durabilidad de la madera acetilada, unido a los controles de diseño constructivo realizados y al tipo de acabado aplicado, ha permitido obtener un certificado de garantía del acabado de 5 años .
Imagen de portada: El Puente de Moisés de RO&AD Architecten, 2010 | Fuente: Plataforma Arquitectura
Notas
1. Los fenómenos de hinchazón y merma de la madera se producen porque los componentes de la pared celular contienen, entre otros, grupos hidroxilo (- OH) capaces de fijar las moléculas de agua (H2O) existentes en el ambiente a través de enlaces de puente de hidrógeno.
2. “La especie de madera juega un papel en la tratabilidad con cualquier líquido. Las maderas de Pinus nigra se comporta siendo permeable en la albura y resistente en el duramen. Especies de madera de EEUU, como el álamo amarillo, arce rojo, nogal americano y haya tienen comportamientos parecidos cuando las maderas son tratadas con anhídrido acético no presentando diferencias de trazabilidad entre el duramen y la albura.” Graham Ormondroyd
Bibliografía
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UNE-EN 350-2:1995. Durabilidad de la madera y de los materiales derivados de la madera. Durabilidad natural de la madera maciza. Parte 2: Guía de la durabilidad natural y de la impregnabilidad de especies de madera seleccionadas por su importancia en Europa.
Otros recursos
Madera Estructural les ofrece una comparativa sintética de estas maderas modificadas, tras revisar la literatura actual (papers, tesis, conferencias, seminarios, publicaciones oficiales, etc.).
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Editores del post: Maderayconstruccion
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