VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecánicas de Sólidos, Gandia 2002

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ESTUDIO MECANO-DINÁMICO DE DISTINTOS TIPOS DE MADERA R. Artiaga, M. Suárez, A. García, R. Losada, L. García, S. Naya, P. Lamas Universidad de A Coruña, Escola Politécnica Superior. Avda. Mendizábal s/n 15403-Ferrol. RESUMEN Se ha investigado el comportamiento mecánico y mecano-dinámico de distintos tipos de madera en un amplio intervalo de temperaturas. Se utilizaron muestras de madera de distintas especies con características similares en cuanto a edad de la planta y zona de la misma en que fueron extraídas. Las muestras fueron sometidas a condiciones ambientales idénticas antes de someterlas a ensayos. El equipo utilizado fue un Rheometric Scientific DMTA IV. Se realizaron ensayos de doblado (voladizo simple) en modo dinámico para estudiar el efecto de la frecuencia y la temperatura en las propiedades viscoelásticas. El estudio se ha completado con el análisis térmico (DSC + TGA) de las distintas muestras en atmósfera de aire y en atmósfera inerte y con el estudio por IR tanto de las muestras originales como de los gases de descomposición térmica, tanto en atmósfera inerte como en aire. Palabras claves Madera, DMA, análisis térmico. 1. INTRODUCCION La madera, de distintos orígenes y con diferentes tratamientos se ha utilizado desde la antigüedad en muy distintas aplicaciones que abarcan usos como material estructural en construcción, artístico y técnico. La selección del tipo de madera y tratamientos ha sido resuelta de forma fundamentalmente empírica durante mucho tiempo. Con el desarrollo de las técnicas de caracterización de materiales se está replanteando un uso más específico de los distintos tipos de madera en función de los esfuerzos y situaciones a que van a ser sometidas durante su vida en servicio. En algunos casos, como el de los instrumentos musicales, pequeñas diferencias de propiedades pueden condicionar grandemente sus características acústicas (1,2). El comportamiento a las altas temperaturas es de vital importancia en el caso de elementos estructurales sometidos al fuego. En este sentido se han hecho trabajos de estabilidad térmica en aire y en atmósfera inerte (3, 4). Estos mismos estudios ofrecen la posibilidad de identificar las especies de madera de forma rápida a partir de muestras muy pequeñas. 2. EXPERIMENTAL Se obtuvieron muestras a partir de planchas de madera convenientemente secadas al aire durante un período de entre uno y dos años. Las especies de madera consideradas fueron las siguientes: acacia, boj, cerezo, chopo, eucalipto, fresno, jatoba, okume, pino, roble y sapelli. Se cortaron tiras con dimensiones aproximadas de espesor en torno a 1 mm y anchura de 5 mm. Dichas tiras fueron ambientadas simultáneamente en condiciones de humedad y temperatura. A partir de ellas se recortaron discos de unos 4 mm de diámetro, adecuadas para las cápsulas del analizador térmico simultáneo (STA). Se cortaron trozos de tiras con una longitud de unos 2,5 cm para su análisis directo en un analizador termomecánico dinámico (DMTA).

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Artiaga , Suárez, García, Losada, García , Naya, Lamas

Los equipos utilizados fueron un STA-1500+ y un DMTA IV, ambos de la casa Rheometric. También se utilizó un analizador térmico simultáneo SDTA de Ta Instruments y un FTIR de la casa Bruker. Para los experimentos STA se situaron muestras de unos 10 mg en cápsulas de aluminio. Se llevaron a cabo dos tipos de experimentos: Rampa de temperatura de 25 a 600 ºC con 50 ml de aire seco como gas de purga Rampa de temperatura de 25 a 600 ºC con 50 ml de argon como gas de purga seguido de cambio a aire seco y mantenimiento de una isoterma a 600 ºC durante 10 minutos. Los ensayos en el SDTA fueron similares a los del STA con argón, pero utiliando nitrógeno como gas de purga. En este caso se analizaron los gases de salida mediante FTIR. También se realizaron ensayos FTIR sobre las muestras de madera pulverizada y preparada en forma de pastillas de KBr. Para los ensayos de DMTA se utilizó la disposición geométrica de voladizo simple con acoplamientos de doblado. La longitud del voladizo era de 14 mm en todos los casos. Cada muestra se midió con precisión justo antes de la realización del ensayo. Se configuraron tres tipos de ensayos: Barrido dinámico de frecuencias entre 0,1 y 300 Hz, fijando la amplitud de la deformación en el 0,01 %. La variación de la frecuencia se hizo de forma logarítmica. Barrido dinámico de amplitudes de deformación entre 0,0005 y 0,5 %, fijando la frecuencia en 1 Hz. Las amplitudes se fueron variando logarítmicamente. Barrido dinámico de temperaturas desde 25 hasta 400 ºC a una velocidad de 2 ºC/min. En este caso la frecuencia se fijó en 1 Hz y la amplitud de la deformación en el 0,01 %. En todos los casos se utilizó corriente de aire de unos 100 ml/min. 3. RESULTADOS Los ensayos de barrido de amplitudes de deformación y de barrido de frecuencia se realizaron a temperatura ambiente con la finalidad de determinar los valores de módulos de almacenamiento (E’) y de pérdidas (E’’) y su evolución con la frecuencia y la amplitud de deformación. Además se ha representado el factor de pérdidas, tan ä, obtenido a partir de los dos primeros. Estos datos en sí son interesantes ya que nos indican la rigidez de cada tipo de madera y nos permiten clasificarlas. La Figura 1 muestran las curvas típicas de E’, E’’ y tan ä frente a la frecuencia. Se puede observar claramente que existe un amplio intervalo en el que la respuesta es lineal. A partir de determinado valor de frecuencia aparece un rápido aumento de E’. La Figura 2 muestra la evolución de E’, E’’ y tan ä con la amplitud de la deformación. En este caso se observa un comportamiento lineal en casi todo el intervalo de deformaciones considerado. Sólo aparece un ligero descenso de E’ para los valores más altos de amplitud. Se observa un fuerte incremento de tan ä a los valores más altos de deformación, como consecuencia de un aumento de E’’ simultáneo al descenso de E’. En la Figura 3 se observa la evolución de E’, E’’ y tan ä con la temperatura, habiéndose fijado la frecuencia en 1 Hz y la amplitud de la deformación en el 0,01 %. En este caso la muestra era okume.

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Freq_sweep_roble (2) 1012

10

11

10

E' ( ) [Pa]

10

10

9

10

8

7

10 10-1

10

0

1

10

10

2

-2

tan_delta ( ) []

E" ( ) [Pa]

10

10-1

10-3 103

Freq [Hz]

Figura 1. Curvas típicas de E’, E’’ y tan ä frente a la frecuencia

Strain_sweep_Fresno_2 1010

10-1

E' ( ) [Pa]

10-2

tan_delta ( ) []

E" ( ) [Pa]

109

8

10

107

-3

-4

10

-3

10

-2

10

-1

10

10 100

strain [%]

Figura 2. Evolución de E’, E’’ y tan ä con la amplitud de la deformación

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Artiaga , Suárez, García, Losada, García , Naya, Lamas

Okume_Temp_ramp_Bending 1x1012

0.4

11

8x10

11

7x10

11

0.32

6x10

11

5x10

11

4x10

11

E' ( ) 2 [dyn/cm ]

0.24

0.16

3x10

tan_delta ( ) []

E" ( ) 2 [dyn/cm ]

9x10

11

2x10

11

1x10

11

0.08

0.0

-1x10

11

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

0.0 500.0

Temp [°C]

Figura 3. Evolución de E’, E’’ y tan ä con la temperatura. En la Figura 4 se puede observar el estado en que queda una muestra en el DMTA después del ensayo de barrido de temperatura.

Figura 4. Muestra después del ensayo de barrido de temperatura.

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La Figura 5 muestra una superposición de los valores E’ para distintas muestras en el intervalo de frecuencias donde el comportamiento deja de ser lineal. Freq_sweep_Overlay 1.5x1011 1011

E' ( ) [Pa]

Freq_sweep_Acacia Freq_sweep_Cerezo Freq_sweep_Eucalipto Freq_sweep_Ocume Freq_sweep_Pino Rojo Freq_sweep_roble (2) Freq_sweep_SAPELLI

10

10

2x109 1

2

10

4.0

10

300.0

Freq [Hz]

Figura 5. Valores E’ para distintas muestras en el intervalo de frecuencias donde el comportamiento deja de ser lineal La Figura 6 muestra una superposición de los valores E’ para distintas muestras en el intervalo de amplitudes de deformación donde el comportamiento deja de ser lineal. Strain_sweep_overlay 1.3x1010 Strain_sweep_SAPELLI Strain_sweep_roble (2) Strain_sweep_Pino Rojo Strain_sweep_jatoba Strain_sweep_Acacia Strain_sweep_Eucalipto Strain_sweep_chopo Strain_sweep_Cerezo

E' ( [Pa]

)

1010

2.5x109 0.05

-1

10

0.6 strain [%]

Figura 6. Valores E’ para distintas muestras en el intervalo de amplitudes de deformación donde el comportamiento deja de ser lineal. 893

Artiaga , Suárez, García, Losada, García , Naya, Lamas

El espectro de FTIR mostrado en la Figura 7 corresponde a una muestra fresca de sapelli.

Absorbance Units

0.2

0.0 400

1400

2400

3400 -1

Wave Number (cm )

Figura 7. Espectro de FTIR de una muestra fresca de sapelli La evolución típica en ambiente de aire con la temperatura de los valores DSC y peso pueden observarse en la Figura 8, que corresponde a una muestra de eucalipto. eucalipto1_aire_1 500.0

400.0

20.0 Weight Loss Analysis Weight Loss: 13.271% 1.9168[mg]

700.0

17.5

600.0

15.0

)

500.0 300.0

HeatFlow ( [mW]

10.0

Temp ( [°C]

200.0

Weight ( [mg]

12.5

400.0

300.0

)

)

7.5

100.0 200.0 5.0 0.0 2.5

-100.0

0.0 0.0

1000.0

2000.0

3000.0

4000.0

100.0

0.0

5000.0

time [s]

Figura 8. Curvas DSC y TGA de una muestra de eucalipto en aire

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La Figura 9 muestra los resultados SDTA de una muestra de pino bajo corriente de nitrógeno. roble_nitrógeno_aire 10.0

9.0 Weight Loss Analysis Weight Loss: 5.5078% 0.4485[ mg]

700.0

8.0

600.0

8.0 7.0

500.0 6.0

4.0

400.0

300.0

)

Delta T ( [[ºC]]

4.0

Weight ( ) [ mg]

5.0

Temp ( [°C]

)

6.0

2.0

3.0 200.0 2.0

0.0

100.0 1.0

-2.0 0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

0.0 80.0

0.0

time [min]

Figura 9. Curva SDTA de una muestra de pino en nitrógeno La Figura 10 muestra el espectro FTIR obtenido de los gases de salida del SDTA en un ensayo utilizando nitrógeno como gas de purga.

Figura 10. Espectro FTIR de los gases de salida del ensayo en STDA

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4. DISCUSIÓN A partir de los ensayos de barrido de frecuencias y de barrido de amplitudes de deformación (Figuras 1,2,5,6) se observa que los valores del módulo elástico en la zona lineal oscilan entre 5.000 y 10.000 MPa, variando la rigidez, de mayor a menor, en el siguiente orden: roble, acacia, eucalipto, pino, jatoba, chopo, sapelli, limoncillo, cerezo, ocume. En la Figura 5 se observa que la frecuencia a la que cada tipo de madera deja de tener un comportamiento lineal es ligeramente diferente. Es destacable que a partir de ese punto algunas especies muestran una velocidad de aumento del módulo al aumentar la frecuencia muy diferente de otras. En concreto, el pino y el cerezo muestran dos líneas paralelas de mayor pendiente que el resto de las especies. El sapelli es el que exhibe menores valores de módulo para altas frecuencias de vibración. También se observa que el pino y el cerezo comienzan a mostrar comportamiento no lineal a menores valores de frecuencia. En la Figura 6 se observa una ligera disminución del módulo en el intervalo de amplitudes de deformación barrido. En general las curvas presentan el mismo hábito manteniéndose casi paralelas. Cabe destacar, sin embargo, una disminución más acusada del módulo en el caso del pino y, en menor grado, del sapelli. En cuento a la evolución de las propiedades con la temperatura, Figura 3, se observa una disminución continua desde el primer momento. La rápida disminución inicial se corresponde con el secado de la muestra, lo cual se corrobora con la pérdida de peso que aparece en la Figura 8. Entre 100 y 200 ºC la caída del módulo es más suave, pero a partir de en torno a los 250 ºC la pendiente vuelve a acentuarse como consecuencia de la degradación térmica, lo cual puede comprobarse de nuevo en la Figura 8. Ligeramente por encima de los 300 ºC el módulo cae hasta cero lo cual indica la rotura de la muestra. El estado en que queda la muestra al final del ensayo aparece en la Figura 4. La muestra se ha quemado y pirolizado parcialmente y ha roto en la zona contigua a una de las mordazas. La Figura 7 contiene el espectro FTIR de una muestra de sapelli. El espectro es muy parecido en todos los casos. En general se observa una altura diferente en algunas bandas que podría atribuirse a distintos grados de cristalinidad de la celulosa en las distintas muestras. En la Figura 8 se observa que la primera disminución de peso va acompañada de un pico endotérmico lo cual sugiere eliminación de humedad y compuestos volátiles. En torno a los 250 ºC se inicia el primer proceso degradativo que parece ser de pirólisis, seguido (cambio de pendiente) de una combustión. Ésa combustión es la que se debió de producir en los ensayos DMTA de barrido de temperaturas y posiblemente corresponda a la combustión de sustancias volátiles. Sin embargo, la parte del material que sufrió previamente (y quizás también simultáneamente) la pirólisis no arde hasta temperaturas superiores a las alcanzadas en los experimentos DMTA. Ésa segunda combustión se evidencia en el segundo pico exotérmico de la curva DSC (Figura 8). La figura 9 muestra el comportamiento a la temperatura en atmósfera inerte. Si bien no aparecen los procesos oxidativos que aparecían en el caso del aire, la degradación (pérdida de peso) aparece prácticamente a las mismas temperaturas, quedando un residuo carbonoso que arde al entrar el aire (600 ºC). En la Figura 10 se observa que en general aparecen picos a varios números de onda que corresponden con los instantes de máxima velocidad de degradación, tal como se puede comprobar en la Figura 9. El estudio de estos espectros nos permitirá identificar las principales sustancias en las que se van descomponiendo las muestras. 6. CONCLUSIONES Se han caracterizado mediante análisis mecano-dinámico varios tipos de madera en un amplio intervalo de temperaturas. El comportamiento a altas frecuencias es ligeramente diferente para las distintas especies.

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Se ha determinado la estabilidad térmica de cada tipo de madera, viéndose que es bastante parecida en todos los casos. Aparece una relación directa entre los procesos degradativos vistos por TGA y la disminución de módulo observada por DMTA al aumentar la temperatura. Por último, se analizaron por FTIR tanto las muestras originales como los gases de descomposición, lo cual permitirá comprender mejor los procesos degradativos. 7. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a Jorge Otero, de los Servicios Generales de Apoyo a la Investigación de la UDC, su colaboración en la realización de ensayos y discusión de resultados. 8. REFERENCIAS 1. N. H. Fletcher, T. D. Rossing. The Physics of Musical Instruments, Springer, N.Y., 2000. 2. N. Sobue. Effects of continuous vibrations on dynamic viscoelasticity of wood. Proceedings of the International Symposium on Musical Acoustics, Paris, 326-334, 1995. 3. R. Losada, F. Barbadillo, R. Artiaga, A. García, J. L. Mier, L. García. Comparative study by thermal analysis of four different kinds of wood, Materials Science Forum, in press. 4. R. Artiaga, J. H. Suwardie, R. Losada, A. García. Comparative study by STA of eight species of wood, Proceedings of the 29th Conference of the North American Thermal Analysis Society, St. Louis, U.S.A., 752-757, 2001.

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