UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y RECURSOS NATURALES

 

EFECTO DE UN TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO SOBRE LAS PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE PARTÍCULAS Y FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) Y SU INFLUENCIA EN LAS CARACTERÍTICAS FÍSICO-MECÁNICAS DE TABLEROS DE PARTÍCULAS Y DE FIBRAS DE MEDIANA DENSIDAD (MDF)

TESIS DOCTORAL

ROMMEL SANTIAGO CRESPO GUTIÉRREZ

VALDIVIA – CHILE 2014    

 

             

EFECTO DE UN TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO SOBRE LAS PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS DE PARTÍCULAS Y FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) Y SU INFLUENCIA EN LAS CARACTERÍSTICAS FÍSICO-MECÁNICAS DE TABLEROS DE PARTÍCULAS Y DE FIBRAS DE MEDIANA DENSIDAD (MDF)

Tesis presentada a la Facultad de Ciencias Forestales y Recursos Naturales de la Universidad Austral de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar por el grado de Doctor en Ciencias Forestales

por ROMMEL SANTIAGO CRESPO GUTIÉRREZ

VALDIVIA – CHILE 2014    

 

UNIVERSIDAD AUSTRAL DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FORESTALES Y RECURSOS NATURALES INFORME DE APROBACIÓN DE TESIS DE DOCTORADO La Comisión Evaluadora de Tesis comunica al Dr. Andrés Iroumé Arrau, Director de la Escuela de Graduados de la Facultad de Ciencias Forestales y Recursos Naturales que la tesis de doctorado presentada por el candidato

ROMMEL SANTIAGO CRESPO GUTIÉRREZ

Ha sido aprobada en el examen de defensa de tesis rendido el día 2 de diciembre de 2014, como requisito parcial para optar por el grado de Doctor en Ciencias Forestales. Y, para que así conste para todos los efectos firman: Profesor Patrocinante de Tesis: Dr. Hernán Poblete Wilson

Comisión Evaluadora de Tesis: Dr. Rogelio Moreno Muñoz

Dr. Francisco Burgos Olavarría

PhD. Luis Valenzuela Hurtado    

 

Dedico esta tesis doctoral a mi esposa Jessenia Alexandra, a mis hijos Jürgen Sebastian y Brittany Alanis, a mis padres Santiago y Gloria, a mis hermanas Diana y Dalila, y a toda mi familia.    

 

Rommel Santiago Crespo Gutiérrez agradece el financiamiento de sus estudios de doctorado a la beca otorgada por la Secretaria Nacional de Educación Superior, Ciencia, Tecnología e Innovación (SENESCYT) de Ecuador.

   

 

AGRADECIMIENTOS Mis más sinceros y profundos agradecimientos a las siguientes instituciones y personas: Universidad Técnica Estatal de Quevedo (UTEQ) de Ecuador, por haberme concedido el aval académico para poder realizar mis estudios de doctorado. Dr. Hernán Poblete Wilson, profesor titular del Instituto de Bosques y Sociedad de la Facultad de Ciencias Forestales y Recursos Naturales, por su acertada guía, transmisión de conocimientos, amistad y confianza durante todo el tiempo de mis estudios. A los profesores Dr. Francisco Burgos, Dr. Juan Eduardo Diaz-vaz, Dr. Roberto Juacida, Dr. Aldo Rolleri y Dr. Alfredo Aguilera, del Instituto de Bosques y Sociedad de la Universidad Austral de Chile, por los conocimientos impartidos, apoyo, consejos y amistad. PhD. Luis Valenzuela Hurtado, profesor titular de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad de Concepción por su apoyo, amistad, consejos, transmisión de conocimientos, y su gran aporte durante mis estudios. Candidato a Doctor en Ciencias Forestales Guillermo Soto, por su apoyo en la realización de los ensayos mecánicos y por su amistad incondicional. Laboratorio Silvotecnológico de la Madera de la Facultad de Ciencias Forestales de la Universidad de Concepción, por las facilidades otorgadas para la realización de los ensayos mecánicos. A los técnicos Alicia Fernández, Marco Torres y Luis Inzunza Diez, por su incondicional ayuda e instrucción durante la realización de los ensayos físicos, químicos y en la fabricación de los tableros. A mis padres Santiago Bolívar Crespo Orellana y Gloria Gutiérrez Arias, así como a mis hermanas Diana Gloria y Lourdes Dalila Crespo Gutiérrez, que a pesar de encontrarse a muchos kilómetros de distancia siempre me apoyaron moralmente, aconsejaron, y confiaron en mi capacidad para la culminación exitosa de mis estudios. A mi esposa Jessenia Alexandra Vélez Cano, por su amor, apoyo y ayuda incondicional, así como por haberme acompañado durante estos cuatro años de estudios de posgrado.

   

 

A mis hijos Jürgen Sebastian y Brittany Alanis Crespo Vélez, que a pesar de su tierna edad me acompañaron durante todo el tiempo de estudios, además de haber sido mi motivación e inspiración para la realización y feliz término de mis estudios de doctorado. A todas las personas que de una u otra manera me supieron guiar, aconsejar, apoyar, ayudar, y que me brindaron su amistad, que por la fragilidad de la mente y por lo extenso que sería nombrarlos a cada uno de ellos no los menciono en estas líneas, pero los tengo presente.

   

 

ÍNDICE DE CONTENIDOS Pág. CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN GENERAL

1

1. INTRODUCCIÓN GENERAL

2

1.1. TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE LA MADERA

4

1.2. EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LAS PROPIEDADES QUÍMICAS DE LA MADERA

5

1.2.1. Valor de pH y capacidad tampón

5

1.2.2. Holocelulosa y Hemicelulosas

5

1.2.3. Celulosa

6

1.2.4. Lignina

7

1.2.5. Extraíbles

9

1.3. EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LAS PROPIEDADES FÍSICAS DE LA MADERA 1.3.1. Color

10

1.3.2. Densidad

11

1.3.3. Hinchamiento, absorción de agua y estabilidad dimensional

12

1.3.4. Humedad de equilibrio

15

1.3.5. Humectabilidad, capacidad de retención de agua y absorción superficial

16

1.4. EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA

17

1.4.1. Módulo de elasticidad (MOE) y módulo de ruptura (MOR) en flexión estática

17

1.4.2. Tracción

20

1.5. EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO EN LA EMISIÓN DE FORMALDEHÍDO 2. HIPÓTESIS

23 24

I  

10

 

3. OBJETIVOS

24

3.1. General

24

3.2. Específicos

25

4. BIBLIOGRAFÍA

26

CAPÍTULO 2 TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE PARTÍCULAS Y FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA)

50

2.1. PROPIEDADES QUÍMICAS, COLOR Y HUMECTABILIDAD DE PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana (TEPA) CON Y SIN TRATAMIENTO TÉRMICO

52

RESUMEN

52

ABSTRACT

53

2.1.1. INTRODUCCIÓN

53

2.1.1.1. Efecto de la temperatura en los componentes de la madera

54

2.1.1.2. Efecto de la temperatura en la acidez

55

2.1.1.3. Efecto del tratamiento en el color

56

2.1.1.4. Efecto del tratamiento en la humectabilidad

57

2.1.1.5. Efecto de la presión

58

2.1.2. MATERIALES Y MÉTODOS

58

2.1.2.1. MATERIALES

58

2.1.2.2. MÉTODOS

58

2.1.2.2.1. Obtención de partículas

58

2.1.2.2.2. Tratamiento térmico (higrotérmico)

58

2.1.2.2.3. Determinación del color

59

2.1.2.2.4. Humectabilidad

59

2.1.2.2.5. Análisis químico

59

2.1.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

60

2.1.3.1. Color

60

2.1.3.2. Humectabilidad

62 II

 

 

2.1.3.3. Propiedades y características químicas antes y después del tratamiento 2.1.3.3.1. Extraíbles

64

2.1.3.3.2. Celulosa, hemicelulosa y lignina

65

2.1.3.3.3. Valor pH

67

2.1.3.3.4. Ácidos volátiles y lavables

67

2.1.3.3.5. Capacidad tampón

68

2.1.4. CONCLUSIONES

68

2.1.5. BIBLIOGRAFÍA

69

2.2. TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): EFECTO SOBRE ALGUNAS PROPIEDADES QUÍMICAS Y FÍSICAS

75

RESUMEN

75

ABSTRACT

76

2.2.1. INTRODUCCIÓN

76

2.2.2. MATERIALES Y MÉTODOS

78

2.2.2.1. Madera

78

2.2.2.2. Obtención de fibras

78

2.2.2.3. Tratamiento higrotérmico

79

2.2.2.4. Determinación del color

79

2.2.2.5. Capacidad de retención de agua

79

2.2.2.6. Análisis químico

80

2.2.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

80

2.2.3.1. Color

80

2.2.3.2. Capacidad de retención de agua

82

2.2.3.3. Propiedades químicas

84

2.2.3.3.1. Extraíbles en agua fría y caliente

85

2.2.3.3.2. Extraíbles en 1% de hidróxido de sodio

86

2.2.3.3.3. Extraíbles en etanol tolueno

86

III  

63

 

2.2.3.3.4. Celulosa

87

2.2.3.3.5. Holocelulosa

87

2.2.3.3.6. Lignina

87

2.2.3.3.7. Valor pH

89

2.2.3.3.8. Ácidos volátiles y lavables

89

2.2.3.3.9. Capacidad tampón

90

2.2.4. CONCLUSIONES

91

2.2.5. BIBLIOGRAFÍA

91

CAPÍTULO 3 TABLEROS FABRICADOS CON PARTÍCULAS Y FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) HIGROTÉRMICAMENTE MODIFICADAS

100

3.1. PROPIEDADES FÍSICAS DE TABLEROS FABRICADOS CON PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) HIGROTÉRMICAMENTE TRATADAS

102

RESUMEN

102

ABSTRACT

103

3.1.1. INTRODUCCIÓN

104

3.1.1.1. Acidez

104

3.1.1.2. Efecto del tratamiento térmico sobre las propiedades físicas de los tableros

105

3.1.1.3. Efecto del tratamiento térmico sobre los cambios dimensionales de los tableros

105

3.1.1.4. Objetivos

106

3.1.2. MATERIALES Y MÉTODOS

106

3.1.2.1. Obtención de partículas y tratamiento higrotérmico

106

3.1.2.2. Secado de las partículas

107

3.1.2.3. Fabricación de los tableros

107

3.1.2.4. Propiedades físicas de los tableros

107

3.1.2.5. Análisis estadístico

108 IV

 

 

3.1.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

108

3.1.3.1. Propiedades físicas de los tableros

108

3.1.3.2. Contenido de humedad de los tableros (20 °C, 65% HRA)

110

3.1.3.3. Hinchamiento y absorción de agua a 2 y 24 horas

110

3.1.3.4. Estabilidad dimensional de los tableros

114

3.1.3.4.1. Humedad de equilibrio con el cambio de la HRA

114

3.1.3.4.2. Variaciones dimensionales en el largo y espesor

116

3.1.3.4.3. Variaciones dimensionales en relación al cambio por cada 1% de la humedad de equilibrio del tablero

120

3.1.4. CONCLUSIONES

121

3.1.5. BIBLIOGRAFÍA

122

3.2. TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): PROPIEDADES FÍSICAS DE TABLEROS DE FIBRAS DE MEDIANA DENSIDAD (MDF) RESUMEN

127

ABSTRACT

128

3.2.1. INTRODUCCIÓN

129

3.2.2. MATERIALES Y MÉTODOS

131

3.2.2.1. Obtención de fibras y tratamiento higrotérmico

131

3.2.2.2. Secado de las fibras

131

3.2.2.3. Fabricación de los tableros

131

3.2.2.4. Propiedades físicas de los tableros

132

3.2.2.5. Análisis estadístico

132

3.2.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

133

3.2.3.1. Propiedades físicas de los tableros

133

3.2.3.2. Contenido de humedad de los tableros (20 °C, 65% HRA)

134

3.2.3.3. Hinchamiento y absorción de agua a 2 y 24 horas

135

3.2.3.4. Absorción superficial

138

3.2.3.5. Estabilidad dimensional de los tableros

140

V  

127

 

3.2.3.5.1. Humedad de equilibrio ante cambios de la HRA

141

3.2.3.5.2. Variaciones dimensionales en el largo y espesor

142

3.2.3.5.3. Variaciones dimensionales en relación al cambio por cada 1% de la humedad de equilibrio del tablero

147

3.2.4. CONCLUSIONES

148

3.2.5. BIBLIOGRAFÍA

149

3.3. PROPIEDADES MECÁNICAS Y EMISIÓN DE FORMALDEHÍDO DE TABLEROS FABRICADOS CON PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) HIGROTÉRMICAMENTE TRATADAS RESUMEN

156

ABSTRACT

157

3.3.1. INTRODUCCIÓN

157

3.3.1.1. Acidez

158

3.3.1.2. Geometría de la partícula

159

3.3.1.3. Efecto del tratamiento térmico sobre las propiedades mecánicas de los tableros

159

3.3.1.4. Efecto del tratamiento térmico en la emisión de formaldehído

160

3.3.1.5. Objetivos

160

3.3.2. MATERIALES Y MÉTODOS

161

3.3.2.1. Obtención de partículas y tratamiento higrotérmico

161

3.3.2.2. Secado de las partículas

161

3.3.2.3. Propiedades de las partículas

161

3.3.2.4. Fabricación de los tableros

161

3.3.2.5. Propiedades mecánicas de los tableros

162

3.3.2.6. Emisión de formaldehído

162

3.3.2.7. Análisis estadístico

162

3.3.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

163

3.3.3.1. Geometría de la partícula, superficie específica y cantidad de adhesivo disponible

VI  

156

163

 

3.3.3.2. Propiedades mecánicas de los tableros

164

3.3.3.3. Emisión de formaldehído

173

3.3.4. CONCLUSIONES

175

3.3.5. BIBLIOGRAFÍA

176

3.4. TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): PROPIEDADES MECÁNICAS Y EMISIÓN DE FORMALDEHÍDO DE TABLEROS MDF

184

RESUMEN

184

ABSTRACT

185

3.4.1. INTRODUCCIÓN

185

3.4.2. MATERIALES Y MÉTODOS

187

3.4.2.1. Obtención de fibras y tratamiento higrotérmico

187

3.4.2.2. Secado de las fibras

187

3.4.2.3. Propiedades de las fibras

187

3.4.2.4. Fabricación de los tableros

188

3.4.2.5. Propiedades mecánicas de los tableros

188

3.4.2.6. Emisión de formaldehído

188

3.4.2.7. Análisis estadístico

189

3.4.3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

189

3.4.3.1. Geometría de la fibra, superficie específica y cantidad de adhesivo disponible

189

3.4.3.2. Propiedades mecánicas de los tableros MDF

191

3.4.3.3. Emisión de formaldehído

197

3.4.4. CONCLUSIONES

199

3.4.5. BIBLIOGRAFÍA

200

  CAPÍTULO 4

CONCLUSIONES GENERALES

 

VII  

209

 

ÍNDICE DE TABLAS Pág. CAPÍTULO 2 PROPIEDADES QUÍMICAS, COLOR Y HUMECTABILIDAD PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana (TEPA) CON Y TRATAMIENTO TÉRMICO

DE SIN

1. Comparación del color en partículas de L. philippiana no tratadas y tratadas térmicamente

61

2. Propiedades y características químicas de partículas de L. philippiana antes y después de un tratamiento térmico (150 ºC/90 min)

64

TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): EFECTO SOBRE ALGUNAS PROPIEDADES QUÍMICAS Y FÍSICAS 1. Comparación del color en fibras de L. philippiana no tratadas y tratadas higrotérmicamente

81

2. Propiedades químicas de fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico

85

CAPÍTULO 3 PROPIEDADES FÍSICAS DE TABLEROS FABRICADOS CON PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) HIGROTÉRMICAMENTE TRATADAS 1. Análisis de varianza de las medias obtenidas en las propiedades físicas de los tableros de 1 y 3 capas de L. philippiana fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico

109

2. Ecuaciones de primer grado y coeficientes de correlación entre los valores promedios de contenido de humedad de equilibrio e hinchamiento en espesor y largo a diferentes condiciones de HRA (20 °C) en tableros de 1 y 3 capas fabricados con partículas de L. philippiana no tratadas y tratadas higrotérmicamente

119

3. Coeficientes de hinchamiento en largo y en espesor por cada 1% de cambio en la humedad de equilibrio en los tableros de 1 y 3 capas fabricados con partículas de L. philippiana no tratadas y tratadas higrotérmicamente

120

VIII  

 

TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): PROPIEDADES FÍSICAS DE TABLEROS DE FIBRAS DE MEDIANA DENSIDAD (MDF) 1. Análisis de varianza de las propiedades físicas de los tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico

133

2. Ecuaciones de primer grado y coeficientes de correlación entre los valores promedios de contenido de humedad de equilibrio e hinchamiento en largo y en espesor a diferentes condiciones de HRA (20 °C) en tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana no tratadas y tratadas higrotérmicamente

146

3

Coeficientes de hinchamiento en largo y en espesor por cada 1% de cambio en la humedad de equilibrio en los MDF fabricados con fibras de L. philippiana no tratadas y tratadas higrotérmicamente

147

PROPIEDADES MECÁNICAS Y EMISIÓN DE FORMALDEHÍDO DE TABLEROS FABRICADOS CON PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) HIGROTÉRMICAMENTE TRATADAS 1. Densidad básica, espesor, largo, coeficiente de esbeltez, superficie específica y cantidad de adhesivo disponible de las partículas de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico

163

2. Análisis de varianza de las medias obtenidas en las propiedades de los tableros de 1 y 3 capas de L. philippiana fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico

165

3. Emisiones de formaldehído (valor perforador) promedio con y sin corrección por contenido de humedad

173

TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): PROPIEDADES MECÁNICAS Y EMISIÓN DE FORMALDEHÍDO DE TABLEROS MDF 1. Densidad básica, espesor, largo, coeficiente de esbeltez, superficie específica y cantidad de adhesivo disponible de las fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico

189

2. Análisis de varianza de las medias obtenidas en las propiedades mecánicas de los tableros de L. philippiana fabricados con fibras sin y con tratamiento higrotérmico

191

3. Emisiones de formaldehído (valor perforador) promedio con y sin corrección por contenido de humedad

197

 

IX  

 

ÍNDICE DE FIGURAS Pág. CAPÍTULO 2 PROPIEDADES QUÍMICAS, COLOR Y HUMECTABILIDAD PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana (TEPA) CON Y TRATAMIENTO TÉRMICO

DE SIN

1. Humectabilidad: Determinación del ángulo (θ) formado entre la gota de ureaformaldehído (65% de sólidos) y la partícula de madera de L. philippiana

59

2. Valores del ángulo medido entre partículas de L. philippiana con una gota de ureaformaldehído (65% de sólidos) antes y después del tratamiento térmico

62

TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): EFECTO SOBRE ALGUNAS PROPIEDADES QUÍMICAS Y FÍSICAS 1. Valores de la capacidad de retención de agua en fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico después de un centrifugado a distintos tiempos

83

CAPÍTULO 3 PROPIEDADES FÍSICAS DE TABLEROS FABRICADOS CON PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) HIGROTÉRMICAMENTE TRATADAS 1. Efecto de la densidad en la absorción de agua (2 horas) de los tableros de 1 y 3 capas de L. philippiana fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico 112 2. Efecto de la densidad en la absorción de agua (24 horas) de los tableros de 1 y 3 capas de L. philippiana fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico 113 3. Valores promedios de humedad de equilibrio a diferentes condiciones de HRA y 20 °C en tableros de 1 (1 C) y 3 (3 C) capas fabricados con partículas de L. philippiana sin tratamiento (ST) y con tratamiento (CT) higrotérmico 114 4. Valores promedios de la variación dimensional en el largo a diferentes condiciones de HRA y 20 °C en tableros de 1 (1 C) y 3 (3 C) capas fabricados con partículas de L. philippiana no tratadas (ST) y tratadas (CT) higrotérmicamente 116

X  

 

5. Valores promedios de la variación dimensional en el espesor a distintas HRA y 20 °C en tableros de 1 (1 C) y 3 (3 C) capas fabricados con partículas de L. philippiana no tratadas (ST) y tratadas (CT) higrotérmicamente 117 TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): PROPIEDADES FÍSICAS DE TABLEROS DE FIBRAS DE MEDIANA DENSIDAD (MDF) 1. Efecto de la densidad en la absorción de agua (2 horas) de los tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico 137 2. Efecto de la densidad en la absorción de agua (24 horas) de los tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico 138 3. Efecto de la densidad en la absorción superficial de los tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico 140 4. Valores promedios de humedad de equilibrio a diferentes condiciones de HRA y 20 °C en tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana sin tratamiento (ST) y con tratamiento (CT) higrotérmico 141 5. Valores promedios de la variación dimensional en el largo a diferentes condiciones de HRA y 20 °C en tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana no tratadas (ST) y tratadas (CT) higrotérmicamente 143 6 Valores promedios de la variación dimensional en el espesor a distintas HRA y 20 °C en tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana no tratadas (ST) y tratadas (CT) higrotérmicamente 144 PROPIEDADES MECÁNICAS Y EMISIÓN DE FORMALDEHÍDO DE TABLEROS FABRICADOS CON PARTÍCULAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA) HIGROTÉRMICAMENTE TRATADAS 1. Relación entre el MOE y la densidad de los tableros de L. philippiana de 1 capa fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico 167 2. Relación entre el MOE y la densidad de los tableros de L. philippiana de 3 capas fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico 168 3. Relación entre el MOR y la densidad de los tableros de L. philippiana de 1 capa fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico 169 4. Relación entre el MOR y la densidad de los tableros de L. philippiana de 3 capas fabricados con partículas sin y con tratamiento higrotérmico 170

XI  

 

5. Relación entre densidad y tracción en tableros de L. philippiana de 1 capa fabricados con partículas tratadas y sin tratamiento higrotérmico 171 6. Relación entre densidad y tracción en tableros de L. philippiana de 3 capas fabricados con partículas tratadas y sin tratamiento higrotérmico 172 TRATAMIENTO HIGROTÉRMICO DE FIBRAS DE Laureliopsis philippiana Looser (TEPA): PROPIEDADES MECÁNICAS Y EMISIÓN DE FORMALDEHÍDO DE TABLEROS MDF 1. Relación entre el MOE y la densidad de los tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico 195 2. Relación entre el MOR y la densidad de los tableros MDF fabricados con fibras de L. philippiana sin y con tratamiento higrotérmico 196

XII  

 

ÍNDICE DE ABREVIATURAS

kPa : Kilopascal °C : Grados Celsius cm : Centímetros mm : Milímetros rpm : Revoluciones por minuto kg/m3 : Kilogramos por metro cúbico N/mm2 : Newton por milímetro cuadrado mmol/g : Milimoles por gramo mol/l : Moles por litro m2/g : Metros cuadrados por gramo mg/g : Miligramos por gramo g/m2 : Gramos por metro cuadrado min : Minutos s : Segundos % : Porcentaje θ : Ángulo pH : Potencial de hidrógeno N : Normal Y : Yellow (amarillo) YR : Yellow red (amarillo rojizo) L* : Claridad (de blanco a negro) a* : Cromaticidad (de rojo a verde) b* : Cromaticidad (de amarillo a azul) h° : Ángulo de matiz TAPPI : Technical Association of the Pulp and Paper Industry TAPPI cm : Technical Association of the Pulp and Paper Industry – Classical method XIII  

 

TAPPI om : Technical Association of the Pulp and Paper Industry - Official test method BMS : Base a madera seca BMSLE : Base a madera seca libre de extraíbles OH : Grupo hidroxilo H : Hidrógeno NaOH : Hidróxido de sodio CRA : Capacidad de retención de agua HRA : Humedad relativa del aire RAH : Relative air humidity EN : Europäische Norm (norma europea) ASTM D : American Society for Testing Materials - Designation r2 : Coeficiente de correlación ̅ : Media sd : Desviación estándar cv : Coeficiente de variación < : Menor que * : Significativo al 99% nivel de confianza (p < 0,01) ns : No significativo al 99% nivel de confianza (p < 0,01) CH : Contenido de humedad F : Factor de corrección del valor Perforador 1 C : Una capa 3 C : Tres capas ST : Sin tratamiento higrotérmico CT : Con tratamiento higrotérmico MDF : Medium Density Fibreboard (tableros de fibras de mediana densidad) HDF : High Density Fibreboard (tableros de fibras de alta densidad) OSB : Oriented Strand Board (tableros de hojuelas orientadas)

XIV  

 

HL : Hinchamiento en el largo HE : Hinchamiento en el espesor MOE : Módulo de Elasticidad en flexión estática MOR : Módulo de Ruptura en flexión estática IB : Internal Bond (tracción)

XV  

 

RESUMEN Laureliopsis philippiana Looser es una especie que presenta problemas en la fabricación de tableros con amino resinas, debido a su alto valor de pH. Para enfrentar este problema, se trató higrotérmicamente partículas y fibras de madera de esta especie en autoclave a 150 ºC por 90 minutos, bajo una presión de 430 kPa. Se estudiaron las propiedades físicas y químicas de las partículas y fibras sin y con tratamiento higrotérmico, para lo cual se determinó el color, la cantidad de extraíbles en hidróxido de sodio, etanol tolueno, agua caliente y fría, así también, los porcentaje de celulosa, holocelulosa y lignina, el valor pH, los porcentajes de ácidos volátiles y lavables, y la capacidad tampón. Se evaluó además la humectabilidad en las partículas y la capacidad de retención de agua en las fibras. Las partículas y fibras tratadas higrotérmicamente presentaron un cambio de color (oscurecimiento), así como un aumento en el porcentaje de extraíbles, de celulosa, de lignina, una disminución del porcentaje de holocelulosa, un incremento de la cantidad de ácidos volátiles, ácidos lavables, de la acidez y de la capacidad tampón. El tratamiento higrotérmico produjo una reducción de la humectabilidad de las partículas y una menor capacidad de retención de agua en las fibras. Se realizó un estudio de la geometría de las partículas y fibras no tratadas y tratadas higrotérmicamente, para lo cual se sometieron a la acción mecánica de la encoladora sin adhesivo. Se detectó en las partículas y fibras tratadas higrotérmicamente una disminución de la densidad, del espesor, largo, y del coeficiente de esbeltez. La superficie específica aumentó y consecuentemente la cantidad de adhesivo disponible disminuyó. Se fabricaron tableros con partículas y fibras sin y con tratamiento higrotérmico. Los tableros de partículas se fabricaron de 1 capa y 11 mm de espesor, y de 3 capas y 15 mm de espesor. Los tableros de fibras de mediana densidad (MDF) se fabricaron de 1 capa y 15 mm de espesor. Las densidades nominales de los tableros fueron 600, 625, 650, 675 y 700 kg/m3, se elaboraron 2 tableros por cada densidad, en total 40 tableros de partículas y 20 MDF. Para los XVI  

 

tableros de partículas se empleó como adhesivo ureaformaldehído y para los tableros MDF urea melanina formaldehído, ambos tipos de adhesivo al 50% de sólidos. El factor de encolado fue de 8% para los tableros de partículas y de 15% para los tableros MDF. En ambos tipos de tableros se determinaron las propiedades físicas densidad, contenido de humedad, hinchamiento y absorción de agua a 2 y 24 horas. Adicionalmente, en los tableros MDF se evaluó la absorción superficial. Después de un climatizado a 40, 50, 60, 70, 80 y 90% de humedad relativa del aire (HRA) con 20 °C, se calcularon la humedad de equilibrio, las variaciones dimensionales en largo y espesor, y los coeficientes de hinchamiento en largo y espesor por cada 1% de cambio en la humedad de equilibrio del tablero. Se estudiaron las propiedades mecánicas módulo de elasticidad (MOE) y módulo de ruptura (MOR) en flexión estática, y la resistencia a la tracción. La emisión de formaldehído fue determinada también en ambos tipos de tableros. Para el análisis de los datos obtenidos en los ensayos de las propiedades físicas y mecánicas, se utilizó un análisis de varianza de un solo factor al 99% nivel de confianza (p < 0,01), el cual detectó que existieron diferencias significativas entre los tableros fabricados con partículas y fibras no tratadas y tratadas higrotérmicamente. Los tableros fabricados con partículas y fibras tratadas presentaron una disminución del contenido de humedad y del hinchamiento. La absorción de agua disminuyó en los tableros de partículas en tanto que en los MDF aumentó. La absorción superficial disminuyó en los tableros MDF. En los análisis de estabilidad dimensional ante cambios de la HRA, se determinó que el tratamiento higrotérmico provocó una reducción de la humedad de equilibrio, de la variación dimensional en largo y espesor, y del coeficiente de hinchamiento en espesor en los tableros de partículas y MDF. El coeficiente de hinchamiento en largo disminuyó en los tableros de partículas e incrementó en los tableros MDF. En los tableros fabricados con partículas tratadas higrotérmicamente se determinó un incremento del MOE, MOR y de la tracción, los cuales fueron estadísticamente significativos. En los tableros MDF fabricados con fibras tratadas se registró un incremento del MOE y una

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disminución de la tracción, siendo ambos estadísticamente significativos. El MOR presentó un leve incremento, el cual no fue estadísticamente significativo. Adicionalmente al análisis de varianza, se realizó un análisis de regresión lineal simple, correlacionando cada una de las propiedades físicas y mecánicas con la densidad de la respectiva probeta. Este análisis determinó que no existió correlación entre densidad, contenido de humedad e hinchamiento a 2 y 24 horas, para los tableros de partículas y MDF. Sí se detectó una alta correlación y significancia al 99% nivel de confianza (p < 0,01) entre la densidad y la absorción de agua a 2 y 24 horas para ambos tipos de tableros, lo cual indicó que al aumentar la densidad de los tableros disminuyó la absorción de agua. Entre la densidad y la absorción superficial de los tableros MDF también se presentaron correlaciones, las cuales fueron significativas. Esto indicó que al aumentar la densidad de los tableros disminuye la absorción superficial. En los estudios de estabilidad dimensional, el análisis de regresión lineal demostró que existió una alta correlación entre la humedad de equilibrio con el hinchamiento en largo y el hinchamiento en espesor a diferentes HRA (de 40% a 90%) para ambos tipos de tableros y tratamientos. Esto indicó que las ecuaciones obtenidas son predictoras de las variaciones dimensionales de los tableros. El análisis de regresión lineal registró altas correlaciones, las cuales fueron significativas al 99% nivel de confianza (p < 0,01), entre la densidad con el MOE y MOR para los tableros de partículas y MDF, lo cual indicó que al aumentar la densidad de los tableros, aumentan el MOE y el MOR. En los tableros de partículas, este análisis detectó una correlación entre la densidad y la tracción, indicando que a mayor densidad, mayor fue el valor de la resistencia a la tracción de los tableros. En el caso de los tableros MDF, no se presentaron correlaciones que permitan establecer una relación entre la densidad y la tracción. Los ensayos de emisión de formaldehído registraron una disminución de la emisión en los tableros elaborados con partículas y fibras tratadas higrotérmicamente. XVIII  

 

Los cambios químicos detectados en las partículas y fibras higrotérmicamente tratadas, afectaron positivamente en la fabricación de tableros de partículas y MDF, ya que favorecieron el fraguado de las amino resinas. Esto se reflejó en la mejora de las propiedades físicas y mecánicas de los tableros, así como en la reducción de la emisión de formaldehído de los mismos.

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ABSTRACT In the manufacture of boards with amino resins Laureliopsis philippiana Looser is a species that presents problems because of its high pH value. To address this problem, wood particles and fibres of this species were hygrothermally treated in autoclave at 150 ° C for 90 minutes under a pressure of 430 kPa. Physical and chemical properties of the particles and fibres were examined with and without hygrothermal treatment, for which the colour, the extractable amount of sodium hydroxide, ethanol toluene, hot and cold water, and also, the percentage of cellulose, holocellulose and lignin, the pH value, the percentage of volatile and washable acids, and the buffering capacity, were determined. Wettability of the particles and the water retention capacity of the fibres were also assessed. Hygrothermally treated particles and fibres presented a colour change (darkening), as well as an increase in the percentage of extractables, cellulose, lignin, a decrease of holocellulose percentage, an increased in the amount of volatile acids, washable acids, acidity and buffer capacity. The hygrothermal treatment caused a reduction in the wettability of the particles and lower water retention capacity in the fibres. A geometry study of the particles and fibres untreated and hygrothermally treated was carried out, for which were subjected to the mechanical action of the blender without adhesive. In the particles and fibres hygrothermally treated a decrease of the density, thickness, length, and slenderness ratio was detected. The specific surface area increased consequently the amount of adhesive available decreased. Particle and fibre boards were manufactured with and without hygrothermal treatment. Particleboards had 1 layer and 11 mm in thickness, and 3 layers and 15 mm in thickness, whereas medium density fibreboards (MDF) were manufactured with 1 layer and 15 mm in thickness. Nominal density of the boards were 600, 625, 650, 675 and 700 kg/m3, 2 boards were produced for each density, a total of 40 particleboards and 20 MDF. As adhesive ureaformaldehyde for particleboard and urea-melamine-formaldehyde for MDF were XX  

 

employed, both at 50% solids content. The gluing factor was 8% for particleboard and 15% for MDF. In both types of boards the physical properties density, moisture content, swelling and water absorption at 2 and 24 hours, were determined. Additionally in MDF the surface adsorption was evaluated. After an air-conditioned to 40, 50, 60, 70 , 80 and 90% relative air humidity (RAH) at 20 ° C, equilibrium moisture content, dimensional variations in length and thickness, and the thickness and swelling coefficients per every 1% change in the equilibrium moisture of the board were also calculated. Mechanical properties modulus of elasticity (MOE) and modulus of rupture (MOR) in bending, and internal bond were studied. Formaldehyde release was determined too for both types of boards. The obtained data of the physical and mechanical properties were subjected to an one way analysis of variance at 99% confidence level (p