Evaluación de las propiedades físico-mecánicas de los tableros de madera plástica producidos en Cuba respecto a los tableros convencionales

 

Evaluation of physico-mechanical properties of wood-plastic boards produced in Cuba compared to conventional boards

 

Yonny Martínez-López¹*; Raúl R. Fernández-Concepción²; Daniel A. Álvarez-Lazo³; Máryuri García-González⁴; Emilio Martínez-Rodríguez⁵

 

¹ Departamento de Ciencias Forestales, Facultad Agroforestal de Montaña, Universidad de Guantánamo. Av. Che Guevara km 1.5 Carretera Jamaica. C. P. 95100. Guantánamo, Cuba. Correo-e: yonny78@cug.co.cu Tel.: 0121 32 6113(* Autor para correspondencia).

² Centro de Estudios Forestales (CEF).

³ Departamento de Producción Forestal.

⁴ Facultad de Ingeniería Industrial, Universidad de Pinar del Río. Calle Martí núm. 270. C. P. 20100. Pinar del Río, Cuba.

⁵ Estación Experimental Agro-Forestal Baracoa. km 13 Carretera a Guantánamo, Cuba.

 

Recibido: 03 de febrero, 2014
Aceptado: 09 de octubre, 2014

 

RESUMEN

Las propiedades físico-mecánicas de los tableros de madera plástica se evaluaron y compararon con los tableros convencionales (tablero de partículas de bagazo de caña, tablero contrachapado y tablero de fibras de bagazo de caña) más utilizados en Cuba. El tablero de madera plástica se elaboró con residuos de la industria forestal (aserrín), residuos industriales (termoplásticos) y aditivos químicos en proporciones de 50, 30 y 20 %, respectivamente; el tablero se obtuvo mediante moldeo por extrusión. Los resultados se analizaron con la prueba de Kruskal-Wallis y comparaciones múltiples post-hoc DMS de Fisher, para determinar las diferencias con relación a los tableros convencionales. Los resultados indican que las propiedades físicas de los tableros de madera plástica mejoraron con el aumento de la densidad. La absorción de agua e hinchamiento fueron menores respecto a los tableros convencionales, mientras que las propiedades mecánicas (flexión, compresión y tracción) fueron superiores. La tracción, flexión y compresión en los tableros de madera plástica fue estadísticamente similar (P > 0.05) que en los tableros contrachapados. Dadas sus propiedades, se considera que los tableros de madera plástica son capaces de sustituir tanto a los convencionales como a los de madera en condiciones de intemperie.

Palabras clave: Residuos industriales, industria del tablero, extrusión, tableros contrachapados.

 

ABSTRACT

The physico-mechanical properties of wood-plastic (WP) boards were evaluated and compared with those of conventional boards (sugarcane bagasse particleboard, plywood board and sugarcane bagasse fiberboard) more commonly used in Cuba. The WP board was made with waste from the forestry industry (sawdust), industrial waste (thermoplastics) and chemical additives in amounts of 50, 30 and 20%, respectively; the board was obtained by extrusion molding. Results were analyzed with the Kruskal-Wallis test and Fisher's LSD post-hoc multiple comparisons analysis to determine differences relative to conventional boards. Results indicate that the physical properties of wood- plastic boards improved with increasing density. Water absorption and swelling were lower than in conventional boards, whereas the mechanical properties (bending, compression and tensile strength) were higher. Tensile strength, bending and compression in the wood-plastic boards were statistically similar (P > 0.05) in the plywood. Given their properties, it can be concluded that wood-plastic boards are able to replace both conventional and wood boards in outdoor conditions.

Keywords: Industrial waste, board industry, extrusion, plywood boards.

 

INTRODUCCIÓN   

En la actualidad, la sociedad junto con la revolución tecnológica ha dado lugar a la mayor producción de residuos en la historia de la humanidad. De acuerdo con Shukla y Kandem (2008), los nuevos modelos de desarrollo deberán basarse en tecnologías de producción sin residuos o con un mínimo de ellos, acompañados de una política de recuperación de residuos. Uno de los sectores productivos que más ha crecido en estos últimos años corresponde a la fabricación de plásticos. Esto conlleva a que las cantidades de residuos plásticos aumenten y, en consecuencia, las cantidades de plásticos reciclados incrementen, provocando la potenciación de la industria recuperadora y dando origen a productos como la madera plástica que forma parte del enriquecimiento de la industria del tablero a nivel mundial. La madera plástica fue creada en Estados Unidos y tiene más de 15 años de ser 8 comercializada en otros países, difundiendo su uso progresivamente (Yeh, Agarwal, & Gupta, 2009).

El desarrollo de nuevos materiales derivados del reciclaje de plásticos y de la madera se está convirtiendo en una alternativa real y ventajosa. La aplicación de estos materiales en productos de diferentes ámbitos proporciona una gama de oportunidades y posibilidades; sus propiedades ofrecen numerosas ventajas ya que soportan las condiciones climáticas, no requieren mantenimiento y resisten el ataque de plagas (Moya, Poblete, & Valenzuela, 2012). Tales ventajas aportan mayor valor agregado que la madera y los tableros convencionales para la construcción.

Los materiales compuestos fabricados a base de mezclas de plásticos sintéticos y harinas o fibras vegetales son de creciente interés en la ciencia e ingeniería de materiales. Los plásticos reciclados también se han usado en la fabricación de nuevas formulaciones de materiales compuestos, debido principalmente a razones ambientales y de costos (Wambua, Ivens, & Verpoest, 2003). Algunas de las formulaciones obtenidas pueden presentar propiedades similares o mejores que los mismos plásticos sintéticos, con la ayuda de determinados aditivos químicos como los agentes acoplantes y plastificantes (Jayaraman & Bhattacharyya 2004; Lucchetta, Bariani, & Knight, 2006; Yeh et al., 2009).

El valor ecológico de los tableros de madera plástica es evidente, ya 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 en la intemperie ni en contacto con el agua, no alberga bacterias, no se corroe ni sufre el ataque de ratones e insectos, por lo que puede conservarse por muchos años. El tablero puede cortarse con serrucho o sierra eléctrica y puede ser torneado, cepillado o perforado. En tal contexto, el objetivo de esta investigación es demostrar, mediante las propiedades físicas (humedad, densidad, absorción de agua e hinchamiento) y mecánicas (flexión, compresión y tracción), que el tablero de madera plástica (MP) producido en Cuba presenta propiedades superiores que la madera y los tableros convencionales, las cuales validan que su utilización tenga mayor campo de aplicación.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Composición del tablero de madera plástica

Residuos plásticos

La matriz termoplástica corresponde a diversos tipos de polietileno, recuperados tanto del material de desecho de uso cotidiano de la sociedad como de las industrias. Entre los más abundantes se encuentran el polietileno de alta y baja densidad (PEAD, PEBD), polipropileno (PP) y tereftalato de polietileno (PET), obtenidos a través de la Empresa de Recuperación de Materia Prima de la provincia de Pinar del Río, Cuba. Estos residuos fueron lavados, secados y triturados en partículas con promedio de 0.7 mm. En la elaboración del tablero de madera plástica fueron utilizados todos los tipos de termoplásticos según los siete grupos de su clasificación internacional (PET, PVC [cloruro de polivinilo], PEAD, PP, PEBD, PS [Poliestireno], Otros) (Yadama, Lowell, Peterson, & Nicholls, 2009), en proporciones equitativas que complementan 30 % de dicho tablero.

Madera

El aserrín se obtuvo en las áreas productivas del aserradero Combate de las Tenerías perteneciente a la empresa Forestal Integral Macurije, Pinar del Río, Cuba, uno de los principales aserraderos del país debido a la capacidad productiva y surtidos que producen a partir de la especie Pinus caribaea Morelet var. caribaea Barret & Golfari. Esta materia prima forma parte del 50 % del tablero de MP.

Aditivos

Los aditivos químicos utilizados fueron: Ácido esteárico (HSt), calcio esteárico (CaSt), zinc esteárico (ZnSt), carbonato de calcio (CaCO₃), polietileno wax y PVC, en proporciones equitativas que representaron 20 % de la composición del tablero de MP.

Evaluación físico-mecánica del tablero de madera-plástica

Las siguientes propiedades físicas del tablero de MP fueron determinadas: Preparación de las probetas de acuerdo con la NC 314 (2004); contenido de humedad según especificaciones de la NC-EN 322 (2003); densidad del tablero acorde con la NC-EN 323 (2003); y la absorción de agua e hinchamiento se determinaron según la NC-EN 317 (2003). Por otra parte, se evaluaron las siguientes propiedades mecánicas: Resistencia a la flexión a partir de la NC-EN 310 (2003), resistencia a la compresión según la AITIM D-1037-99 y resistencia a la tracción acorde con la norma NC-EN 319 (2003).

Además del tablero de MP, se evaluaron también las propiedades físico-mecánicas de tableros convencionales elaborados de partículas de bagazo de caña, fibras de bagazo de caña y contrachapado. Las probetas fueron obtenidas de tableros ya elaborados, cuyas dimensiones coinciden con las probetas del tablero de MP.

Análisis estadístico

Los resultados obtenidos se analizaron con el programa STATISTICA 7.1 (StatSoft Inc., 2005) determinando los valores medios de cada propiedad y sus diferencias con relación a los tableros convencionales. Las propiedades de los tableros se analizaron mediante las pruebas de Kruskal-Wallis (H). Además se realizó la prueba de comparaciones múltiples de post-hoc DMS de Fisher, teniendo en cuenta que permite establecer comparaciones de tendencia y definir otros tipos de comparaciones entre valores medios (Moya et al., 2012).

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En el Cuadro 1 se muestran los valores medios obtenidos en el análisis de los diferentes ensayos de los tableros evaluados, valorando cada una de sus propiedades físicas y mecánicas. Estos resultados se corroboran en el Cuadro 2 donde se muestran los resultados obtenidos a partir del análisis estadístico realizado para comparar cada uno de los tableros evaluados.

Contenido de humedad de los tableros

En el Cuadro 1 se presentan los valores medios del contenido de humedad (CH) de los tableros evaluados. El tablero de MP tuvo 4.13 % de humedad; este contenido está dado por el empleo de los residuos termoplásticos como materia prima, los cuales favorecen la resistencia a la penetración del agua y, además, permiten un buen encapsulamiento entre las partículas de la madera utilizada y la matriz termoplástica, debilitando así la capacidad higroscópica de la madera. Estos resultados se relacionan con los obtenidos por Moya et al. (2012), quienes determinaron que la variación del CH en tableros de MP depende del contenido de aserrín utilizado, empleando dosificaciones que variaron entre 20, 40 y 60 %. Las comparaciones permitieron demostrar que la mejor estabilidad se encuentra entre 40 y 60 % de madera. Con estas proporciones de madera en el compuesto, los contenidos de humedad variaron desde 3.47 a 6.48 %. Varios autores han reportado contenidos de humedad similares en compuestos fabricados a base de harinas de madera y termoplásticos mediante moldeo por inyección (Dominkovics, Dányádi, & Pukánszky, 2007; Raukola & Makinen, 2003; Rowell, Lange, & Jacobson, 2000).

El CH en los tableros convencionales varió de 9 a 10 %. Este comportamiento se debe a que dichos tableros se producen con más de 80 % de madera, lo cual atribuye mayor absorción de agua, aumentando su CH, según resultados obtenidos por Yadama et al. (2009).

Densidad

Tenorio, Moya y Camacho (2012) infieren que la densidad es un factor importante que puede determinar las propiedades físico-mecánicas de un compuesto o tablero. Estudios realizados por Poblete (2001) demuestran que el aumento en la densidad del tablero favorece incrementos en la flexión y la tracción, y a su vez promueve la disminución de la absorción de agua y aumento de la expansión tanto lineal como en el espesor, aspectos que coincidieron con las propiedades físico-mecánicas de los tableros de MP.

En el Cuadro 1 se muestra que la densidad del tablero de MP (1,050 kg·m^-3) fue considerablemente mayor con relación a los tableros convencionales, la cual proporcionó buenas propiedades físico-mecánicas. En el análisis de las comparaciones múltiples se corrobora esta afirmación, existiendo diferencias significativas en la densidad del tablero de MP en relación con los tableros convencionales. Los resultados confirman que la densidad es directamente proporcional a las propiedades mecánicas de los tableros e inversamente proporcional a las propiedades físicas, dado que los aumentos en la densidad causaron menor absorción de agua e hinchamiento. Sin embargo, el aumento de densidad en los tableros convencionales deriva del aumento del compuesto lignocelulósico (madera), lo cual provoca mayor concentración de materia higroscópica que induce baja resistencia a las propiedades físicas (Poblete & Roque, 2006).

Absorción de agua

El comportamiento del tablero de MP es muy diferente a los tableros convencionales ya que solo absorbe, en promedio, 0.22 % de agua durante inmersión por 72 h. El Cuadro 1 muestra los valores obtenidos de la absorción de agua para cada tipo de tablero.

El comportamiento del tablero de MP respecto a la absorción de agua puede deberse a dos factores fundamentales. En primer lugar a la naturaleza higroscópica de la madera (P. caribaea var caribaea), debido a la presencia de grupos hidroxilos (OH) en los carbohidratos, tales como celulosa y hemicelulosa, que forman la pared celular de las fibras vegetales (Beg & Pickering 2008a, 2008b; Rowell, Pettersen, Han, & Rowell, 2005). En segundo lugar, hay que considerar la baja calidad de encapsulamiento de las partículas por parte de la matriz termoplástica, ya que en el proceso de fabricación del compuesto se pueden formar poros libres o zonas de fallas que facilitan la entrada de agua al tablero (Yadama et al., 2009). En el análisis de comparaciones múltiples (Cuadro 2) se demuestra que existen diferencias entre el tablero de MP y los convencionales; esto corresponde fundamentalmente a la acción de la matriz termoplástica en el material.

Para los tableros convencionales, la absorción de agua constituye un factor determinante que limita su utilidad como material para la construcción, debido a que sufren gran deformación dimensional bajo la acción del agua (Poblete & Roque, 2006), aspecto que no ocurre en el tablero de MP.

Hinchamiento

El comportamiento de los tableros respecto al hinchamiento se puede observar en el Cuadro 1. Los resultados demostraron que el tablero de MP tiene en promedio 0.15 % de hinchamiento, valor muy inferior respecto a los tableros convencionales. Este comportamiento es favorecido por la influencia de la matriz termoplástica, que provoca una mayor impermeabilidad del tablero. El análisis de comparaciones múltiples (Cuadro 2) corrobora la superioridad del tablero de MP con relación a los convencionales, reflejando diferencias significativas entre ellos.

Las propiedades favorables que presenta el tablero de MP con relación a las propiedades físicas evaluadas, pueden estar relacionadas con la adición de aditivos químicos. Estos pueden influir en las interacciones del compuesto con el agua, ya que permiten mayor dispersión de las harinas o fibras de la madera en la matriz termoplástica, favoreciendo mejor comportamiento de las propiedades físicas debido a la capacidad de resistir el humedecimiento de la matriz con la superficie de las partículas de madera y generando compuestos más homogéneos (Beg & Pickering, 2008a; Haque, Hasan, Islam, & Ali, 2009; Karmarkar, Chauhan, Modak, & Chanda, 2007; Yadama et al., 2009).

De manera general, el comportamiento del tablero de MP respecto a las propiedades físicas es un poco inusual ya que no se cumplen los supuestos de que mientras mayor es la densidad del tablero, mayor debe ser la hinchazón, como sucede en los tableros derivados convencionales. En el tablero de MP, aunque posee densidad alta, no es posible que los esfuerzos irreversibles de la hinchazón sean liberados al realizar la inmersión en agua, por lo que ésta tiene poca posibilidad de penetrar en el interior del tablero y provocar alguna deformación dimensional. Según estudios realizados por Poblete y Burgos (2011) en tableros de fibras, la relación entre hinchamiento y densidad del tablero no es significativa tanto para 2 h como 24 h de inmersión en agua.

Flexión

Los valores obtenidos para este ensayo mecánico se muestran en el Cuadro 1. El tablero de MP muestra valores superiores a los 17 MPa, solamente el tablero contrachapado muestra semejante resistencia, pues según el análisis de comparaciones múltiples no existen diferencias estadísticas (Cuadro 2). Este comportamiento puede atribuirse a que los tableros contrachapados presentan características peculiares por la orientación de sus chapas, las cuales están ubicadas de forma opuesta en números impares, con la adición de resinas o colas sintéticas que favorecen la compactación del tablero. Dichos tableros ofrecen buen comportamiento ante las propiedades mecánicas evaluadas. Por su parte, el comportamiento del tablero de MP puede atribuirse a la buena dispersión de las partículas de madera en la matriz termoplástica, teniendo en cuenta la dosificación de la madera (50 %) en el tablero, que además contribuye al fortalecimiento de la interfase entre ambas partículas (madera-termoplásticos), pudiendo alcanzar mayor densificación del compuesto. No obstante, investigaciones referidas por Wang, Sain, y Cooper (2005) indican que los incrementos de las proporciones de madera en los compuestos tienden a disminuir las propiedades de flexión.

En esta investigación se obtienen mejoras en las propiedades mecánicas a partir de la dosificación de cada materia prima empleada para producir el tablero de MP con relación a tableros similares que fueron obtenidos por investigadores como Bouafif, Koubaa, Perré, & Cloutier (2009) y Moya et al. (2012).

Compresión

En el Cuadro 1 se muestran los resultados obtenidos en este ensayo. El comportamiento del tablero de MP presenta compresión de 138 MPa, muy superior a los valores alcanzados por los tableros convencionales. Esto se puede corroborar en el análisis de comparaciones múltiples reflejado en el Cuadro 2, en el cual se puede observar que existe diferencia en la compresión entre los tableros de MP y los convencionales, excepto el tablero contrachapado. El comportamiento del tablero de MP puede atribuirse a la fortaleza entre el enlace de las partículas de aserrín y termoplástico, mientras que en el tablero contrachapado, la fortaleza que le brinda la orientación de sus chapas permite que este tenga buena resistencia a la fuerza de compresión.

Como un factor común para todas las propiedades mecánicas, una variación en la densidad de la madera obliga a un ajuste en la compactación del tablero. Las especies de menor densidad deberán ser comprimidas en mayor proporción que las de densidades más altas, lo que indudablemente influye en las propiedades de los tableros (Poblete, 2001). El tablero de MP se fabricó con madera de P. caribaea var caribaea de una densidad aproximada de 600 kg·m^-3 con 3.5 % de humedad. Dada la tecnología empleada para su elaboración (extrusado), la compactación del material fue favorecida por la influencia de los residuos termoplásticos y aditivos químicos. Esto favoreció una buena interacción entre las partículas de aserrín y la matriz termoplástica debido a las altas temperaturas del proceso, la cual aportó buenas propiedades de compresión. Para evaluar esta compatibilidad en el material, se determina la razón de compresión (RC) que corresponde al cociente entre la densidad del tablero y la densidad de la madera. El parámetro RC siempre debe ser mayor de 1, considerando que una mayor compresión permite mejor contacto entre las partículas y mayor eficiencia del aglomerante, tanto para el proceso de peletización como extrusado. Cuando la RC es menor de 1, el tablero tiene una densidad menor a la de la madera utilizada y no habrá compactación del material. En general, es recomendable lograr valores de RC entre 1.5 y 2.2 (Poblete, 2001). La RC del tablero de MP fue de 1.75, la cual se considera muy buena, corroborando así la buena compactación del tablero y demostrando la alta compatibilidad de la materia prima utilizada, lo cual contribuye a que el tablero tenga buenas propiedades mecánicas con relación a la compresión y demás propiedades.

Tracción

En el Cuadro 1 se muestran los valores obtenidos con relación al comportamiento de tracción de los tableros evaluados. Se puede observar que el tablero de MP tiene un valor superior a los 28 MPa, comportamiento solo superado por el tablero contrachapado con un valor de 31 MPa. Este comportamiento se puede corroborar en el análisis de comparaciones múltiples (Cuadro 2), donde se muestra que no existen diferencias estadísticas en la tracción entre el tablero de MP y el contrachapado, debido a las características de este tablero, explicadas en epígrafes anteriores, que le permite ofrecer alta resistencia a las fuerzas opuestas de la tracción.

Estudios realizados por autores como Bledzki y Faruk (2004), Ngueho, Koubaa, Cloutier, Soulounganga, y Wolcott, (2010), Yang, Kim, Park, Lee, y Hwang (2006), y Zabihzadeh (2010) demuestran que la resistencia a la tracción disminuye en la medida que se incrementa la utilización de madera. Es por ello que el tablero de MP presenta mejor comportamiento ante la tracción en relación con los tableros convencionales, con excepción de los tableros contrachapados.

Los valores de resistencia a la tracción del tablero de MP son superiores a los indicados como aceptables por US Plastic Lumber para los compuestos fabricados por extrusión con 50 % de fibras de madera y termoplásticos reciclados, fijando valores de 8 MPa (US Plastic Lumber, 2004). A la vez, estos valores son similares a la mayoría de los compuestos elaborados con diferentes termoplásticos vírgenes y reciclados, con y sin la utilización de aditivos químicos, mediante los métodos de inyección, compresión o extrusión, que han sido evaluados por diferentes investigadores como Bledzki y Faruk (2004), Yang et al. (2006), Ngueho et al. (2010), Zabihzadeh (2010) y Moya et al. (2012).

 

CONCLUSIONES

El tablero de madera plástica, producido en Cuba, posee relación dependiente de la densidad que le proporciona mejores propiedades físico-mecánicas con respecto a los tableros convencionales. El tablero de madera plástica posee las siguientes características: 4.13 % de humedad, 0.22 % de absorción de agua, 0.15 % de hinchamiento, 17 MPa de carga máxima a la flexión, 28 MPa a la tracción y 138 MPa a la compresión. Dichas propiedades validan la utilidad del tablero de madera plástica como material para la construcción.

 

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