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MADERA MODIFICADA IV. MADERA FURFURILADA

Imagen de portada: Fence architecture wood farm floor window 838101 | Fuente: pxhere.com

“Si una obra es intensa, válida y tiene una idea potente hará que las imperfecciones queden en un segundo plano.» 

Alberto Campo baeza

Con este nueva entrega cerramos el recorrido realizado por las maderas modificadas, que comenzó con la madera termotratada, seguimos con la madera acetilada hasta llegar a la madera furfurilada. Hemos visto que cada una estos tipos se obtiene a partir del correspondiente proceso de modificación de la madera, que se engoblan principalmente en 2 grandes grupos: la modificación química y la modificación térmica, pero existen un tercero, la modificación por impregnación(1).

La madera furfurilada. 

La furfurilación de la madera consiste en un tratamiento químico a base de alcohol furfurílico, que un compuesto orgánico derivado obtenido del procesado del furfural (2). El furfural, es un derivado de subproductos de la agricultura como podrían la caña de azúcar o el maíz, los girasoles o el trigo, o residuos de la biomasa como las virutas de madera de abedul, se obtiene mediante la deshidratación industrial de dichos subproductos con ácidos minerales líquidos.

Como otros tratamientos, este proceso necesita unas condiciones determinadas para que produzcan los resultados deseados, por lo que para se realiza en autoclave y una serie de etapas, descritas como impregnación, curado y secado. Este tipo de tratamiento da como resultado una madera dura, pesada, dimensionalmente estable y resistente a la putrefacción. Se considera que es un tratamiento prometedor sobre todo en lo tocante a la durabilidad, a tenor de las pruebas realizadas hasta la fecha.


Imagen 1: Alfred J. Stamm en el escritorio | Fuente: Colección de fotografías de archivos universitarios.  College of Natural Resources (UA023.015), Centro de investigación de colecciones especiales en las bibliotecas de la Universidad Estatal de Carolina del Norte 

Origen

Los primeros intentos de furfurilar la madera (C5H6O2) se remontan a los años 50 del siglo XX y fueron realizados por el Dr. Alfred J. Stamm. Posteriormente sus pasos los prosiguió su alumno Irving Goldstein enfocando su investigación hacia la búsqueda de nuevos catalizadores tale como el cloruro de zinc para su aplicación en chapas para revestimientos de madera. Dichas investigaciones descubrieron que con una solución de 90% de alcohol furfurílico se obtiene una alta estabilidad dimensional y de resistencia a hongos, ácidos y álcalis, lo que llevó a la empresa Koppers Wood Incorporated a poner en marcha una pequeña producción de esta nueva madera modificada para su comercialización. 

La investigación y el desarrollo llevó a que años más tarde se abordase un proceso de mejora enfocado al aspecto estético y tomando como base maderas más económica, pero los resultados fueron negativos ya que el propio catalizador empleado degradaba la celulosa lo que afectaba directamente a la resistencia del producto.

Durante los años 90 se produjeron nuevos avances gracias a los profesores Schneider y Westin que afrontaron prometedoras investigaciones sobre nuevos sistemas de catalización. En ambos casos, sustituyeron el catalizador, empleando anhídridos carboxílicos cíclicos, principalmente anhídrido málico en vez del cloruro de zinc. Este nuevo sistema daba como resultado soluciones estables con buenas propiedades de impregnación y cualidades mejoradas como la solidez, la dureza, la durabilidad, la resistencia a la pudrición y color en la madera.

El avance fue muy importante y marcó un punto de inflexión, ya que este nuevo método es aplicable a cualquier tipo de madera que pueda ser impregnada.

Imagen 2: Principales reacciones involucradas en la polimerización del alcohol furfurílico (Gerardin 2016) | Fuente:  https://bioresources.cnr.ncsu.edu/

El proceso

Al igual que la  madera acetilada es obtiene a partir de un proceso químico en el que se producen una serie de reacciones complejas, y del cual se fabrica un nuevo producto que mejora algunas de las características iniciales. En este caso el método de  furfurilación consiste en modificar las moléculas de la celulosa de manera que éstas puedan absorber dicho alcohol.  

“La reacción química del catalizador ácido es muy compleja y el resultado es un polimero furano altamente ramificado y reticulado integrado entre las paredes celulares poliméricas de la madera.  Los parámetros de reacción (tipo de catalizador y concentración, pH, temperatura, presencia de agua etc.) afectan altamente a los productos resultantes; por ejemplo el grado de inserción de las moléculas de alcohol, tipo de enlace, el tipo dominante de unidades de polímeros y la degradación de los componentes de la madera (en su mayor parte por hidrólisis de celulosa y hemicelulosas). Las propiedades de la madera tratada con FA dependen de la retención del FA polimerizado (PFA) en la madera. A un nivel de modificación alto (alta retención de PFA) se obtiene un considerable incremento de la dureza, alta resistencia a la degradación química, o causada por hongos e insectos, incremento en los módulos de rotura y elasticidad (MOR & MOE), y una alta estabilidad dimensional. A un nivel de modificación más bajo ocurre también una intensificación de las cualidades de la madera, aunque en menor medida».
(3)

Kebony Technology from Kebony North America on Vimeo.

En resumen, la furfurilización consiste en la impregnación con ácido furfurílico, en forma de resinas furfurílicas y calor. Estos compuestos químicos se introducen en la madera mediante impregnación, después de la cual se somete a un proceso de curado, y gracias al cual se produce una nueva red de polímeros rígidos que modifica las propiedades de la madera original.

Imagen 3: KebonyProcess | Fuente: zigersnead.com

Los métodos actuales 

La tecnología para la producción industrial de madera furfurilada la aplica actualmente la empresa noruega Kebony AS (antes Wood Polymer Technologies). Dicha tecnología se basa en un tratamiento que consta de varias fases. De forma escueta, consiste en realizar en autoclave (presión al vacío) el proceso de secado y polimerización de los productos químicos en las células de la madera.  

El proceso industrial de furfurilación de la madera consta de los siguientes etapas de transformación:

1. Almacenamiento y mezcla de productos químicos

Las soluciones de tratamiento se mezclan en un tanque de mezcla separado donde se agregan diferentes productos químicos (alcohol furfurílico, iniciadores / catalizadores, agentes tamponadores, tensioactivos, agua). La solución mezclada se bombea a uno de los tanques de compensación. Los productos de condensación serán reutilizados en el momento de mezclar la solución. El alcohol furfurílico se almacena en un tanque separado en el exterior que tiene una cubeta a fin de evitar que un eventual escape se filtre al suelo.

2. Impregnación. 

El material de madera (es decir, maderas blandas o duras tratables) se impregna a presión al vacío con la solución de tratamiento mediante un proceso de celda completa con un paso de vacío durante 30-60 minutos, un paso de presión de 10 barias durante 2 horas y un paso de post-vacío corto.

3. Secado intermedio

La solución se diluye con agua a niveles más bajos de modificación y como consecuencia la madera impregnada requiere un secado intermedio antes de ser curada. 

4. Reacción/curado.

Durante este paso se produce la polimerización in situ de los productos químicos y las reacciones de injerto con los componentes poliméricos de la madera. La cámara de curado se calienta con inyección directa de vapor a temperaturas entre 80-140 grados, donde la temperatura alcanzada depende del uso del producto. El tiempo de curación es de 6 a 8 horas. La cámara funciona como un sistema cerrado durante el período de curado, excepto durante un período de ventilación al final. El gas de ventilación se enfría y el condensado se separa del gas. El condensado vuelve al tanque de condensado para su reutilización.

5. Secado.

El secado final del material de madera en un horno secador es esencial para minimizar las emisiones y obtener el contenido de humedad final deseable.

6. Limpieza.

Las emisiones durante el proceso se gestionan mediante la limpieza de los gases ventilados.

Imagen 4: Kebony Character | Fuente: https://resawntimberco.com/

Características de la madera furfurilada.

La furfurilación mejora considerablemente la higroscopicidad de la madera y, al mismo tiempo, incrementa su densidad y su dureza. Las propiedades mecánicas tienden a mejorar, excepto la resistencia al impacto, pero por contra el color de la madera tiende a oscurecerse. Con una retención adecuada, la madera furfurilada puede alcanzar la máxima categoría de durabilidad natural (muy durable) frente a los hongos de pudrición y puede alcanzar la máxima categoría existente de durabilidad natural (clase 1, muy durable), según la norma UNE-EN 350-2. Análogamente, la durabilidad frente a las termitas se incrementa considerablemente. 

Por tanto, aplicando este tratamiento:

  • La estabilidad dimensional aumenta.
  • La hinchazón y merma disminuye considerablemente (máximo movimiento 4-6%).
  • La durabilidad se incrementa (Clase 1-2).
  • Densidad y dureza aumentan entre 13-28%.
  • Resistencia a impacto se reduce.
  • Conductividad térmica aumenta un 3-5% respecto a la madera de la que procede.
  • Absorción de agua, se reduce hasta un 30-35%.
  • Reacción al fuego, similar a la de la especie de madera de la cual procede.

A esta características se une serie de ventajas medioambientales tales como 

  • Pueden emplearse especies autóctonas para fabricarlo, con lo que se evita el consumo de combustibles petroquímicos para el transporte. 
  • Es renovable y completamente reciclable.
  • El alcohol furfurílico es de origen natural y renovable, y no es tóxico ni contaminante. 
Imagen 5: Dunn solutions | Fuente: https://solutions.dunnlumber.com/

Usos

Las principales aplicaciones se encuentran en fachadas, carpintería de exterior, mobiliario urbano y de jardín, fachadas, entarimados de exterior, cubiertas de embarcaciones marinas, elementos estructurales, etc. 

Conclusiones

Nuevas modificaciones continuarán apareciendo en un futuro próximo, o no tanto, y su uso por parte de los prescriptores será mayor, lo que impulsará las clases de uso de maderas disponibles actualmente en un intento de avanzar hacia un desarrollo más sostenible. 

Por lo tanto el empleo de la madera en arquitectura, no ha hecho más que empezar a despegar, y así el uso de maderas modificadas, como la madera furfurilada dispone de un futuro prometedor ya que su impacto ambiental del producto final es mínimo.

Imagen 6: Casa para botes en Noruega. TYIN tegnestue | Fotografía: Pasi Aalto | Fuente:plataformaarquitectura.cl

Como ejemplo de obra se propone la revisión de Casa para botes en Noruega de Tyin Tegnestue, finalizada en 2011 y así comprobar el uso de la madera furfurilada en arquitectura. 

“Las casas para botes en Noruega se han utilizado tradicionalmente para almacenar embarcaciones y elementos de pesca, pero ahora muchos de ellos están siendo reconvertidos para su uso recreativo de verano. En este terreno, la casa existente estaba en mal estado y tuvo que ser demolida, pero su forma simple, su emplazamiento sensible y el honesto uso de los materiales inspiraron el diseño del nuevo edificio.”

Notas:

(1) “Tal vez el punto de inflexión respecto a la forma en que debería de abordarse el tratamiento de la madera pueda ser la European Conference on Good Modification celebrado en Gent (Bélgica) en el año 2003, como resultado final del grupo de trabajo “Good Modification the Nobel Base, Providing Material with Superior Qualities without Toxic Residue”, bajo los auspicios de la SHR Timber Reseach.” Félix L. Suárez Riestra

(2) El nombre furfurales por la palabra latina furfur, «salvado«, en referencia a su fuente común de obtención. 

(3) “Un último tipo sería el uso de N-methylol, a partir de etilenos de urea (DMDHEU) capaz de reaccionar con los grupos hidróxidos de la lignina y de la hemi-celulosa, formando complejos polimeros, aunque este tipo de tratamientos presenta el inconveniente de una ganancia en peso que puede llegar al 40%, concluyendo que no aporta propiedades resistentes mejoradas.”  


Bibliografía .

ACCOYA (2011). La madera Accoya. Guía de información. 23 pp. ACCOYA (2012). Structural Design Guide to Eurocode 5. 24 pp. 

EUWID. (2010). European thermally modified timber suppliers are still enlarging capacity. Vol. 84, No. 43, pp. 1-12. 

FINNISH THERMO WOOD ASSOCIATION. (2003). Thermo Wood Handbook. Helsinki, 66 pp. 

HILL, C.A.S. (2006). Wood Modification Chemical Thermal and Other Processes. Wiley Series in Renewable Resources, John Wiley & Sons, Ltd., USA. 260 pp. 

HOMAN W, TJEERDSMA B, BECKERS E., JORISSEN A. (2000). Structural and other properties of modified wood. Proceedings World Conference on Timber Engineering, Whistler, Canada, paper 3-5-1 INTERNATIONAL THERMOWOOD ASSOCIATION. (2013). ThermoWood production statistics 2012, 8 pp. IV. 

KEBONY ASA. (2011). Product Datasheet. Item 1030, 22 pp. 

Malmanger, N. (2003) Modificación de la madera con alcohol de furfuryl. Boletín de Información Técnica AITIM, 225. 

MILITZ, H., LANDE, S. (2009). Challenges in wood modification technology on the way to practical applications. Proceedings of the Fourth European Conference on Wood Modification. SP Technical Research Institute of Sweden, Wood Technology, Stockholm, Sweden. pp. 3-12. 

ROWELL, R.M., KONKOL, P. (1987). Treatments that enhance physical properties of wood. USDA Forest Service general technical report FPL-GTR-55, Madison, Wisconsin, 12 pp. 

ROWELL, R.M., KATTENBROEK, B., RATERING, P., BONGERS, F., LEICHEER, F., STEBBINS. H. (2008). Production of dimensionally stable and decay resistant wood composites based on acetylation. Proceedings:11th International Conference on Durability of Building Materials and Components. Istanbul, Turkey, pp 693-701. 

TIMBER RESEARCH AND DEVELOPMENT ASSOCIATION. (2010). Modified Wood Products. Trada Technology Ltd, 8 pp. 

TOUZA, M. (2013). Guía de la madera. Capítulo 2. Durabilidad. Documento de aplicación del CTE. Confemadera hábitat, Madrid. pp. 23-27. 

TOUZA, M. (2012). Madera modificada: nuevas posibilidades constructivas en madera. IV Simposium Internacional de Arquitectura y Construcción en Madera. 

UNE-CEN/TS 15679:2009. Madera modificada térmicamente. Definiciones y características. 

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.

SUÁREZ RIESTRA, FÉLIX L.(2011) Tratamiento de modificación química del madera. El proceso de Acetilado. TFM. Universidade da Coruña.


Si te ha gustado este artículo, no te pierdas los anteriores de la serie:

MADERA MODIFICADA

MADERA MODIFICADA II. MADERA TERMOTRATADA

MADERA MODIFICADA III. MADERA ACETILADA

Alberto Alonso