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LA MADERA COMO MATERIAL PARA RECUBRIR Dr. Carlos Mongay Batalla Introducción Un conocimiento a fondo del material madera proporciona información necesaria a los departamentos técnicos de las industrias del acabado de éstos materiales para saber qué necesidades puede requerir el material en cuestión. Este material al tener unas propiedades muy particulares necesita de unos productos de acabado que le proporcionen una durabilidad y un mantenimiento mínimo que compensen el aspecto económico que supone el uso de un material ciertamente económico. No tendría mucho sentido el usar este tipo de materiales si después se ha de invertir mucho dinero en su adecuada protección o lo que es peor, en su mantenimiento una vez instalado provocando un gasto innecesario debido a un mal recubrimiento. Son muchos los casos, en que se pretende pseudo-proteger una estructura de madera con barnices sintéticos cuando lo que se necesita es una buena protección con otro tipo de productos para no tener que preocuparse de su posterior mantenimiento. Y al revés, cuando tenemos maderas muy sencillas, en las que su duración no está estimada más allá de los dos años no tiene mucho sentido aplicar unos recubrimientos muy costosos cuando un barniz sencillo de tapaporos puede cumplir la función perfectamente. Descripción La madera es un material compuesto proveniente de los troncos de árboles o arbustos, constituido por fibras de celulosa flexibles embebidas en un material más rígido llamado lignina[1]. Esta sinergia de propiedades, le confieren a la madera unas características intrínsecas propias. Existen dos formas de crecimiento del tronco: un crecimiento primario que conduce al desarrollo en altura del árbol, y un crecimiento secundario que conlleva al aumento de grosor. Esta particular fisiología del crecimiento confiere a la madera unos aspectos interesantes entre los que se pueden resaltar: Las fibras celulósicas, de estructura polimérica, forman parte de sendos tejidos de naturaleza orgánica conocidos como albumen y duramen, susceptibles de ser atacados por la radiación solar, la humedad, la temperatura y algunos seres vivos como los insectos, todo lo cual conduce a su degradación. Sin embargo la causa principal de degradación de la celulosa es su descomposición orgánica. En el sector del tratamiento de la madera, se diferencian decenas de tipos de maderas que pueden clasificarse por su origen (natural o manufacturado), calidad (tipo de árbol del que proviene), preparación (algunas experimentan un tratamiento previo), corte (si es plano o axial), aspecto (colores de las vetas), composición (cantidad de albumen o duramen), aplicación industrial (sector en el que se vaya a utilizar), etc... 1.1. Composición biológica: La madera está formada por células de forma predominantemente alargada, orientadas en la dirección del crecimiento (primario o secundario) del tronco o de la rama. Las células son de diferentes clases funcionales entre las que destacan:[2] Las células del árbol se asocian para dar tejidos y éstos a su vez forman agrupaciones conocidas en el caso de la madera como duramen, que es la parte inactiva y de sostén, y albura que constituye la parte funcional y de crecimiento. La albura se distingue por ser más clara y consta de los tejidos que van desde el último leño hasta el felógeno, tal como se muestra de forma esquemática en la Figura 1. De los tejidos que conforman la albura solamente el cambium y el felógeno contienen células embrionarias (meristemáticas). En el tronco de los árboles además existe la corteza que es la capa externa suberificada, con poca utilidad como sustrato sólido. Como sustrato material, la parte más importante de la madera es el duramen, con mayor tendencia al oscurecimiento que la albura, y que es la parte dura constituida por los leños que ya han crecido y se mantienen relativamente inalterables.
Figura 1. Representación tridimensional de la estructura secundaria del tallo de una dicotiledónea[3] El crecimiento usual de los árboles se produce incrementando cada año un anillo en el tronco. Las propiedades de estos anillos configurarán las propiedades finales de la madera. Cuando el crecimiento del anillo es rápido, las células tienen paredes delgadas con una gran cavidad central (se les conoce como madera temprana[4]); más adelante, cuando el crecimiento se enlentece, las células tienen paredes más gruesas y se hacen más densas (se le conoce como madera tardía[4]). Esta pauta cíclica de crecimiento madera temprana - madera tardía - madera temprana - ... origina el patrón anular que se observa en el corte radial del tronco, y es el principal responsable de la anisotropía de la madera. Esta anisotropía, a su vez, es la causante de que la madera sea más fácil de cortar en sentido longitudinal que radial, lo que explica la diferente elasticidad en un sentido que en el otro, su distinta expansión térmica, su conductividad y otras propiedades que varían bastante según sea la dirección del crecimiento. 1.2. Contenido de humedad Por convenio el contenido de humedad en una madera se mide como el cociente entre el peso de agua en la muestra (pérdida por calentamiento hasta pesada constante) y el peso de la muestra seca, dando el resultado en tanto por ciento. Debido a que el porcentaje se calcula sobre base seca el resultado siempre será mayor que sobre la muestra original. Fundamentalmente el agua se encuentra o bien absorbida por las fibras de celulosa o bien como agua de constitución de las propias fibras. Su contenido depende de múltiples factores como son la especie, la edad del árbol, las condiciones climáticas, la estación, la situación geográfica, la naturaleza del subsuelo, etc...; incluso en una misma pieza talada, el contenido en agua difiere en sentido longitudinal, experimentando una mayor acumulación en los extremos. El porcentaje de humedad puede variar enormemente dependiendo del tipo de árbol, siendo valores usuales los que oscilan entre el 20 y el 45% , aunque tampoco es inusual sobrepasar estos límites; así, en nuestro departamento técnico se han encontrado contenidos del orden del 10% en diversas coníferas. Variaciones similares se tienen también incluso en la madera seca ya preparada (Figura 2), no protegida, pudiendo dar contenidos de agua de hasta un 10% en algunas piezas, a causa de la absorción de humedad ambiental por parte de los tejidos constitutivos de la madera. El contenido de humedad puede controlarse analíticamente, si bien no conviene exponer la madera a un calentamiento prolongado excesivo para no alterar la constitución de sus fibras.
Figura 2. Corte longitudinal de una madera de conífera También es habitual que la albura retenga más agua que el duramen, aunque las diferencias relativas variarán dependiendo del factor que se considere predominante. Así en la madera verde el contenido medio de humedad varía en función de su dureza y del tipo de tejido: la humedad de una madera blanda oscila desde el 150% para la albura hasta el 60% para el duramen, diferencia que no es tan notoria en el caso de las maderas duras, que suele oscilar alrededor del 80% para ambos tejidos.[5] Dentro de la tecnología para el secado de la madera podemos encontrar el secado al vapor y el tratamiento térmico; en el primero las tablas se colocan en compartimentos estancos y permanecen en un baño de vapor durante un tiempo predeterminado hasta que pierda el agua. Para el tratamiento térmico las maderas serradas se introducen en calderas especiales con calor y sin oxígeno, obligando a que la madera libere todos los nutrientes y eliminando las tensiones externa-interna de la madera provocadas por el secado irregular de la técnica anterior. 1.3. Composición química: En la Tabla 1 se recopilan los valores del análisis elemental medio de algunos tipos de plantas, resultando mínimas las diferencias relativas para cada elemento (esas diferencias podrían incluso entrar en el límite de detección con los que se han efectuado estos análisis). Como material orgánico que es, el carbono es el elemento mayoritario, siendo minoritario el hidrógeno debido a la menor influencia que ejerce su bajo número atómico sobre el peso relativo de la sustancia. Los contenidos de oxígeno y nitrógeno muestran la funcionalidad de los compuestos orgánicos de las células de la madera, de forma que las mayores o menores diferencias entre estos contenidos son las responsables de la diversidad de propiedades que presenta la madera como material macromolecular.
Tabla 1. Contenido elemental medio según el tipo de planta Estas mismas diferencias se pueden encontrar para distintos tipos de madera, tal como se refleja en la Tabla 2. Los datos se podrían comparar con los que se obtienen en el cálculo porcentual de la unidad monomérica de la celulosa (Figura 3), cuyos valores serían C - 50.5%, H - 7.4% y O - 42.1%. Estos resultados son relativamente comparables, si bien en las maderas el dato correspondiente al nitrógeno se encuentra acumulado con el del oxígeno.
Tabla 2. Análisis elemental de distintas maderas secas2 Los dos compuestos básicos mayoritarios de la madera son la celulosa y la lignina, admitiéndose en términos generales que las maderas secas contienen un 47-62% en peso de celulosa y un 38-53% de lignina. La celulosa es un polímero constituido por 150 a 5000 unidades de celobiosa (un disacárido formado por dos moléculas de ?-glucosa). La estructura de mayor aceptación es la de un polisacárido de monómeros de celobiosa con enlaces ? (1?4) de tipo acetal, de modo que la hidrólisis última de la celulosa da ?-glucosa, que es relativamente resistente a ácidos minerales diluidos, soluciones alcalinas y agentes oxidantes. Estas largas cadenas tienen una alta resistencia mecánica, que se transmite a los derivados de la celulosa.
Figura 3. Fórmula estructural comúnmente aceptada de la celulosa Las propiedades de flexibilidad y blandura dependen directamente de la longitud de la cadena ramificada que cuelga de las unidades cíclicas de la celulosa así como del número de sustituciones que se den en estas cadenas. Además la funcionalidad de las mismas puede aportar toda una serie de ventajas (en algunos casos inconvenientes) a la estructura polimérica. Una imagen de la celulosa se puede observar en la Figura 4 donde se puede observar la constitución en fibras de la misma.
Figura 4. Imagen de la celulosa de un papel obtenida por SEM[6] Las imágenes obtenidas por Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) pueden tener resoluciones de hasta 10 nm según las condiciones de trabajo. En este caso, la observación se puede dar a una escala mucho mayor ya que la idea es dar un enfoque global sobre la anisotropía de la madera a través de las fibras de celulosa y su ordenamiento. El otro compuesto mayoritario de la madera es la lignina (también conocida como esclerógeno) más rica en carbono, y que es el producto resultante de la transformación de la celulosa, que por modificación de los grupos funcionales altera sus propiedades físicas y químicas. Dar una fórmula estructural sería algo complicado ya que probablemente es una mezcla de varios hidratos de carbono, entre los que se podrían encontrar todavía restos de celulosa y que además estará combinada en las membranas celulares lignificadas formando polímeros estructurales tridimensionales. Estas membranas son duras y rígidas, refringen menos la luz y absorben más agua que las membranas de celulosa. La madera también contiene otros derivados de la celulosa, como la hemicelulosa, que se hidroliza fácilmente por ebullición con ácidos minerales diluidos así como por álcalis diluidos en frío. El restante contenido de las células de la madera está formado por otros azúcares, gomas, y féculas que sirven de alimento a la planta; compuestos tánicos, resinas, materias colorantes, compuestos orgánicos nitrogenados y materias minerales que sirven de protección para la planta, y finalmente un elevado contenido de agua. [1] William D. Callister, Jr.; Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Tomo II, 1996, Ed. Reverté, S. A.; Barcelona, 532-533 |
| MONGAY, S.A. | Para cada aplicación un producto. Para cada producto la máxima calidad. | 06 de Febrero del 2012 |