Perfil de estabilidad dimensional de las maderas primavera y Rosa Morada

Dimensional stability profile of primavera and Rosa Morada woods

Francisco Javier Fuentes-Talavera¹, José Antonio Silva-Guzmán¹, Raúl Rodríguez-Anda¹, Rubén Sanjuán-Dueñas¹ y Hans Richter¹

¹ Departamento de Madera, Celulosa y Papel. CUCEI. Centro de Investigación en Propiedades y Usos de la Madera Universidad de Guadalajara. Correo-e: ffuentes@dmcyp.cucei.udg.mx

Fecha de recepción: 27 de marzo de 2014;
Fecha de aceptación: 30 de junio de 2014.

RESUMEN

El perfil de estabilidad dimensional de las maderas Roseodendron donnell-smithii (Primavera) y Tabebuia rosea (Rosa morada) se determinó mediante la investigación experimental de sus principales índices de movimiento dimensional y anisotropías, de acuerdo a la norma DIN 52 184. Se recolectaron seis árboles de cada especie del estado de Chiapas; a partir de la zona de diámetro normal de cada árbol se elaboraron 24 especímenes de prueba de 25 x 25 x 10 mm saturados de humedad y se acondicionaron secuencialmente en clima con humedad relativa del aire de 65, 85, 35 y 0 % e inmersión en agua hasta saturación, para calcular diversos índices. Los resultados indican: hinchamiento máximo radial = 3.3 y 3.0 % y tangencial = 6.2 y 6.9 %; hinchamiento diferencial radial = 0.14 y 0.15 % / % y tangencial = 0.24 y 0.29 %/ %; contracción radial normal por secado = 1.3 y 0.88 % y tangencial = 2.5 y 1.8 %, anisotropía del hinchamiento diferencial = 1.7 y 2.0, y anisotropía de la contracción por secado = 2.0 y 2.2. Con base en esta última, se infiere que puede tener comportamiento estable ante cambios de su contenido de humedad desde el estado verde al seco (CH≈12 %). Las manufacturas elaboradas con madera seca de estas especies manifestarán muy buena estabilidad dimensional en uso con ambientes de humedades relativas del aire de 65 a 85 % ó 65 a 35 %. A excepción de la contracción normal por secado (mayor en madera Primavera), el movimiento dimensional de ambas resultó similar no obstante su diferencia en densidad.

Palabras clave: Anisotropías, estabilidad dimensional, hinchamiento, movimiento dimensional, Roseodendron donnell-smithii Rose, Tabebuia rosea Bertol.

ABSTRACT

The profile of dimensional stability of Roseodendron donnell-smithii (Primavera) and Tabebuia rosea (Rosa morada) woods was determined by the experimental research of its major dimensional movement indexes and anisothropies, according to the DIN 52 184 regulation. Six trees for each species were collected at Chiapas state; from the normal diameter part of each tree, 24 25 x 25 x10 mm test specimens were made, which were moisture saturated and were conditioned sequentially in climate of air relative humidity of 65, 85, 35 and 0 % and water inmersion up to saturation in order to calculate several indexes. Results show radial swelling = 3.3 and 3.0 % and tangential = 6.2 and 6.9 %; radial differential swelling = 0.14 and 0.15 %/% and tangential = 0.24 y 0.29 %/ % normal radial shrinkage by drying = 1.3 y 0.88 % and tangential = 2.5 and 1.8 %; anisothropy of the differential swelling = 1.7 and 2.0, and anisothropy of the shrinkage by drying = 2.0 and 2.2. Based upon the latter, it is inferred that a stable behaviour might be had on the fase of changes in its moisture content, from the green condition to the dry one (MC≈12 %). Manufacturing with dry wood of thses species will show very good dimensional stability in the use of environments of air relative humidity of 65 to 85 % or 65 to 35 %. Except for the normal shrinkage from drying (greater in Primavera wood), the dimensional movement of both was similar in spite of the difference in density.

INTRODUCCIÓN

La madera por su carácter higroscópico siempre está expuesta a cambios en su contenido de humedad (CH) y por consiguiente también a modificación de sus dimensiones lineales, es decir, si su CH cambia, estas pueden incrementarse o disminuir, por lo que se habla del hinchamiento o contracción de la madera, según sea el ambiente en el que esté (Forest Products Management Development Institute, 1998).

Aunado a este fenómeno, y por tratarse de un material anisotrópico, el movimiento dimensional de la madera es distinto en cada uno de sus ejes principales. Ante un cambio de un determinado contenido de humedad, ocurre otro en la dirección radial 10 veces mayor y en la tangencial, 20 sobre la dirección longitudinal (Suchsland, 2004).

Por lo anterior, la combinación del cambio dimensional y el carácter anisotrópico de la madera pueden generar modificaciones en la forma (distorsiones) en piezas o manufacturas, las cuales van desde muy leves a drásticos y se considera, entonces, que la madera es estable o muy inestable.

El conocimiento del movimiento dimensional de este material es fundamental para definir su potencial de uso, principalmente si se trata de manufacturas que puedan estar expuestas a cambios importantes de humedad relativa del aire (HRA); en función de la región, la variación de la humedad relativa del aire pudiera ser de 35 a 85 %, lo que en términos de contenido de humedad corresponde aproximadamente de 7 a 18 %.

En el uso práctico de la madera existen siempre cuestionamientos acerca del movimiento dimensional, como por ejemplo, ¿a qué cambios dimensionales estará expuesta una manufactura de madera? ¿Podrán ocurrir distorsiones graves de la manufactura de madera por alteraciones en la humedad? ¿Qué tolerancias dimensionales deben ser consideradas al instalar pisos, lambrines, puertas, ventanas u otras estructuras para evitar o reducir los problemas por cambio dimensional? Estas son algunas de las preguntas que surgen frecuentemente y la respuesta a cada una de ellas se ubica en el conocimiento del perfil de la estabilidad dimensional de la madera.

El término estabilidad dimensional de la madera es de orden cualitativo, y es usado para dar una calificación a su movimiento cuando estando en servicio es expuesta a cambios cíclicos de la humedad relativa del aire, por lo que es dependiente de los índices de hinchamiento y contracción, anisotropías de la contracción total o del hinchamiento diferencial, la velocidad de absorción y desorción de humedad (permeabilidad) y también de la dirección de la fibra (Silva et ai, 2010).

Para determinar el movimiento dimensional, se aplican normas como la ASTM D 143-94 (ASTM, 2007), ISO 4469 (ISO, 1981) o la DIN 52 184 (DIN, 2000). Las dos primeras coinciden en la determinación exclusiva de la contracción radial y tangencial así como volumétrica. Por su parte, la norma DIN establece diez diferentes parámetros por determinar, con los cuales es posible tener una visión más amplia de dicho movimiento.

El hinchamiento diferencial representa el cambio porcentual que ocurre en la madera por cada 1 % de modificación en su contenido de humedad, dentro del intervalo de humedad relativa del aire del 35 al 85 %, donde se ubican la mayoría de los usos prácticos de la madera, lo que por consecuencia hace que este índice tenga una gran relevancia; y puede utilizarse para calcular el cambio dimensional (tolerancias) en manufacturas como pisos, puertas, ensambles, etc., ya sea que se trate de incrementos de contenido de humedad (hinchamiento) como de decrementos (contracción).

Por su parte, la contracción normal por secado (β_N) representa el cambio dimensional de la madera de un estado de contenido de humedad igual o mayor al 30 % a un contenido de humedad final de 12 %. Su utilidad práctica estriba en que permite determinar el cambio dimensional porcentual que ocurre en la madera (espesor o ancho de las tablas) por efecto del proceso de secado, con lo cual se estima la sobredimensión (refuerzo) para asegurar las dimensiones comerciales de las piezas de madera a causa de su contracción.

La anisotropía es un término convencional que resulta del cociente del movimiento tangencial y radial de la madera (T/R); puede ser calculado por medio de cualquiera de los diversos índices de hinchamiento y contracción, y su valor suele fluctuar entre 1.5 a 2.5, e incluso en casos extremos hasta 3. La importancia de este cociente es que hace posible visualizar, de manera teórica, la estabilidad dimensional de las maderas; de forma general se establece que a mayor valor de la anisotropía, aumenta el riesgo de distorsiones o agrietamientos o de manufacturas por cambio en su contenido de humedad. Para calificar la estabilidad dimensional de la madera, Silva et al. (2010) establecieron cuatro niveles cualitativos: muy buena (< 1.7), buena (1.7 a 2.1), regular (>2.1 a 2.5) y mala (>2.5).

Las maderas de Primavera (Roseodendron donnell-smithii Rose) y Rosa morada (Tabebuia rosea Bertol) tradicionalmente han sido empleadas en la industria forestal, por su atractivo visual, y de manera empírica para la fabricación de muebles, puertas, ventanas, lambrines, chapas, gabinetes, molduras, instrumentos musicales y artículos decorativos (Francis, 1989; Escobar et al., 1993). Sin embargo, solo existen trabajos aislados acerca de algunas de sus propiedades tecnológicas y uno de ellos es el estudio de su movimiento dimensional como parte de un proyecto más amplio de investigación.

El objetivo del presente trabajo fue indagar el perfil de estabilidad dimensional con lo cual, los usuarios profesionales de estas especies de madera puedan determinar su potencialidad de uso en ambientes de cambios climáticos extremos, e incluso, desde su proceso de secado visualicen su posible comportamiento y riesgos de distorsiones. Además, puedan calcular tolerancias en las dimensiones de manufacturas y los refuerzos correspondientes para el aserrío de las mismas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Las maderas de Primavera y Rosa morada fueron recolectadas en el estado de Chiapas. De cada especie se obtuvieron 6 trozas con diámetros promedio mayores a 50 cm y que fueron tomados de los primeros 2.4 m de altura del fuste de cada árbol.

Cada una de las trozas fue aserrada de acuerdo al diagrama de la Figura 1a; resultaron tablones de 3 pulgadas de espesor orientadas radialmente, las cuales corresponden a las numeraciones de 1, 2, 3 y 4; cada una de ellos fue seccionado en tres tramos de 90, 75 y 75 cm, respectivamente, indicadas como "A", "B" y "C" en la Figura 1b. El extremo de la sección A se refiere al diámetro normal (DN), a partir del cual se procedió a elaborar los especímenes de prueba para determinar la estabilidad dimensional de las maderas.

Con cada una de las zonas (I, M, X) se elaboraron 2 especímenes de prueba de 25 x 25 x 10 mm libres de defectos y cuyos anillos de crecimiento estaban perfectamente orientados con base en las especificaciones de la norma DIN 52 184 (DIN, 2000). Por lo anterior, se manufacturaron 24 especímenes por árbol, lo que dio un total de 144 especímenes de madera por especie. Para el caso de esta investigación se determinaron los siguientes índices: de hinchamiento máximo (α_máx), de hinchamiento diferencial (q), de contracción normal por secado (β_N) y sus anisotropías: de hinchamiento máximo (Aα_máx), de hinchamiento diferencial (A_q) y de la contracción normal por secado (Aβ_N) que son los de mayor importancia práctica en el uso de la madera. El procedimiento experimental para calcular el movimiento dimensional de las maderas se muestra en la Figura 2. Inicialmente se registraron las dimensiones radial, tangencial y longitudinal de los especímenes de prueba, así como su respectivo peso en estado verde; a continuación se acondicionaron secuencialmente hasta alcanzar un peso constante en climas de humedades relativas del aire de 65, 85, 35 y 0 % e inmersión en agua hasta alcanzar un CH > 30 %. En cada una de esas etapas, una vez alcanzado su contenido de humedad en equilibrio, se registraron también sus dimensiones.

Al final del proceso se obtuvieron los datos requeridos para calcular la densidad y los índices de hinchamiento máximo (α_máx), hinchamiento diferencial (q), contracción normal por secado (β_N) y sus anisotropías (A): anisotropía del hinchamiento máximo (Aα_máx), anisotropía del hinchamiento diferencial (A_q) y anisotropía de la contracción normal por secado (Aβ_N) que son los de mayor importancia práctica en el uso de la madera, y con lo cual finalmente es posible dictaminar acerca de su perfil de estabilidad dimensional y de su potencial uso en ambientes de cambios importantes de humedad relativa del aire.

Las expresiones utilizadas para calcular los índices previamente mencionados fueron las siguientes:

Hinchamiento máximo:

Donde

L_i= Radial or tangential dimension after immersion (CH≥ 30 %) (mm)

L₀ = Radial or tangential dimension in anhydrous state (mm)

Hinchamiento a un contenido de humedad deseado:

Donde:

α_x =Hinchamiento a un contenido de humedad deseado (%)

α_máx = Hinchamiento máximo de la madera (%)

x = Contenido de humedad predeterminado (%)

PSF = Punto de saturación de la fibra. Puede usarse el valor de 30 %

 

Hinchamiento diferencial:

Donde:

L_h = Dimensión radial o tangencial al acondicionarse a un clima húmedo de 85 % HRA (mm)

L_s = Dimensión radial o tangencial al acondicionarse a un clima seco de 35 % HRA (mm)

L₀ = Dimensión radial o tangencial en estado anhidro (mm)

CH_h = Contenido de humedad de equilibrio a 85 % HRA (%)

CH_s = Contenido de humedad de equilibro a 35 % HRA (%)

El cambio dimensional (Δl) de una pieza de madera (manufactura) puede ser calculado mediante el hinchamiento diferencial (q), para el intervalo de contenido de humedad de 7 % a 18 % con la siguiente expresión:

Cambio dimensional:

l = dirección radial o tangencial (mm)

CH₁ = Contenido de humedad inicial (%)

CH₂ = Contenido de humedad final (%)

q = Hinchamiento diferencial (%/%)

Contracción normal por secado:

Donde:

]]> L_w = Dimensión radial o tangencial inicial (CH>30%) (mm)

L_N = Dimensión radial o tangencial al acondicionarse a 65 % HR (mm)

Al utilizar el valor de la contracción normal por secado es posible determinar la disminución dimensional del espesor o el ancho de las tablas por efecto del secado, con lo cual es factible sobredimensionar la madera aserrada, para que después del secado mantenga sus dimensiones nominales comerciales:

Cálculo de ancho o espesor:

Donde:

L₁₂ = Ancho o espesor de la pieza de madera a un CH = 12 % (cm)

L_i = Ancho o espesor de la pieza de madera a un CH ≥ 30 % (cm)

β_N = Contracción normal por secado (radial o tangencial, según el caso, incluso promedio de ambas, si se trata de una pieza con orientación intermedia) (%)

Anisotropía del hinchamiento máximo:

Donde:

α_{máx, t}= Hinchamiento máximo tangencial (%)

α_{máx, r} = Hinchamiento máximo radial (%)

Anisotropía del hinchamiento diferencial:

Donde:

q_t = Hinchamiento diferencial tangencial (%/%)

]]> q_r= Hinchamiento diferencial radial (%/%)

Anisotropía de la contracción normal por secado:

Donde:

β_Nt = Contracción normal por secado tangencial (%)

β_Nr= Contracción normal por secado radial (%)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Densidad

La densidad promedio de las maderas a un contenido de humedad de 12 % fue de 0.476 g cm^-3 con un coeficiente de variación de 10.6 % para la Primavera y de 0.596 g cm^-3 para Rosa morada con un coeficiente de variación de 7.1 %, cifras que las clasifican como de baja y media densidad de acuerdo a los criterios propuestos por el Oxford Forestry Institute en la base de datos Prospect ver. 2.1 (1997).

Índice de hinchamiento y contracción

En el Cuadro 1 se ordenan los índices de hinchamiento máximo (α_máx), hinchamiento volumétrico (α_vol), hinchamiento diferencial (q) y contracción normal por secado (β_N). El hinchamiento máximo tanto de la madera de Primavera como de Rosa morada se ubica en una clasificación de pequeño con base en la escala sugerida en Prospect ver. 2.1 (1997); por consiguiente también su hinchamiento volumétrico es bajo. En comparación con otras maderas comerciales como la de Alnus jorullensis Humboldt, Bonpland & Kunth, Calophyllum brasiliense Calambess, Pinus douglasiana Martínez consignadas por Silva et al. (2010), resultó menor en 2, 1.8 y 3.6 unidades porcentuales, respectivamente. Francis (1983) refiere valores de contracción total (equivalentes a hinchamiento máximo) para madera de Primavera de 3.1 % radial y 5.2 % tangencial. Para la madera de Rosa morada, Escobar (1993) registró valores de 4.6 % radial y 6.9 % tangencial. Si bien el hinchamiento máximo fue poco evidente, fue superior al consignado por Blanco et al (2014) de 2.4 % radial y 4.2 % tangencial para madera de teca (Tectona grandis), la cual es reconocida por su bajo movimiento dimensional, lo que permite visualizar que las maderas de Primavera y Rosa morada no alcanzan ese nivel de distinción.

A pesar de la importancia práctica de conocer el hinchamiento diferencial de la madera, para efecto de cálculos de cambio dimensional de manufacturas y determinación de tolerancias, existen pocos trabajos que describan esta propiedad, esto pudiera atribuirse, quizás, a que la mayoría de las determinaciones de cambio dimensional de la madera son realizadas con la norma ASTM D 143-94 (ASTM, 2007) o ISO 4469 (ISO, 1981). Los valores investigados para las maderas de Primavera y Rosa morada (Cuadro 1) pueden ubicarse en un punto medio con respecto a los registrados por Cuevas (1988) para 23 especies de madera con densidades de muy ligeras a muy pesadas, donde los valores mínimos y máximos fueron del intervalo de 0.08 a 0.23 (%/%) y de 0.13 a 0.48 (%/%) para el radial y tangencial, respectivamente. En comparación con el hinchamiento diferencial de la madera de caoba (Swietenia macrophylla King) obtenidos por Torelli y Gorisek (1995) correspondiente a 0.16 radial y 0. 26 tangencial (%/%), el de las maderas de Primavera y Rosa morada tienen cierta similitud, lo que permite predecir un comportamiento estable de manufacturas ante cambios de humedad relativa del aire entre 35 y 85 %. Obviamente también deben ser considerados los factores de dirección de fibra y velocidad de absorción de humedad.

La contracción normal por secado para las maderas Primavera y Rosa morada resultó ser muy pequeña de acuerdo a las categorías indicadas en el Prospect ver. 2.1 (1997), principalmente la de la segunda. Los valores correspondientes a la madera de Primavera se muestran muy similares a los de la madera de teca de 1.2 % radial y 2.3 % tangencial (Blanco et al, 2014), así como ligeramente mayores con respecto a los de la madera de caoba de 1.2 % radial y 2.1 % tangencial. La madera de Rosa morada tuvo valores ligeramente inferiores a los de la caoba y la teca.

El muy bajo movimiento dimensional de ambas maderas al reducir su contenido de humedad del estado verde a 12 %, aunado a bajos valores de anisotropía (T/R = 1.7, 2.0), reduce el riesgo de distorsiones durante el proceso de secado, lo cual es un indicador de buena estabilidad dimensional de las maderas.

Anisotropías y estabilidad dimensional

El Cuadro 2 reúne los valores de las anisotropías de las maderas de Primavera y Rosa morada determinadas a partir del hinchamiento máximo, hinchamiento diferencial y contracción normal por secado. Los de anisotropía de 1.7 a 2.1 corresponden a maderas consideradas como de buena estabilidad dimensional (Silva et al, 2010). Con base en dichas cifras, ambas maderas presentarán buena estabilidad dimensional frente a cambios de ese orden al pasar de un estado seco al de saturación, o viceversa; buena estabilidad dimensional de manufacturas de estas maderas ante cambios de su contenido de humedad de 7 % a 18 %, y buena estabilidad dimensional durante el proceso de secado a que sean sometidas.

Variación del movimiento dimensional

La variación del movimiento dimensional a lo largo del radio (zonas I, M, X) de las maderas de Primavera y Rosa morada, no mostró un patrón tan definido como lo aseveran Peng et al. (2012) para para jackpine (Pinus barksiana Lamb.), en el cual el movimiento dimensional tiende a incrementarse notoriamente de la médula a la corteza, lo que Kretschmann y Kramer (2007) atribuyen a efectos multifactoriales como el ángulo de las microfibrils, la densidad, proporción y propiedades de la madera tardía y la composición química, entre otras razones.

Para la madera de Primavera, el incremento de la zona interna (I) a la zona externa (X) resultó significativo solo para el hinchamiento máximo radial (P = 0.033) y para el hinchamiento diferencial radial (P = 0.001) como se muestra en los gráficos de medias y sus intervalos de la Figura 4. No se observó incremento estadísticamente significativo para la dirección tangencial (P = 0.400, P = 0.262) ni tampoco para la contracción normal por secado (P = 0.214).

Respecto a la madera de Rosa morada solo se verificó aumento significativo de la zona interna (I) a la externa (X) en el hinchamiento máximo radial (P = 0.003) y en el hinchamiento diferencial (P < 0.05) como se muestra en los gráficos de medias y sus intervalos de la Figura 5. La variación de la contracción normal por secado no fue estadísticamente significativa (P = 0.634, P = 0.466).

CONCLUSIONES

Las maderas de Primavera y Rosa morada resultaron con movimiento dimensional pequeño y muy pequeño con base a su hinchamiento máximo y contracción normal por secado, respectivamente.

Los valores de anisotropía de ambas maderas permiten considerarlas de buena estabilidad dimensional frente a movimientos dimensionales que puedan ocurrir durante el proceso de secado o en el uso práctico de sus manufacturas.

El hinchamiento máximo radial y el hinchamiento diferencial radial se incrementaron a lo largo del radio (médula a corteza) en la madera de Primavera. Para la madera de Rosa morada, el aumento se observó en el hinchamiento máximo radial e hinchamiento diferencial radial y tangencial.

AGRADECIMIENTO

A la International Tropical Timber Organization por el apoyo del proyecto ITTO PD385/05 Rev. 4 (I, F), Industrialización, Comercialización y Manejo Sostenible de Diez Especies Nativas Mexicanas.

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