Efecto de la adición de furfural sobre la capacidad adhesiva de la proteína de soya

Effect of furfural addition over the adhesive ability of soy protein

Fernando Hernández-Castorena¹, José Antonio Silva-Guzmán², Ricardo Manríquez-González², Fernando Antonio López-Dellamary Toral³, Raúl Rodríguez-Anda² Rubén Sanjuán-Dueñas² y Francisco Javier Fuentes-Talavera²

¹Programa de Maestría en Ciencia de Productos Forestales. Departamento de Madera, Celulosa y Papel. CUCEI. Universidad de Guadalajara.

³Cuerpo Académico UdG-CA-623. Ciencia y Desarrollo de Biomoléculas y Materiales COmplementarios. Departamento de Madera, Celulosa y Papel. CUCEI. Universidad de Guadalajara.

Recibido el 6 de noviembdre de 2014
Aceptado el 18 de diceimbre de 2014.

Resumen

Adhesivos para madera como la urea-formaldehído y el fenol-formaldehído son apreciados por su eficacia y el segundo ofrece buena resistencia para usos en ambientes húmedos. Su inconveniente son las emisiones de formaldehído, que en estudios recientes se ha comprobado son nocivos para la salud. El objetivo general del presente trabajo fue desarrollar un adhesivo para madera a partir de proteína de soya y adición de furfural para incrementar su capacidad y hacerlo amigable con el ambiente. Se prepararon diversas formulaciones de proteína de soya-furfural en agua a concentraciones de adhesivo de 10 %,15 % y 20 % y adiciones de furfural base seca de 0 %, 15 %, 25 % y 35 %. La capacidad adhesiva de cada formulación se determinó en ensayo de tensión acorde a la norma ASTM-D 2339-98, mediante probetas de chapas encoladas de pino, a las que se les aplicó una capa uniforme del adhesivo soya-furfural y prensado a 1 MPa, a 150 °C, durante 5 minutos para su curado. Asimismo, se elaboraron y probaron especímenes encolados con urea-formaldehído. Los resultados de resistencia a la tensión fueron de 1.6 a 1.8 MPa sin furfural de 2.5 MPa, con adición de 25 % de furfural a una concentración de 10 %, y a 1.7 MPa con la resina urea-formaldehído. Se concluye que la adición de furfural a la proteína de soya incrementó su resistencia adhesiva, además tuvo mejor desempeño que la resina urea-formaldehído, lo cual permite visualizar su aplicación en la manufactura de tableros.

Palabras clave: Concentración de adhesivo, envejecimiento, furfural, proteína de soya, resistencia a tensión, viscosidad.

Adhesives for wood such as urea-formaldehyde and phenol-formaldehyde are appreciated from its efficiency and the second one offers good resistance to moist environments. Their problem are the formaldehyde emissions, which recent studies have proved that they are harmful to human health. The main objective of this research was to develop a wood adhesive from soy protein and added furfural to increase its ability and make it environmentally friendly. Several furfural-soy protein formulations in water at adhesive concentrations of 10 %, 15 % and 20 % and dry-base furfural additions of 0 %, 15 %, 25 % and 35 %. The adhesive ability of each formulation was determined by tension assay according to the ASTM-D 2339-98 regulation, through glued pine veneer tests, to which was applied a uniform furfural-soy adhesive layer and pressed at 1 MPa, under 150 °C for 5 minutes to be cured. In the same way, glued specimens with urea-formaldehyde were prepared and tested. The results of tensile strength were 1.6 to 1.8 MPa without furfural addition, of 2.5 MPa with added 25 % furfural and 10 % concentration and 1.7 MPa with urea-formaldehyde resin. It is concluded that furfural addition to soy protein increased its adhesive resistance and had a better reaction than urea-formaldehyde resin, which makes it possible to foresee the use of this kind of adhesive formulation for board manufacture.

Key words: Adhesive concentration, ageing, furfural, soy protein, tensile strength, viscosity.

Introducción

Algunos adhesivos para madera, cuyo origen es el petróleo, tales como la urea-formaldehído y el fenol-formaldehído han probado tener gran eficacia, incluso el segundo ofrece buena resistencia para usos en ambientes húmedos, aun en contacto directo con la humedad. Sin embargo, el inconveniente de estos productos son las emisiones de formaldehído, que en estudios recientes se ha confirmado que son nocivos para la salud. Frihart (2011) declara que la Agencia Internacional de Investigación del Cáncer de la Organización Mundial de la Salud (IARC, 2004) reclasificó al formaldehído como agente cancerígeno en el 2004, por lo que la emisión de estos productos base madera usados en interiores debe ser ≤ 0.1 ppm, acorde a la norma DIN 68 765 (DIN, 1994). Aunado a ello, el fluctuante precio del petróleo y la predicción de su escasez en el mediano plazo direccionan la investigación hacia el desarrollo de opciones amigables con el ambiente y con el ser humano (Qi y Sun, 2011), quien está en contacto directo con productos de madera y base madera que utilizan esos adhesivos; por ejemplo, tableros contrachapados de fibras y de partículas, enlistonados y madera laminada.

Los adhesivos provenientes de productos naturales a base de proteínas vegetales son una posibilidad para sustituir a los derivados del petróleo, en particular aquellos cuya materia principal es la soya, cuyo inconveniente es ser poco resistente a la humedad y sus propiedades adhesivas son inferiores a los procedentes del petróleo (Nordqvist et al., 2010). La ventaja de los adhesivos de soya es que son amigables con el ambiente, además se originan en una fuente abundante, renovable, y son biodegradables (Song et al., 2011). La producción de dicho grano está muy extendida y, a pesar de sus cualidades alimenticias, solo una pequeña parte se destina al consumo humano (Kumar et al., 2002), la mayoría es usada como alimento del ganado; razón por la cual es conveniente buscar opciones industriales y darle valor tecnológico a los excedentes de la soya.

La formulación de los adhesivos de soya puede efectuarse a partir de su harina o de su proteína aislada. De acuerdo a Chen et al. (2013), los primeros suelen generar menor resistencia a la tensión y a la humedad debido a que los carbohidratos reaccionan con el grupo amino libre de algún aminoácido. No obstante, su potencial para aprovecharse como adhesivo es su bajo costo, principalmente, y por sus propiedades físicas y químicas.

Diversas investigaciones se han desarrollado sobre el particular, una línea de las cuales se ha enfocado a incrementar su capacidad adhesiva y su resistencia a la humedad, mediante combinación en baja proporción con resinas derivadas del petróleo, con lo que, también se reduce la emisión de formaldehído (Pizzi, 2006). Al respecto, Fan et al. (2010) reforzaron un producto de este tipo con pequeñas cantidades de resina melanina-urea-formaldehído, y lograron mejorar la resistencia a la humedad y de tensión, con 20 a 40 % de resina. Lei et al. (2014) formularon un adhesivo para tableros contrachapados con harina de soya y agregaron en forma individual tanto resina melanina y epóxica, como la mezcla de ambas; obtuvieron los mejores resultados de resistencia tanto mecánica como a la humedad, con la resina melamina.

La modificación química de la proteína de soya se basa en su capacidad reactiva, ya que cuenta con muchos grupos funcionales activos. Chen et al. (2003) entrecruzaron poliuretano, y demostraron, por medio de estudios de FTIR, que los grupos –NCO reaccionan con los grupos –NH-, NH₂ y –OH de la proteína de soya. Wu y Zhang (2001) mezclaron proteína de soya con polientilenglicol, lo cual incrementó su resistencia a la humedad, pero la disminuyó a la tensión. Kumar y Zhang (2008) modificaron dicha proteína al agregarle 2,2-difenil-2-ácido hidroxietanóico, con la finalidad de mejorar su hidrofobicidad en función de la acción plastificante del compuesto utilizado. Estudios con harina de soya mostraron que la proteína también tiene la capacidad de reaccionar químicamente con substancias como caprolactona y glicerol, usadas para la síntesis de polímeros plásticos, y con ello se logra incrementar la resistencia a la tensión y la hidrofobicidad (Chen et al., 2008; Hong et al., 2009).

Rivero et al. (2011) señalaron al furfural como substituto del formaldehído para la producción de resinas fenólicas libres del mismo, con lo cual se evita la emisión del formaldehído y se conservan las propiedades adhesivas y de hidrofobicidad. Adicionalmente, este compuesto se puede obtener de residuos agrícolas, lo que resulta atractivo por tratarse de fuentes renovables. Al respecto, el empleo de la proteína de soya como adhesivo se basa en que se trata de una macromolécula que reacciona con otras sustancias químicas; por ejemplo, el furfural, y logra así entrecruzar las cadenas de proteínas, lo que le confiere mejores propiedades de resistencia a la humedad.

Los objetivos del presente trabajo consistieron en determinar las mejores concentraciones del adhesivo base proteína de soya; evaluar la influencia de la temperatura de curado, y conocer el efecto de la adición de diferentes proporciones de furfural sobre la capacidad adhesiva y resistencia a la humedad de un adhesivo para madera formulado con proteína de soya.

Materiales y Métodos

Para la formulación del adhesivo base proteína de soya se utilizaron los siguientes materiales y reactivos: proteína de soya con un contenido proteico de 90.5 % y de humedad de 5.3 %; furfural grado reactivo; Hidróxido de Amonio (NH₄OH) solución 1 M; Cloruro de Amonio (NH₄Cl) grado reactivo.

Chapas de madera de pino desenrollada de 1.8 mm de espesor y predimensionadas en 150 x 200 mm, para las pruebas de adhesividad. Resina Urea-Formaldehído con 62 % de sólidos totales para pruebas comparativas.

Preparación de adhesivos

a) Concentración de adhesivo

Se realizaron pruebas exploratorias para determinar las mejores concentraciones de proteína de soya, para ello se prepararon mezclas adhesivas con la dispersión de proteína de soya en agua destilada a contenidos de sólidos de 5, 10, 15, 20 y 25 %, sin la adición de furfural. A cada formulación se le evaluó su capacidad adhesiva, mediante ensayo de tensión en probetas de chapas de pino (Figura 1) de acuerdo a la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998), para seleccionar las concentraciones apropiadas para la preparación de adhesivos de proteína de soya con furfural.

Figura 1. Probetas para ensayo de resistencia a la tensión.
Figure 1. Tests for assays to resistance to tension.

b) Temperatura de curado

La temperatura de curado es fundamental para la desnaturalización de la proteína de soya, por lo que se preparó un adhesivo de proteína de soya con una concentración de 10 % de sólidos y 25 % de furfural, como adhesivo de referencia, solo para evaluar el efecto de la temperatura. Con esta mezcla adhesiva se encolaron chapas de madera de pino prensadas a temperaturas de 130, 140, 150 y 170 °C por 5 minutos y 1 MPa de presión, para posteriormente evaluar el efecto de la temperatura sobre la resistencia a la tensión.

c) Formulación de adhesivos proteína de soya-furfural

Se hicieron formulaciones adhesivas de 100 g agregando a la proteína de soya proporciones de 0, 15, 25 y 35 % de furfural, conforme a los datos que se muestran en el Cuadro 1. Para este experimento se usaron las concentraciones de adhesivo de 10, 15 y 20 %, que en un ensayo previo mostraron ser más pertinentes, por su manejo y resistencia a la tensión.

Cuadro 1. Formulación de los adhesivos base proteína de soya - furfural en medio neutro, a las concentraciones más pertinentes. ]]> Table 1. Formulation of the soy protein-furfural based adhesives in neutral medium, at the convenient concentrations.

Las cantidades de proteína de soya, furfural y agua se pesaron en una balanza electrónica marca Sartorius modelo i-1800, y se colocaron en un matraz Erlenmeyer de 125 mL, para mezclarlos por 30 minutos en un agitador magnético Termolyne, modelo Sitirrer Nuova II; a continuación, las mezclas adhesivas se conservaron en reposo por 20 h para facilitar la dispersión de los componentes. Antes de ser aplicadas a las chapas de madera, se agitaron magnéticamente durante media hora.

Para efectos de comparación, se preparó un adhesivo de control en el que se agregaron 100 g de resina urea-formaldehído con un catalizador compuesto de 1.54 g de NH₄Cl y 9 mL de solución 1 molar de NH₄OH.

Con cada una de estas formulaciones (incluida la de control) se encolaron chapas de madera de pino para la elaboración de probetas para ensayo de resistencia a la tensión, conforme a la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998). En primera instancia se aplicó una capa uniforme de adhesivo base proteína de soya-furfural, mediante una brocha de 1.5 pulgadas de ancho a chapas de pino de 150 x 200 x 1.8 mm (Figura 2). La cantidad de adhesivo aplicado se muestra en el Cuadro 2. Posteriormente, las chapas con adhesivo se unieron con otras similares sin adhesivo y se procedió a colocarlas en una prensa hidráulica a una presión de 1 MPa, a temperatura de 150 °C durante 5 minutos, para su fraguado. Una vez unidas las dos chapas, se recortaron las probetas para ensayo de tensión a las dimensiones de 2.54 x 8.25 cm, con un área para la evaluación adhesiva de 6.45 cm² (Figura 1).

Figura 2. Aplicación de adhesivo proteína de soya-furfural en chapa de madera de pino.
Figure 2. Application of soy protein-furfural based adhesives to pine wood veneers.

Cuadro 2. Cantidad de adhesivo aplicado a las probetas de ensayo a la tensión.
Table 2. Amount of adhesive applied to the assay tests for tension.

d) Viscosidad de las formulaciones proteína de soya-furfural

La determinación de la viscosidad de las formulaciones proteína de soya-furfural se realizó de acuerdo a la norma TAPPI T666 om-91 (TAPPI, 1991); se prepararon 400 g de cada formulación de adhesivo. Previo a este paso, cada mezcla adhesiva se mantuvo en agitación por media hora. Se utilizó un viscosímetro marca Brookfield, modelo RVT. La lectura fue tomada a los 10 segundos de iniciado el giro del rotor del aparato en el adhesivo; dicho procedimiento se repitió 10 veces para cada una de las formulaciones. La viscosidad se calculó al multiplicar el promedio de las 10 lecturas por el factor del rotor utilizado, y se expresó en centipoise [cP].

Determinación de la resistencia a tensión

Las probetas de chapa de pino encoladas con los adhesivos base proteína de soya fueron acondicionadas a una humedad relativa del aire de 50 ± 2 % y una temperatura de 23 ± 1 °C, hasta lograr su peso constante. Enseguida se les determinó la resistencia a la tensión, conforme a las indicaciones de la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998), por medio de una máquina universal de ensayos físico-mecánicos Karl Frank modelo 81105 de una capacidad de carga máxima de 50 kN.

La aplicación de la fuerza se llevó a cabo a una velocidad de 1.5 mm min ^-1. En la Figura 3 se muestra la probeta de prueba colocada en las mordazas, para su ensayo a tensión.

Figura 3. Prueba de ensayo a la tensión.
Figure 3. Tension assay test.

Determinación de la resistencia a la humedad

Para conocer el efecto de la humedad sobre el desempeño del adhesivo base proteína de soya-furfural, un grupo de probetas de chapas encoladas conforme a las formulaciones indicadas en el Cuadro 1 fueron sometidas a un proceso de envejecimiento acelerado, con base en la norma ASTM D-1183-03 (ASTM, 2003), el cual consistió en inmersión en agua por 48 h a una temperatura de 23 ± 1 °C, posteriormente se acondicionaron a 50 ± 2 % de humedad relativa del aire y 23 ± 1 °C hasta peso constante; este procedimiento se conoce como ciclo de envejecimiento, para el cálculo se realizaron tres ciclos. Las probetas fueron probadas a ensayo de tensión conforme a la norma ASTM D-2339-98 (ASTM, 1998).

Análisis estadístico

Se realizó un análisis de varianza multifactorial, mediante el programa Statgraphics Centurion XV, para determinar el efecto de la concentración del adhesivo y la de furfural sobre la resistencia a la tensión, a partir de los niveles de variables indicados en el Cuadro 1. Se hicieron 10 réplicas para cada combinación de factores. También se utilizó un análisis de varianza unifactorial para detectar diferencias estadísticas de la resistencia a la tensión.

Resultados y Discusión

La concentración de proteína de soya define la viscosidad del adhesivo, y es una variable muy importante para su aplicación. De acuerdo a Frihart y Hunt (2010), estos productos suelen ser aplicados industrialmente en la superficie de madera por el sistema de rociado; en el experimento la viscosidad de los adhesivos debió ser la adecuada para ponerlos de forma manual y uniforme por medio de una brocha. Kumar et al. (2002) indican un intervalo de hasta 5 000 cP para adhesivos que se usarán en materiales con buena absorción.

De las concentraciones estudiadas, se observó que en la de 5 %, una cantidad considerable de adhesivo escurría de la brocha, además de que las probetas mostraron una baja resistencia a la tensión (0.55 MPa) (Cuadro 3). Por otra parte, para concentraciones mayores a 25 y 30 %, la consistencia fue de una pasta viscosa muy difícil de aplicar a la superficie de las chapas de madera. Las concentraciones más pertinentes para su aplicación fueron de 10, 15 y 20 %, mismas que generaron los mejores valores de resistencia a la tensión de 1.7, 1.6 y 1.8 MPa, respectivamente.

Cuadro 3. Resistencia a la tensión para adhesivos base soya en función de su concentración.
Table 3. Tensile strength for soy protein based adhesive according to concentration.

Valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar.
Values in parenthesis belong to standard deviation.

La temperatura de curado es otro factor importante, ya que debe alcanzarse la desnaturalización de la proteína; es decir, el cambio de estructura cuaternaria a primaria. Huson et al. (2011) establecieron que la glicina es el principal componente de la proteína de soya y tiene diferentes temperaturas de desnaturalización, con respecto a su contenido de humedad. Por ejemplo, Mo et al. (1999) registraron que a temperaturas mayores a 193 °C se produce una degradación de la proteína. Para los adhesivos de proteína de soya con algún agente entrecruzante, como es el caso del furfural, se tiene que tomar en cuenta la temperatura en que ocurrirá la reacción de curado.

La Figura 4 muestra la influencia de la temperatura de curado sobre la resistencia a la tensión. Es notoria una tendencia a incrementarse la resistencia de los 130 a lo 150 °C, en la que se observa un claro descenso a las temperaturas de 160 y 170 °C. El análisis de varianza corroboró la diferencia estadística significativa (P = 0.0178) de la resistencia a 130 °C, con respecto las obtenidas a 140, 150 y 160 °C, para un 95 % de confiabilidad. Las de 140 a 170 °C no incidieron significativamente en la resistencia a la tensión, por lo que para la selección de la temperatura de curado del adhesivo proteína de soya-furfural, se optó por la de 150 °C, ya que favorece el mayor valor promedio de la resistencia a la tensión.

Letras diferentes (a, b) indican diferencia estadística significativa.
Different letters (a, b) indicate significant statistical differences.

Figura 4. Resistencia a la tensión en función de la temperatura de curado del adhesivo.
Figure 4. Tensile strength strength according to curing temperature of the adhesive.

La viscosidad del adhesivo es una propiedad física muy importante, ya que de esta depende el comportamiento del adhesivo cuando se aplica en la madera. Lambuth (1977) señala que bajas viscosidades son deseables en un adhesivo porque permiten un fácil manejo y fluidez para penetrar en la estructura de la madera, y por consiguiente una mayor área de contacto. Los resultados de viscosidad para los adhesivos proteína de soya-furfural (Cuadro 4) indican que la viscosidad del adhesivo se incrementó considerablemente con la concentración de sólidos, lo cual era esperado.

Cuadro 4. Viscosidad de los adhesivos a diferente concentración de sólidos y proporción de furfural.
Table 4. Viscosity of the adhesives at different solid concentration and furfural proportion.

Valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar.
The numbers in parenthesis refer to standard deviation.

La viscosidad de los adhesivos sin furfural registró los valores mayores; para 10 % de sólidos fue de 48.2 cP y para 20 % aumentó hasta 3 660 cP. La adición de furfural produjo una importante disminución de la viscosidad, lo que pudiera atribuirse a que una cantidad de soya es sustituida por dicho producto; conforme fue mayor su proporción, se redujo la viscosidad.

En todos los adhesivos estudiados, en este trabajo, dicha propiedad se ubicó en el intervalo favorable para aplicarlos por medio de brocha o rodillo, de acuerdo a especificaciones de Kumar et al. (2002) y de Frihart et al. (2010).

Con base en el análisis de varianza multifactorial realizado para las pruebas de resistencia a la tensión en seco y tercer ciclo de envejecimiento acelerado, la concentración del adhesivo y la adición de furfural tuvieron efectos estadísticamente significativos sobre la resistencia a la tensión (P < 0.05) (cuadros 5 y 6).

Cuadro 5. Análisis de varianza para la resistencia a la tensión en seco.
Table 5. Analysis of variance for the tensile strength in dry tests.

Cuadro 6. Análisis de varianza para la resistencia a la tensión después de tres ciclos de envejecimiento acelerado .
Table 6. Analysis of variance for the tensile strength after three accelerated ageing cycles.

La adición de 25 % de furfural y concentraciones de 10, 15 y 20 % del adhesivo generaron las mejores resistencias a la tensión en seco con respecto al resto de formulaciones; entre ellas la formulación de 25 % furfural y 10 % de concentración fue sobresaliente al alcanzar un promedio de 2.5 MPa, y en comparación con la formulación sin furfural, registró un incremento de resistencia de 45 % (Figura 5).

Figura 5. Resistencia a la tensión en función de la adición de furfural (F) y concentración del adhesivo (C).
Figure 5. Tensile strength in terms of furfural (F) addition and adhesive concentration (C).

Respecto a la evaluación después de tres ciclos de envejecimiento acelerado, en la Figura 5 se observaa que la formulación con 25 % de furfural y 20 % concentración de adhesivo aportó la mejor resistencia a la tensión (2.0 MPa), sin diferencia estadística en comparación con la resistencia en seco (P < 0.05) y 33 % mayor en comparación con la formulación de 0 % furfural y 20 % de adhesivo.

Li et al. (2004) y Frihart (2011) obtuvieron un aumento de 5.6 % en resistencia a la tensión en seco, y 66 % de incremento a la resistencia en húmedo, cuando agregaron el agente de curado poliamidoamina-epiclorhidrina a proteína de soya, a diferencia de lo registrado en este trabajo, en el que la adición de furfural mejoró más eficientemente la resistencia en seco, pero no así la resistencia en húmedo.

La adición de furfural en el adhesivo de proteína de soya incrementa la resistencia a la tensión, lo que pudiera deberse a los posibles entrecruzamientos de las cadenas de las proteínas de soya por el furfural, los cuales mejoran la resistencia a la humedad y las propiedades de resistencia (Jang et al., 2011). Sin embargo, la adición de cantidades de furfural superiores a 25 % disminuyeron la resistencia (1.65, 1.75, 1.67 MPa), probablemente, debido a que el entrecruzamiento se lleva a cabo con los grupos polares de la proteína de soya (-NH₂ , -COOH, -OH) (Qi et al., 2013), y al incrementarse estos dejan disponibles una menor cantidad de dichos grupos polares, los cuales son responsables de la adhesión, al interactuar con los grupos polares y apolares de la madera; sin embargo, también se infiere una cierta hidrofobicidad que se reflejó en que las resistencias en seco y después de tres ciclos de envejecimiento, no presentaron diferencia estadística significativa (P<0.05) en las formulaciones de 35 % furfural y 15 y 20 % de concentración de adhesivo.

En el Cuadro 7 se consignan los porcentajes de ruptura ocurridos en la superficie de prueba. Es notorio que conforme se incrementó la adición de furfural, también creció el área de ruptura. El mayor porcentaje de ruptura se tuvo con 25 % de furfural y una concentración del adhesivo de 10 %, lo que coincide con la mejor resistencia a la tensión.

Cuadro 7. Porcentajes de ruptura en función de proporciones de furfural y concentración de adhesivo.
Table 7. Split percentages in terms of furfural formulations and adhesive concentration.

Valores entre paréntesis corresponden a la desviación estándar.
The numbers in parenthesis refer to standard deviation.

Comparación del adhesivo proteína de soya-furfural con la resina urea-formaldehído

La Figura 6 muestra la comparación del adhesivo base proteína de soya con la resina urea-formaldehído (U-F). El adhesivo base proteína de soya corresponde a una concentración de 10 % con 25 % de furfural y la resina U-F con un contenido de 62 % de sólidos. En estado seco, la resistencia a la tensión del adhesivo de soya superó en 48 % a la resina U-F. Después de un ciclo de remojo y secado (U-F no soportó más) el adhesivo base soya tuvo una pérdida de resistencia de 28 %, mientras que en el adhesivo de urea-formaldehído fue de 36 % y la resistencia a la humedad de la resina urea-formaldehído resultó baja, debido a que esta tiene un proceso de despolimerización en presencia de agua (Frihart et al., 2010).

Figura 6. Comparación de la resistencia de adhesivo soya-furfural (S-F) con resina urea-formaldehído (U-F).
Figure 6. Comparison of the soy-furfural (S-F) adhesive resistance with a urea-formaldehyde (U-F) resin.

Esta comparación es útil para establecer la probabilidad de uso comercial de un adhesivo. Por ejemplo, He et al. (2012) desarrollaron un adhesivo de harina de soya hidrolizada mezclada con melanina, la cual registró resultados similares a los de la resina de fenol-formaldehído; Wescott et al. (2005) evaluaron un adhesivo de soya mezclado con fenol-formaldehído, cuya respuesta fue semejante a la resina fenol-formaldehído pura.

Conclusiones

Concentraciones de sólidos superiores a 20 % en la formulación adhesiva de proteína de soya dificultan el manejo y aplicación del adhesivo en la superficie de la madera, y menores a 10 %, generan baja resistencia a la tensión.

Las temperaturas de 140 a 160 °C favorecen el curado del adhesivo proteína de soya-furfural, que se refleja en mayor resistencia a la tensión.

La adición de furfural en adhesivos base proteína de soya, aplicados en madera ejerce un importante incremento de la resistencia a la tensión y una moderada resistencia a la influencia de humedad.

La formulación adhesiva proteína de soya-furfural en comparación con la resina urea-formaldehído tiene mejores resistencias tanto en estado seco, como después de un ciclo de envejecimiento.

Conflicto de intereses

Los autores declaran no tener conflicto de intereses.

Contribución por autor

Fernando Hernández-Castorena: desarrollo experimental, cálculos y análisis estadísticos, redacción y corrección del manuscrito; José Antonio Silva-Guzmán: concepción de idea, revisión de resultados del trabajo experimental, redacción y corrección del documento; Ricardo Manríquez-González: revisión de resultados del trabajo experimental; Fernando Antonio López-Dellamary Toral: asesoría y revisión de resultados del trabajo experimental; Raúl Rodríguez-Anda: asesoría en la preparación de probetas y evaluaciones mecánicas, revisión del documento; Rubén Sanjuán-Dueñas: asesoría en el desarrollo del trabajo experimental, revisión del manuscrito; Francisco Javier Fuentes-Talavera: concepción y planeación del trabajo, gestión de recursos materiales y económicos para el desarrollo de experimental, diseño experimental, asesoría y revisión de los resultados, redacción y corrección del documento.

Referencias

American Society for Testing and Materials (ASTM). 2003. ASTM D 1183 – 03. Standard practices for resistance of adhesives to cyclic laboratory aging conditions. Copyright^© ASTM International. West Conshohocken, PA, USA. 3 p.         [ Links ]

American Society for Testing and Materials (ASTM). 1998. ASTM D 2339 – 98, Standard Test Method for Strength Properties of Adhesives in Two- Ply Wood Construction in Shear by Tension Loading, American Society for Testing and Materials. West Conshohocken, PA, USA. 3 p.         [ Links ]

Chen, Y., L. Zhang and L. Du. 2003. Structure and properties of composites compression-molded from polyurethane Prepolymer and Various Soy Products. Industrial and Engineering Chemistry Research 42(26): 6786-6794.         [ Links ]

Chen, P., H. Tian, L. Zhang and P. R. Chang. 2008. Structure and properties of soy protein plastics with caprolactone/Glycerol as binary plasticizers. Industrial and Engineering Chemistry Research 47(23): 9389–9395.         [ Links ]

Chen, N., Q. Lin, J. Rao and Q. Zeng. 2013. Water resistances and bonding strengths of soy-based adhesives containing different carbohydrates. Industrial Crops and Products 50: 44– 49.         [ Links ]

Deutsches Institut für Normung (DIN). 1994. DIN 68 765. 1994. Spanplatten. Kunststoffbechichtete decorative Flachpressplatten. Begriff – Anforderungen. Holzfaserplatten, Spanplatten, Sperrholz; Normen Richtlinien. Berlin. Deutsches Institut für Normunge. V. 5 Auf. Berlin, Deutschland. pp. 180-182.         [ Links ]

Fan, D., T. Qin and F. Chu 2010. A soy flour-based adhesive reinforced by low addition of MUF Resin. Journal of Adhesion Science and Technology 25(1-3): 323-333.         [ Links ]

Frihart, C. R. 2011. Influence of soy type on wood bonding performance, In: Proceedings of the 34 th Annual Meeting of Adhesion Society. February 2011. Savannah, GA, USA. pp. 13-15.         [ Links ]

Frihart, C. R. and C. G. Hunt. 2010. Adhesives with wood materials. In: Ross, R. J. (ed.). Wood Handbook, Chapter 10. Forest Products Laboratory. Madison, WI, USA. pp 10-16.         [ Links ]

Frihart, C. R., M. J. Birkeland, A. J. Allen and J. M Wescott. 2010. Soy adhesives that can form durable bonds for plywood, laminated wood flooring, and particleboard. Proceedings of the International Convention of Society of Wood Science and Technology and United Nations Economic Commission for Europe – Timber Committee. October 11-14. Geneva, Switzerland. http://www.fpl.fs.fed.us/ (24 de septiembre de 2013).         [ Links ]

Frihart, C. R. 2011.Wood adhesives, Vital for producing most wood products. USDA, Forest Products Laboratory. http://www.fpl.fs.fed.us/ (14 de enero de 2014).         [ Links ]

He, G., M. Feng and C. Dai 2012. Development of soy-based adhesives for the manufactured wood composite products. Holzforschung 66: 857–862.         [ Links ]

Hong, S., W. Y. Choi, S. Y. Cho, S. H. Jung, B. Y. Shin and H. J. Park. 2009. Mechanical properties and biodegradability of poly-3- caprolactone/soy protein isolate blends compatibilized by coconut oil. Polymer Degradation and Stability 94:1876–1881.         [ Links ]

Huson, M. G., E. V. Strounina, C. S. Kealley, M. K. Rout, J. S. Church, I. A. M. Appelqvist, M. J. Gidley and E. P. Gilbert. 2011. Effects of thermal denaturation on the solid-state structure and molecular mobility of glycinin. Biomacromolecules 12: 2092–2102.         [ Links ]

International Agency for Research on Cancer (IARC). 2004. Formaldehyde, International Agency for Research on cancer classifies formaldehyde as carcinogenic to humans. Press release Num. 153. Lyon, France. 1 p.         [ Links ]

Jang, Y., J. Huang and K. Li 2011. A new formaldehyde-free wood adhesive from renewable materials. International Journal of Adhesion and Adhesives 31(7):754-759.         [ Links ]

Kumar, R., V. Choudhary, S. Mishra, I. K. Varma and B. Mattiason. 2002. Adhesives and plastics based on soy protein products. Industrial Crops and Products 16(3):155-172.         [ Links ]

Kumar, R. and L. Zhang. 2008. Water-induced hydrophobicity of soy protein materials containing 2,2-diphenyl-2-hydroxyethanoic acid. Biomacromolecules 9: 2430–2437.         [ Links ]

Lambuth, A. 1977. Soybean glues. In: Skeist, I. (ed.). Handbook of Adhesives. 2 nd edition Van Nostrand. New York, NY, USA. pp. 172-180.         [ Links ]

Lei, H., G. Du, Z. Wu, X. Xi and Z. Dong. 2014. Cross-linked soy-based wood adhesives for plywood. International Journal of Adhesion and Adhesives 50: 199–203.         [ Links ]

Li, K., S. Peshkova and X. Geng 2004. Investigation of soy protein-kimene adhesive systems for wood composites. Journal of the American Oil Chemists' Society 81: 487-491.         [ Links ]

Mo, X., X. S. Sun and Y. Wang. 1999. Effects of molding temperature and pressure on properties of soy protein polymers. Journal of Applied Polymer Science 73(13): 2595-2602.         [ Links ]

Nordqvist, P., F. Khabbaz and E. Malmström. 2010. Comparing bond strength and water resistance of alkali-modified soy protein isolate and wheat gluten adhesives. International Journal of Adhesion and Adhesives 30: 72-79.         [ Links ]

Pizzi, A. 2006. Recent developments in eco-efficient bio-based adhesives for wood bonding: opportunities and issues. Journal of Adhesion Science and Technology 20(8): 829–846.         [ Links ]

Qi, G. and X. S. Sun. 2010. Soy protein adhesive blends with synthetic latex on wood veneer. Journal of the American Oil Chemists' Society 88: 271–281.         [ Links ]

Qi, G., N. Li, D. Wang and X. S. Sun. 2013. Physicochemical properties of soy protein adhesives modified by 2-octen-1-ylsuccinic anhydride. Industrial Crops and Products 46: 165– 172.         [ Links ]

Rivero, G., V. Pettarin, A. Vazquez and L. B Manfredi. 2011. Curing kinetics of a furan resin and its nanocomposites. Thermochimica Acta 516: 79-87.         [ Links ]

Song, F., D. Tang, X. Wang and Y. Wang. 2011. Biodegradable soy protein isolate-based materials: a review. Biomacromolecules 12: 3369−3380.         [ Links ]

Technical Association of the Pulp and Paper Industry (TAPPI). 1991. TAPPI T 666 om-91. Official Standard Method. Viscosity of adhesives using a low-shear rotating apparatus. Atlanta, GA, USA. 4 p.         [ Links ]

Wescott, J. M., Traska A., Frihart C. R., Lorenz L. 2005. Durable Soy-Based Adhesive Dispersions. In: Frihart, C. R. (ed.). Wood Adhesives. San Diego, CA, USA. pp. 263-269.         [ Links ]

Wu, Q. and L. Zhang. 2001. Properties and Structure of Soy Protein Isolate- Ethylene Glycol Sheets Obtained by Compression Molding. Industrial and Engineering Chemistry Research 40(8):1879-1883.         [ Links ]