Elaboración de Madera Plástica Con Propiedades Ignífugas A Partir Del

 

R evista F or est sta al B ar acoa coa vo vol. l. 33, N úm úme er o E sp spe ecial 2014  A  Artícu rtículo lo ci ent ntíf ífico ico,, pp. 227 27-24 -240 0

I SS SSN N : 2078-723 2078-7235 5  

ELABORACIÓN DE MADERA PLÁSTICA CON PROPIEDADES IGNÍFUGAS A PARTIR DEL PINU PIN US CARTERMOP IBAE A MORELET C A R I B A E A  BARRET APROVECHAMIENTO DEL  Y ASERRÍN GOLFARI DE Y RESIDUOS RES IDUOS TERMOPLÁSTICOS. LÁSTICOS.V A R . CA

ELABORATION OF PLASTIC WOOD WITH FIREPROOF PROPERTIES TO LEAVE OF THE USE OF THE SAWDUST DE PIN PINU US CAR IBAE A  MORELET V A R . C A R I B A E  A BARRET AND GOLFARI AND RESISTANT PLASTIC RESIDUALS. Autores:Dr. C Yonny Martínez López1 Dr. C Raúl Ricardo Fernández Concepción2  Dr. C Daniel Álvarez Lazo 3  Dra. C Máryuri García González4  Ing. Emilio Martínez5

RESUMEN La poca utilización de los residuos de madera (aserrín), así como los derivados de la industria del plástico, han contribuido a incrementar el grado de contaminación del medio ambiente, en los lugares donde ellos son depositados. El objetivo de la investigación es mostrar un acercamiento a la necesidad de utilización de estos residuos, considerando que de ellos se pueden obtener otros materiales muy demandados por la sociedad (tableros), esto se logra mediante la utilización de una tecnología de extrusión existente en el país que permite obtener un aglomerado que por sus componentes se denominará tablero de madera plástica con propiedades ignífugas, se obtiene mezclando los residuos termoplásticos reciclados, fibras naturales (utilizando el aserrín de Pino) y otros aditivos que le aportarán las propiedades deseadas, este tablero tiene un aspecto similar a la madera, y por sus característica característicass presentan ventajas significativas con respecto a la madera y tableros derivados de esta, ya que además de ser más baratos y tener muy buenas propiedades físicomecánicas tiene propiedades de resistencia al fuego (ignífuga), lo cual aumenta significativamente su valor agregado y amplia aun más las perspectivas de utilización como material para la construcción.  Además cuentan con mayor estab estabilidad ilidad dime dimensional nsional po porr lo que requie requieren ren de menos ma mantenimiento ntenimiento.. Palabras claves: residuos industriales, madera plástica, ignífugo.

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SUMMARY the low utilization of wood waste (sawdust) and the derivatives of the plastics industry have helped increase the degree of contamination of the environment, in places where they are deposited. The aim of the research is to show an approach to the need for the use of these residues , considering that they can obtain other materials in high demand by the company (boards) , this is achieved by using a technology of existing extrusion in country that allows to obtain an agglomerate board by its components will be called wood plastic with flame retardant properties is obtained by mixing the recycled waste thermoplastics , natural fibers (using pine sawdust) and other additives to provide desired properties , the panel has look similar to wood, and its characteristics have significant advantages over wood -based panels and this , as well as being cheaper and having very good physical and mechanical properties has properties of fire resistance ( fire retardant ) which significantly increases its value added and broad prospects for further use as construction material material.. They also have greater dimensional stability so they require less maintenance. Keywords: industrial waste, plastic wood , fireproof

INTRODUCCIÓN La industria de la madera tiene la característica de generar grandes volúmenes de residuos durante el proceso de explotación y elaboración de la misma, esto ocurre antes que la madera sea introducida en el proceso industrial hasta la obtención del producto final (Álvarez et al .,., 2010, citado por Ayessaet al.,  2010). Estos residuos pueden formar parte del mundo de la economía al considerar el valor que se le asigna y sus posibilidades de utilización acorde con los conocimientos científicos y técnicos del momento. Teniendo en cuenta que al formar parte de la materia prima para la elaboración de algún producto, llegan a adquirir un valor en el mercado. Hoy la sociedad junto a la revolución tecnológica, han dado lugar a la mayor producción de residuos de toda la historia de la humanidad humanidad,, al promover que los nuevos modelos de desarrollo deben basarse en tecnologías de producción sin residuos, o con un mínimo de ellos, acompañado de una política de recuperación de estos (Shukla y Pascal, 2008). Las mejoras tecnológicas permitirán resolver simultáneamente los problemas de la contaminación, así como la escasez de recursos naturales, sin embargo, aun cuandose ha empezado a tomar conciencia del problema y se habían iniciado soluciones para disminuirla, es precisamente cuando la economía se encuentra minimizada para soportar las cargas que tales soluciones implican. El desarrollo de nuevos materiales derivados del reciclado de plásticos y de la madera se está convirtiendo en una alternativa real y ventajosa, abriéndose toda una gama de oportunidades y posibilidades posibili dades por su aplicación en productos para diferentes ámbitos debido a las numerosas ventajas que presentan, sobretodo, para su uso en exteriores. Estos tableros se elaboran mezclando plásticos sintéticos y harinas o fibras vegetales, y son de creciente interés en la ciencia e ingeniería de materiales. 228

 

Su valor ambiental se evidencia en que este material permite fabricar estructuras recicladas y reciclables que favorecen la reutilización y la valorización de los residuos. Este tipo de tablero no se daña a la intemperie ni en contacto con el agua, presenta buenas propiedades físico-mecánicas, lo que le atribuye una vida útil superior a la madera y demás materiales de la construcción, proporcionando proporcionan do una trabajabilidad muy eficiente. En esta investigación a partir de la mezcla de aserrín de Pinus caribaea Morelet varcaribaea Barret y Golfari con residuos termoplásticos y aditivos químicos, se elaboró un producto forestal que por su baja porosidad, su resistencia a las propiedade propiedadess físico-mecánicas, sus propied propiedades ades ignífugas y su bajo costo de producción, producción, puede llegar a ser un fuerte competid competidor or frente a los materiale materialess comúnmente utilizados en la construcción de elementos para viviendas, edificios y embalajes de aplicaciones tanto en interiores como en exteriores, sustituyendo a tableros convencionales y a los metales con grandes ventajas frente a los efectos del intemperismo y como retardador del fuego. Sus características le permiten incorporar cualquier tipo de herraje, y su acabado natural lo exonera de la aplicación de pinturas, recubrimientos y barnices (Martínez et al .,., 2012).

MATERIALES Y MÉTODOS Determinación de las fórmulas empleadas para la elaboración del tablero de madera plástica (MP) a escala de laboratorio. Durante la investigación se elaboraron un total de seis formulaciones mediante moldeo por extrusión (desarrolladas a partir de las dosificaciones de aserrín, plástico y aditivos químicos). Como fórmula ―punto de partida‖ o ―fórmula testigo‖, se tomó la utilizada para la tecnología existente en la Empresa

Emilio Barcenas Pier, la cual tiene una relación de aserrín-plástico-aditivo de 50-30-20 respectivamente. El diseño experimental se desarrolló a partir de la evaluación de 3 fórmulas empleando aserrín con resina, donde se fueron disminuyendo las dosificaciones de los aditivos químicos (carbonato de calcio, ácido esteárico, estearato de calcio, estearato de zinc, polietileno wax y couplingagent) debido a que son de menor densidad densidad,, mayor rigidez y resistencia, además de ser materiales renovables, abundantes y económicos, menos abrasivos para el proceso de fabricación, neutros en emisiones de CO2, e inocuos (Wolcott y Englund, 1999; Wambua W ambuaet al.,  2003), y aumentando las concentraciones concentrac iones de tetrabrik como parte de la matriz termoplástica. Similar procedimiento fue realizado para las otras tres formulaciones, en las que se empleó aserrín sin resina. Los resultados obtenidos fueron procesados con el procesador estadístico Statsoft, STATISTICA Inc., 2005, versión 7.1. Se empleó el análisis descriptivo para caracterizar estas variables, se realizó el análisis de supuesto de normalidad con el text de Shapiro-Wilk (anexo 11) para tener una mejor inferencia estadística de los resultados, así como para seleccionar el tipo de comparación métrica, del cual resultó un análisis no paramétrico al no cumplirse el supuesto de normalidad (p0,05. Por su parte la prueba de correlación de los rangos según test de Spearman para evaluar el comportamiento de las propiedades evaluadas en los tableros, demostró que de forma general existe una correlación fuerte (más de 95 %) entre todas las propiedades evaluadas, donde se puede corroborar que a medida que las propiedades físicas (CH, ABA, H) son mayores existe una tendencia a disminuir la resistencia respecto a las propiedades mecánicas (F, C, T). De igual forma para la densidad de los tableros, para aumentos de densidad se detectan una disminución de la resistencia ante las propiedades físicas y un aumento en las propiedades mecánicas (Poblete y Roque, 2006).  Aun cuando los estadígrafos evaluado evaluadoss expongan que entre ellos no hay diferencias, el comportamiento para esta formulación (F 6), demostró que su comportamiento ante todas las propiedades físicas y mecánicas evaluadas en la experimentación, fue la de mejor comportamiento respecto a las diferentes variantes. Posibilitó mostrar los valores mínimos de contenido de humedad, absorción de agua durante un tiempo de 72 h e hinchamiento (4,13 %; 0,22 % y 0,15 % respectivamen respectivamente), te), así como el valor máximo de densidad (1050 kg/m3), favorecida por el aumento de la matriz termoplástica a partir del uso del tetrabrik, demostrando un buen encapsulamiento de las partículas de madera, lo cual permitió que este tablero no sufra deformaciones dimensionales bajo la acción del agua. 234

 

Su comportamiento en las pruebas mecánicas muestra los mejores resultados, evaluados por la resistencia a la flexión estática, a la compresión y tracción (17,53 Mpa, 138,10 Mpa y 28,2 Mpa respectivamente), estas propiedades demuestran una buena compatibilidad dada por la razón de compresión obtenida (1,75), condicionando una buena calidad de los enlaces de las partículas madera-termoplástico-aditi madera-termopl ástico-aditivos, vos, que contribuyen a ofrecer mayor resistencia a la dirección opuesta de las fuerzas durante el ensayo de tracción, así como para los demás propiedades mecánicas.

Evaluación de las propiedades ignífugas del tablero.  En la tabla 3 columnas 2 y 3 se informa, según lo estipulado en la norma UNE EN 13823 la velocidad de carbonización y profundidad de carbonización, así como los criterios de clasificación según la norma UNE 13501 en la columna 4.

Tabla 3. Resultados de las propiedades ignífugas Tipo de tableros 

Bn  (mm/min) 

dchar   (mm/min) 

Criterios clasificación 

Tablero Testigo 

0,58 

12,18 

FIGRA= 210,12 Ws-1  THR600s= 10,5 MJ  SMOGRA=150 m2s-2  TSP600s=120 m2 

C-s2,d1 

Tablero MP (F1) 

0,56 

11,76 

FIGRA= 209,10 Ws-1  THR600s= 8,2 MJ  SMOGRA=150 m2s-2  TSP600s=100 m2 

C-s2,d1 

Tablero MP (F2) 

0,54 

11,34 

C-s2,d1 

Tablero MP (F3) 

0,52 

10,92 

FIGRA= 200,24 Ws-   THR600s= 8,1 MJ  SMOGRA=140 m2s-2  TSP600s=100 m2  FIGRA= 200,20 Ws-1  THR600s= 8,1 MJ  SMOGRA=130 m2s-2  TSP600s=90 m2 

de

UNE-EN 13501 

C-s2,d1 

-1

Tablero MP (F4) 

0,25 

5,25 

FIGRA= Ws THR 4,2 MJ     600s=95,20 2 -2  SMOGRA=30 m s TSP600s=50 m2 

B-s1,d0 

Tablero MP (F5) 

0,23 

4,83 

FIGRA= 95,20 Ws-1  THR600s= 4,2 MJ  SMOGRA=30 m2s-2  TSP600s=50 m2 

B-s1,d0 

Tablero MP (F6) 

0,18 

3,78 

FIGRA= 90,10 Ws-   THR600s= 3,2 MJ  SMOGRA=25 m2s-2  TSP600s=30 m2 

B-s1,d0 

Donde:

Bn: velocidad de carbonización. TSP600s: producción total de humo.

dchar : profundidad de carbonización. SMOGRA: velocidad de propagación de humo. 235

 

FIGRA: velocidad de propagación del fuego. THR: emisión total de calor. En ella se puede observar que los valores de velocidad de carbonización variaron desde 0,18 hasta 0,58 mm/min, de igual forma para los valores de profundidad de carbonización, mostrando valores desde 3,78 hasta 12,18 mm/min. Se demuestra que los menores valores en cuanto a estos parámetros de resistencia al fuego lo reflejaron aquellas formulaciones donde se utilizó aserrín sin resina, y a su vez se incrementaron las concentraciones de tetrabrik, mostrando el mejor comportamiento comportamien to la fformulació ormulación n seis (F6). Este comportamiento puede estar dado al tratamiento previo realizado a la materia prima (aserrín), referido a la eliminación del contenido de resina de la madera, que se considera como un elemento combustible, además de que esta fue la fórmula donde intencionalmente se le proporcionó mayor porciento de tetrabrik y además por contar con las propiedadess estabilizantes del calor atribuida por los aditivos estearato de calcio y estearato de zinc. propiedade En el test de Kruskal-Wallis se demuestra que entre los tableros de MP obtenidos no existe diferencia significativa (p>0,05), solo existe diferencia entre la formulación F6 con relación al testigo para la profundidad de carbonización, y para la velocidad de carbonización las formulaciones 5 y 6 respecto al testigo. Este comportamiento da muestras del efecto del tratamiento al aserrín además de las dosificaciones de tetrabrik. Por su parte la prueba de rangos de correlación de Spearman infiere que la relación entre las propiedades evaluadas es fuerte (97 %), demostrando que a medida que aumenta la velocidad de carbonización aumenta la profundidad de carbonización. La aplicación de bajas dosificaciones de aditivos en las formulaciones tienen un efecto mínimo ante el comportamiento al fuego en los tableros de MP, aunque existen otros aditivos que pueden garantizar un buen comportamiento de los compuestos ante el fuego (silicato de sodio, fosfato amónico, fosfato de resinas sintéticas, fosfato cálcico, las mezclas de bórax y aceite de linaza, pinturas de caseína, pinturas con vermiculitas y material materiales es intumesc intumescentes) entes)

su aplica aplicación ción debe se serr estudiada con

detenimiento ya que pueden ocasionar efectos secundarios en caso de incendio como desprendimiento desprendimi ento de gases tóxicos, además de ocasionar una baja resistencia de los compuestos ante las propiedades físicas y mecánicas (Decorespacio, 2008; Chuen-Shii et al., 2009). El estudio realizado en esta investigación permitió demostrar que mediante la utilización de tetrabrik se pueden alcanzar muy buenos resultados en cuanto a los parámetros de resistencia al fuego, dado los valores obtenidos en las formulaciones ante estas propiedades, infiriendo que las dosificaciones de termoplásticos (tetrabrik) como uno de los componentes del tablero permite además de mejorar el encapsulamiento de las partículas de madera, un mejor efecto sobre los parámetros de la resistencia al fuego. Es importante destacar que una vez retirado de las probetas el quemador, los tableros correspondientes al testigo, F 1, F 2, F 3 permanecieron incendiados, lo cual permite clasificarlo como d1, relacionado con la caída de gotas inflamadas inf lamadas según los criterios de clasificación para la reacción al fuego. Sin embargo para las formulaciones F 4, F 5 y F 6 las llamas producidas durante el ensayo se eliminaron al retirar el quemador, de manera que ellos fueron los que mostraron mejor comportamien comportamiento to 236

 

en las pruebas realizadas de resistencia y reacción al fuego. A pesar del buen comportamiento de estas formulaciones se puede destacar que la que ofreció los mejores resultados en cuanto a los parámetros de resistencia y reacción al fuego fue la correspondiente a la formulación seis (F 6), mostrando los menores valores de la profundidad de carbonización (3,78 mm/min) y de velocidad de carbonización carbonizaci ón (0,18 mm/min).

CONCLUSIONES  

La compatibil compatibilidad idad entre el aserrín de Pinus caribaea var caribaea caribaea  y los residuos termoplásticos quedó demostrada por el valor de razón de compresión alcanzado por la formulación 6 (F6) de 1,75, infiriendo el buen encapsulamiento de las partículas de madera por la matriz termoplástica. Lo cual posibilita obtener tableros de madera plástica de muy buena calidad.

 

Se demostró que en la medida que se aumentó la matriz ter termoplástica moplástica en las formu formulaciones, laciones, la lass propiedades físico-mecánicas fueron mejorando, mostrando el mejor comportamiento la formulación 6, con una densidad de 1050 kg/m 3, el contenido de humedad de 4,13 %, la absorción de agua durante 72h de 0,22 %, el hinchamiento de 0,15 %, la flexión estática de 17,53 Mpa, la compresión de 138,10 Mpa y la tracción paralela a las caras de 28,2 Mpa. Estos indicadores validan su utilidad en diferentes usos como alternativa para la construcción, condicionando su perspectiva para la diversificación industrial.

 

El uso del tetrabrik co como mo elemen elemento to retardador del fuego demostró u una na buena incidencia dentro de las formulaciones obtenidas, los criterios que validan tal efecto brindan el mejor comportamiento en la fórmula 6, al mostrar valores de velocidad de carbonización de 0,18 mm/min, la profundidad de carbonización de 3,78 mm/min, los parámetros de reacción al fuego permiten clasificarlo como un tablero B-s1,d0 según la UNE 13501.

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BIBLIOGRAFIA Universitaria: a: 1.  Álvarez, D; Dorado, M; Fernández, H. (2010). Tecnología de la madera. Editorial Universitari Universidad de Córdoba. Argentina. 258 p.

2.  Ayessa, L; Álvarez, D; Estévez, I; Chávez, P; Cruz, II;; Alaejos, J. (2010). Transformación mecánica de la madera con bajo impacto ambiental. Volumen 29 No Especial de la Revista Forestal Baracoa. 12 p.

3. Chuen-Shii, C; Sheau-Horng, L; Chin-I, W. (2009). Preparation and characterization of the intumescent fire retardant coating with a new flame retardant.  Advanced Powder Technology   20 (2009) 169 –176. Published by Elsevier B.V. on behalf of The Society of Powder Technology Japan.  

4. Decorespacio

(2008).

Productos

retardantes

del

fuego.

http://www.decorespacio.com/2008 http://www.decore spacio.com/20080415-produc 0415-productos-retardantes-de tos-retardantes-del-fuego.html. l-fuego.html.  

Disponible

en

(Consulta:

Julio

2011).

5. Kim, S; Moon, J; Kim G; Ha, Ch. (2008). Mech. Prop. of PP/natural fiber composites: Comparison of wood fiber and cotton fiber. Pol. Test. 27: 801-806. 

6. Martínez, Y; Fernández, RR; Álvarez, H; García, M; Rodríguez, R. (2012b). Perspectivas para la utilización del aserrín en la producción de tableros madera plástica con propiedades ignifugas. Revista Avances. Vol 14(2). 7p.

7. Moya, C. (2011). Compuestos lignocelulosico-plástico obtenidos a partir de harina de Madera o corteza de Pinus radiata  y polietileno reciclado fabricado mediante moldeo por inyección. Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Forestales. Universidad de Concepción. Chile. 89p.

8. NC 314: (2004). Tableros de partículas y tableros de fibras —acondicionamiento y preparación de probetas para los ensayos. 9 p.

9. NC-EN 310: (2003). Tableros de partículas y tableros de fibras. Determinación del modulo de elasticidad en flexión y de la resistencia a la flexión. 9 p. tableros leros de fibras. D Determinación eterminación de 10. NC-EN 317: (2003). Tableros de partículas y tab

la dilatación del

espesor después de inmersión en agua. 5 p.

11. NC-EN 319. (2003). Tableros de partículas y tableros de fibras. Determinación de la resistencia a la tracción perpendicular a las caras del tablero. 8p.

12. NC-EN 322: (2003). Tableros de partículas y tableros t ableros de fibras. Determinación de la humedad. 7 p. 13. NC-EN 323: (2003). Tableros de partículas y tableros de fibras. Determinación de la densidad. 7 p. 14. Ngueho, M; Koubaa, A; Cloutier, A; Soulounganga, P; Wolcott, M. (2010). Effect of bark fiber content and size on the mechanical properties of bark/HDPE composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 41: 131-137.

15. Paik, San H; Ai Nee, L; Chit Meng, H. (2008). Physical and bending properties of injection molded wood plastic composites boards. boards. ARPN J. of Eng. and Applied Sc., Vol. 3(5): 1-19. 238

 

16. Poblete, W; Roque, C. (2006). Relación entre la densidad y propiedades de tableros HDF producidos por un proceso seco. Maderas, Ciencia y Tecnología. 8(3): 169-182.  

17. Shukla, S; Pascal, D. (2008). Properties of laminated veneer lumber (LVL) made with low density hardwood species effect of the pressure duration. HolzalsRoh und Werkstoff: European Journal of Wood and Wood Products, Berlin, v. 66, 119-127.

18. UNE-EN 13823. (2002). Ensayos de reacción al fuego de productos de construcción. Productos de construcción excluyendo revestimientos de suelos expuestos al ataque térmico provocado por un único objeto ardiendo ardiendo..

19. UNE-EN 13501 (2010). Clasificación en función del comportamiento frente al fuego de los productos de construcción y elementos para la edificación. Parte 2: Clasificación a partir de datos obtenidos de los ensayos de resistencia al ffuego uego excluidas las instalaciones de ventilación.

20. U.S. Plastic Lumber. (2004). Technical data. 2600 W. Roosevelt Road, Chicago, IL 60608. www.usplasticlumber.com  www.usplasticlumber.com 

21. Valenzuela, L; Nakayama, Y. (1991). Predicting MOR of radiate pine grown in Chile, efficiency of some nondestructive parameters. MokusaiKogyo 46 (5): 213-219.

22. Valenzuela, L; Miyoshi, K; Moya, R. (1999). Eficiencia de algunos parámetros afectando al MOE en flexión del Pinus radiata. Maderas: Ciencia y Tecnología 1 (2): 37-46.

23. Wambua, P; Ivens, Ivens, J; Verpoest Verpoest,, I. (2003). Natural fibres: can they replace glass in fibre re reinforced inforced plastics?. Composites Science and Technology 63(9): 1259-1264.

24. Wolcott, M.; Englund, K. (1999). A Technology Review of Wood Plastic Composites. In Proceeding 33th Int. Particleboa Particleboard rd Composites Material Symposium, Abril 13-15: 1-14. Madison, USA.

De los Autores:  1. Doctor en Ciencias Forestales. Ingeniero Forestal. Investigador Agregado del Centro de Investigacioness y Servicios Ambientales. ECOVIDA. CITMA. Pinar del Río. Cuba. Teléfono:48750060. Investigacione Email:  [email protected] Email: [email protected]   2. Centro de Estudios Forestales. CEF. Universidad de Pinar del Río. Cuba. 3. Departament Departamento o de producción Forestal. Universidad de Pinar del Río. Cuba. 4. Departamentod Departamentode e Ingeniería Industrial. Facultad de Ciencias Económicas y Empresariales. Universid Universidad ad de Pinar del Río. Cuba. Email: [email protected] [email protected]   5. Estación Experimental Agroforestal Baracoa. Km 13 ca carretera rretera a Gu Guantánamo. antánamo.

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RESUMEN CURRICULAR  Autor principal: Yonny Martínez López Ingeniero Forestal, 2003; Doctor en Ciencias Forestales, 2014; Investigador Agregado del Centro de Investigaciones y Servicios Ambientales ECOVIDA del CITMA en Pinar del Río. Profesor adjunto de la Universidad de Pinar del Río, Cuba. Ha impartido varios cursos de pregrado y posgrado vinculado al aprovechamiento forestal, economía y tecnología e industria, ha sido jefe de proyectos, publicado más de 20 artículos científicos, participado en eventos internacionales importantes, obtenido reconocimientos por su trayectoria científica, entre los que se destacan 5 premios de la Academia de Ciencias de Cuba y el Sello Forjadores del futuro en 3 oportunidades. Email:   [email protected] Email: [email protected]

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