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INTRODUCCIÓN
La combinación de las sales de boro, trihidróxido de boro (ácido bórico) y tetraborato de sodio (borato de sodio), es un agente protector para la madera con un amplio espectro en su acción fungicida e insecticida y de poca toxicidad para los mamíferos (Lloyd, Fogel & Vizel, 2001). Su aplicación es óptima en elementos de madera sin contacto con el suelo (Grace, Byrne, Morris & Tsunoda, 2006; Tsunoda, Byrne, Morris & Grace, 2006), y la solubilidad de los compuestos de boro le permite preservar especies de madera que son difíciles de tratar con preservantes a base de cobre y zinc (Obanda, Shupe & Barnes, 2008). Además, sus propiedades de difusión al interior del plano leñoso le facilitan su distribución uniforme cuando la madera contiene un alto contenido de humedad. De tal forma que por ser también inodoras, incoloras e incombustibles, la aplicación de boro en la madera es, actualmente, una de las estrategias más efectivas de preservación (Tondi et al., 2012).
Al interior de la madera, la presencia de agua es el principal factor responsable de la migración del boro. Así, una vez en servicio, las sales de boro se disuelven en contacto con el agua, proceso llamado lixiviado. Con el objeto de impedir la movilidad del preservante por el efecto del lixiviado, se han propuesto tratamientos térmicos para reducir su higroscopicidad, procesos de densificando de la madera para reducir los espacios vacíos en el tejido leñoso, así como técnicas de impregnación con vapor (Baysal & Yalinkilic, 2005; Caldeira, 2010). Por su parte, Obanda et al. (2008) recopilan estrategias propuestas recientemente para reducir la solubilidad de las sales de boro cuando son empleadas como preservadores en productos de madera. Otras estrategias para mejorar el proceso de preservación en la madera con sales de boro pueden ser consultadas en Salman et al. (2014) y Obounou-Akong, Gérardin, Thévenon & Gérardin-Charbonnier (2015).
Respecto a la aplicación de sales de boro como protector de la madera, Berrocal, Muñoz & González (2004) consiguen en probetas de Gmelina arborea, con dimensiones de 0.05 m × 0.025 m × 0.5 m, retenciones de 0.32 kg/m3 a 1.28 kg/m3, con un método de inmersión-difusión y una concentración de sales de boro de 12%. Dhamodaran & Gnanaharan (2007), aplicando sales de boro y empleando un método de presión con una concentración de 6% en piezas de madera de Eucalyptus grandis, obtienen una retención de 3.70 kg/m3 a 11.60 kg/m3. Simsek, Baysal & Peker (2010), empleando probetas de 0.02 m × 0.02 m × 0.36 m, con un proceso al vacío y siguiendo las recomendaciones de la norma ASTM D 1413-76, con concentraciones de sales de boro de 0.25% a 3%, reportan retenciones de 17.42 kg/m3 para madera de Fagus orientalis y de 15.98 kg/m3 para la de Pinus sylvestris. Tondi et al. (2012), impregnando probetas de 0.025 m × 0.015 m × 0.05 m, utilizando un proceso de preservación específicamente diseñado y una concentración de sales de boro de 6%, encuentran retenciones de 2.88 kg/m3 a 9.16 kg/m3 para madera de Fagus sylvatica y de 3.25 kg/m3 a 9.57 kg/m3 para la de Pinus sylvestris. Salman et al. (2014), usando probetas de 0.015 m × 0.005 m x 0. 050 m, aplicando un proceso de preservación con temperatura de 103 °C, durante 48 h, con un tiempo de inmersión de 30 min y una concentración de sales de boro de 4%, logran una retención de 4.2 kg/m3 para madera de Pinus sylvestris y de 5.7 kg/m3 para la de Fagus sylvatica.
Cada investigación referida emplea especies de madera, concentraciones de sales de boro y métodos de aplicación diferentes, de tal forma que los resultados son difíciles de comparar. Estos autores han verificado la capacidad de retención de sales de boro en maderas con muy distintas estructuras anatómicas y con condiciones diversas de tiempo, presión y temperatura.
Trabajos sobre la aptitud para la preservación de maderas mexicanas (Ávila-Calderón, Herrera-Ferreyra & Raya-González, 2012; Cruz-De León, 2010) recomiendan clasificaciones de acuerdo con la facilidad o la dificultad de la madera para su preservado, algunas de ellas basadas en trabajos relevantes en su momento (Echenique-Manrique, 1970; Echenique-Manrique & Plumptre, 1994; Erdoiza-Sordo & Echenique-Manrique, 1980), pero que, dado el desarrollo actual de productos para la protección de la madera, se pueden considerar desactualizados.
Existe un importante potencial de especies mexicanas maderables y una demanda de productos de madera preservada que se puede emplear como material de ingeniería (Ávila-Calderón et al., 2012). No obstante, en la bibliografía mexicana es difícil encontrar parámetros derivados de investigación que orienten a la industria de la factibilidad de una especie en particular para ser protegida con algún agente preservante y, en especial, con sales de boro.
La porosidad de la madera es un indicador de los espacios vacíos intercelulares, donde pueden alojarse sustancias preservantes como las sales de boro (Fuentes-Salinas, 2000). Respecto a la porosidad de maderas mexicanas, Sotomayor-Castellanos & Ramírez-Pérez (2013) relacionan y clasifican valores del parámetro de porcentaje de espacios vacíos para 134 especies nacionales. El porcentaje de espacios vacíos representa la magnitud de la porosidad de la madera de acuerdo con los trabajos de Plötze & Niemz (2011), Tondi et al. (2012), Zauer, Pfriem & Wagenführ (2013) y Zauer, Hempel, Pfriem, Mechtcherine & Wagenführ (2014).
La presente investigación tuvo por objetivo determinar la absorción y la retención de sales de boro y buscar una relación con la densidad de las maderas mexicanas Tilia mexicana Schltdl., Cupressus lindley Klotzsch ex Endl., Alnus acuminata Kunth., Cedrela odorata L., Fraxinus uhdei (Wenz.) Lingelsh., Lysiloma bahamensis Benth., Fagus mexicana Martínez., Caesalpinia granadillo Pittier., Platymiscium dimorphandrum (J.D.Smith) Donn. Sm. y Quercus spp.
Por ello, se propone como hipótesis de trabajo que la capacidad de retención de sales de boro de la madera depende, principalmente, de la especie, y es independiente de su densidad y de su porosidad.
MATERIALES Y MÉTODOS
Se recolectó madera aserrada, en condición verde, de diez especies nativas de México (Tabla 1). La madera se almacenó durante 24 meses en una cámara de acondicionamiento con una temperatura de 20 °C (± 1 °C) y una humedad relativa del aire de 65% (± 2%), hasta que la madera presentó un peso constante. Para cada una de las especies se prepararon lotes de 35 probetas con dimensiones de 0.02 m × 0.02 m × 0.06 m, respectivamente, en las direcciones radial, tangencial y longitudinal del plano leñoso (Figura 1). La madera estuvo libre de anomalías estructurales y defectos de crecimiento.
Tabla 1 Contenido de humedad, densidad, absorción y retención de sales de boro de diez maderas tropicales.
CH = Contenido de humedad; ρ = Densidad; A = Absorción; R = Retención; x = Media aritmética; σ = Desviación estándar; CV = Coeficiente de variación en por ciento.
Fuente: Elaboración propia.
Se prepararon 30 l de solución de sales de boro con una concentración al 3%. La solución consistió en ácido bórico (39.4%) y borato de sodio (60.6%), de acuerdo con la norma NMX-C-410-ONNCCE-1999 (Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación [ONNCCE], 1999).
Las probetas se impregnaron con el método baño caliente-frío (Ávila-Calderón et al. 2012). La madera se sumergió durante 8 h en un baño de agua con temperatura de 60 ºC y presión atmosférica. Posteriormente, las probetas se sumergieron durante 16 h en un baño frío, con la solución de sales de boro y temperatura de 23 °C y presión atmosférica.
Los pesos y dimensiones de las probetas, antes y después del tratamiento, fueron medidos. Posteriormente, se determinaron la absorción y la retención de las sales en cada probeta.
La absorción se determinó con la fórmula (Ávila-Calderón et al. 2012):
Donde:
A = Absorción (kg/m3)
P1 = Peso inicial de la probeta antes del tratamiento (kg)
P2 = Peso final de la probeta después del tratamiento (kg)
V = Volumen de la probeta después de tratamiento (m3)
La retención se determinó con la relación (Simsek et al., 2010):
Donde:
R = Retención (kg/m3)
A = Absorción neta (kg/m3)
C = Concentración de la sustancia preservante (%)
La densidad y el contenido de humedad de la madera fueron determinados con grupos de cinco probetas complementarias de cada especie con características similares y provenientes del mismo lote de probetas que se impregnaron.
La densidad de la madera fue calculada con la fórmula (Bodig & Jayne, 1982):
Donde:
ρ = Densidad (kg/m3)
P = Peso de la probeta en estado seco (kg)
V = Volumen de la probeta en estado saturado (m3)
El contenido de humedad de la madera fue determinado con la fórmula (Bodig & Jayne, 1982):
Donde:
CH = Contenido de humedad (%)
P3 = Peso de la probeta sin tratamiento (kg)
P4 = Peso de la probeta en estado seco (kg)
Posteriormente, se estimó la porosidad de la madera, empleando la fórmula (Tondi et al. 2012):
Donde:
φ = Porosidad de la madera (%)
ρ = Densidad (kg/m3)
ρm = Densidad de la pared celular de la madera (kg/m3)
El valor de la densidad de la pared celular de la madera fue de 1540 kg/m3, de acuerdo con Fengel & Wegener (1984).
Diseño experimental
Se realizaron análisis de varianza para comparar las medias de la densidad, la absorción y la retención de las diez especies de madera estudiadas. El contenido de humedad de la madera, la concentración de la solución de sales de boro y los tiempos de inmersión fueron parámetros constantes. Se aceptó que los valores de densidad, de absorción y de retención de las diez especies de madera estuvieran distribuidas normalmente con la misma varianza σ2. La hipótesis de investigación fue que las diez medias de la densidad, la absorción y la retención son iguales. El nivel de significancia α escogido para los análisis de varianza fue de 5%.
Suponiendo una distribución normal con media cero (x̅ = 0) y varianza constante (σ2) e independientes entre sí, para cada prueba de diferencia de medias se verificó la hipótesis nula H0: x̅ 1−x̅2 =0, y se contrastó con la hipótesis alterna HA: x̅ 1- x̅ 2 ≠ 0. Los subíndices 1 y 2 representan cada especie. El método empleado para discriminar entre las medias fue una prueba de Fisher con una diferencia mínima significativa de 95%.
RESULTADOS
Los resultados se muestran en la Tabla 1. Las especies están tabuladas de acuerdo con el valor ascendente de su densidad. El contenido de humedad de las probetas es el calculado antes del tratamiento.
DISCUSIÓN
Los valores promedio de retención de sales de boro para todas las especies, presentados en la Tabla 1, fueron mayores que el límite inferior tóxico de retención reportado en trabajos anteriores. De acuerdo con Freitag & Morrell (2005), el umbral mínimo de retención de sales de boro, necesario para proteger a la madera de las pudriciones ocasionadas por hongos o moho, está comprendido en el intervalo de retención que va de 0.2 kg/m3 a 4.7 kg/m3. Por su parte, Kartal (2006) propone una retención mínima de 1 kg/m3 para protección de la madera en condiciones de servicio al exterior. La American Wood-Preservers’ Association (AWPA, 2014) recomienda una retención mínima de sales de boro de 2.72 kg/m3 en la madera para elementos estructurales empleados en interiores.
Cuantitativamente, los resultados de retención son comparables con los reportados por Alfaro-Pérez (2013). Aplicando un proceso de preservado por inmersión, el autor presenta valores de retención de sales de boro para nueve especies de madera tropicales: Hymenaea courbaril 23.2 kg/m3, Terminalia amazonia 12.9 kg/m3, Hieronyma alchorneoides 8.1 kg/m3, Cedrela odorata 5.7 kg/m3, Tectona grandis 9.1 kg/m3, Cupressus lusitánica 14.9 kg/m3, Enterolobium cyclocarpum 7.0 kg/m3, Calophyllum brasiliense 15.0 kg/m3 y Gmelina arbórea 8.7 kg/m3. A manera de comparación, los valores para C. odorata presentados por Alfaro-Pérez (2013) pueden considerarse iguales a los resultados de esta investigación.
La madera tuvo un contenido de humedad inicial promedio de 11%, en un intervalo que va desde 9.5% hasta 12.7%, y con un coeficiente de variación de 3.5%. La madera se acondicionó a un estado de humedad seco y homogéneo entre especies, de tal forma que la variación en el contenido de humedad inicial de la madera no intervino de manera significativa en los resultados.
La densidad de las especies resultó con un intervalo que va desde 442 kg/m3 hasta 957 kg/m3, lo que permitió observar un amplio rango de esta variable. Una prueba de diferencia mínima significativa de Fisher, posterior al análisis de varianza, demostró que, con excepción de los pares de especies F. uhdei - L. bahamensis y P. dimorphandrum - Quercus spp., todas las demás especies muestran diferencias estadísticamente significativas entre sí, con un nivel del 95% de confianza.
Sotomayor-Castellanos & Ramírez-Pérez (2013) reportan que los porcentajes de pared celular y de espacios vacíos se relacionan proporcionalmente con la densidad de la madera. Así, a mayor densidad, mayor porcentaje de pared celular y menor porcentaje de espacios vacios; es decir, la higroscopicidad de la madera es inversamente proporcional a su densidad. Sin embargo, en este estudio no se observó una relación entre la densidad y la absorción de sales de boro (Figura 2).
Fuente: Elaboración propia.
Figura 2 Distribución de la absorción (A) en función de la densidad (ρ).
En el mismo contexto, la densidad se relaciona estructuralmente con la porosidad de la madera (Plötze & Niemz, 2011), de tal forma que la absorción de sales de boro correspondería estadísticamente con su porosidad. Una estimación de la porosidad de las maderas estudiadas, empleando la ecuación (5), da como resultado una amplia dispersión de la absorción de sales de boro (A) en función de la porosidad (φ) de la madera (Figura 3). El cálculo de su correlación: A = 3.65 φ + 103, con un coeficiente de determinación (R2) de 0.15, sugiere que no existe una relación entre la porosidad de la madera y la absorción de sales de boro. La magnitud de las porosidades estimadas son similares a las propuestas por Zauer et al. (2013) para madera de Picea abies (L.) Karst. entre 67.3% y 71.4%, de Acer pseudoplatanus L. entre 63.1% y 65.8% y para Fraxinus excelsior L. entre 50.4% y 52.2%. De aquí se puede deducir que la capacidad de absorción de las maderas estudiadas depende más de la especie que de su densidad o de su porosidad; y de acuerdo con Zauer et al. (2013 y 2014), la determinación de la absorción de una madera depende igualmente del método de medición y del estado tecnológico de la muestra estudiada.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 3 Dispersión de la absorción de sales de boro (A) en función de la porosidad (φ) de la madera y su línea de correlación: A = 3.65 φ + 103, con un coeficiente de determinación (R2) de 0.15.
La Figura 4 presenta la porosidad (φ) en función de la densidad (ρ) y sus correlaciones para datos de Plötze & Niemz (2011) y de esta investigación. En los dos casos, la porosidad disminuye proporcionalmente cuando la densidad de la madera aumenta. En el caso de los datos de Plötze & Niemz (2011), el coeficiente de determinación es muy alto. Sin embargo, para los datos de esta investigación, el coeficiente R2 es igual a la unidad, puesto que los datos son derivados con la ecuación (5), en la cual la densidad está implícita en ella y la densidad de la pared celular se mantiene constante. Sin embargo, de la lectura de las Figuras 3 y 4 se deduce que la porosidad no tiene relación con la absorción.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 4 Porosidad (φ) en función de la densidad (ρ) y sus correlaciones para datos de Plötze & Niemz (2011) y de esta investigación.
Efectivamente, de acuerdo con Plötze & Niemz (2011) y Zauer et al. (2013 y 2014), la retención de una madera depende, en gran medida, de su estructura anatómica. El tipo de porosidad y la proporción de tejidos que conforman una capa de crecimiento son factores propios del plano leñoso particular a cada madera, los cuales determinan su capacidad para absorber sales de boro y, en consecuencia, su retención.
Los resultados de la Tabla 1, mostrados explícitamente en la Figura 5, muestran que el ordenamiento de los valores y la retención de cada especie no coinciden con el de la densidad de la madera. Para fines de comparación, los valores de cada especie se presentan ordenados de acuerdo con su densidad (Figura 5) y a su retención (Figura 6). La contrastación de las ordenaciones permite comparar las especies en relación con su densidad y su retención.
Respecto a la variación de la retención de sales de boro entre las diferentes especies estudiadas, el análisis de varianza (Tabla 2) aportó un valor P menor que 0.05. En consecuencia, se encontró que existe una diferencia significativa entre algunas medias de las diez variables; en este caso, la retención de sales de boro en cada especie. La cantidad de solución preservante que absorbió la madera fue diferente para cada especie.
Tabla 2 Resultados del análisis de varianza y de comparación de rangos múltiple de la retención.
GL = Grados de libertad; R = Retención; * No existen diferencias estadísticamente significativas entre aquellas especies que compartan una misma columna de X’s.
Fuente: Elaboración propia.
La Tabla 2 presenta igualmente los resultados de la prueba de comparación de rangos múltiple, realizada posteriormente al análisis de varianza, y empleada para determinar cuáles medias son significativamente diferentes de otras. En la Tabla 2 se identificaron siete grupos homogéneos según la alineación de las X’s en las columnas. Este arreglo significa que no existen diferencias significativas entre aquellas especies que comparten una misma columna de X’s. En este caso, para los pares: L. bahamensis-C. odorata, C. granadillo-C. lindley y F. uhdei-F. mexicana. Este resultado de apareamiento de especies respecto a su capacidad de retención no coincide con el de la densidad.
CONCLUSIÓN
La investigación determinó la densidad, la absorción y la retención de sales de boro de diez especies de maderas mexicanas. La especie se consideró el factor de variabilidad, y así se pudieron comparar los resultados entre los datos derivados de cada una de ellas.
Los resultados sugieren que la capacidad de retención de sales de boro de la madera depende, principalmente, de la especie, y no está relacionada con su densidad. Probablemente, el acomodo y constitución de los elementos anatómicos de la madera, por ejemplo el espesor de la pared celular y la proporción de tejidos que conforman una capa de crecimiento, influyen en la facilidad para el preservado.
Los valores promedio de retención de sales de boro para todas las especies fueron mayores que el límite inferior tóxico de retención, reportados en trabajos anteriores. Cuantitativamente, los resultados son comparables con los reportados en la bibliografía.
