Publicacin sobre Investigacin, Desarrollo Tecnolgico, e Innovacin, del Instituto Tecnolgico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines

INFORMAN 73 CUARTO TRIMESTRE 2014

Primera unin universal paraconstrucciones en madera

El sector del mueble se est fortaleciendo de nuevo Control de contaminacin para reciclar envases con sustancias peligrosas Gestin de la innovacin y mejora de los procesos de produccin: BIVEE Herramientas avanzadas para el diagnstico de la salud del arbolado La madera frente al fuego, determinacin de su estado tras un siniestro El Laboratorio de Embalaje y Transporte de AIDIMA ampla sus acreditaciones Nueva Ley de Prevencin, Calidad y Control Ambiental de Actividades FUNES definir las nuevas competencias de los trabajadores del sector Medalla a ttulo pstumo al Mrito del Comercio a Vctor Grafi Miravalls

El sector del mueble se est fortaleciendo de nuevo Control de contaminacin para reciclar envases con sustancias peligrosas Gestin de la innovacin y mejora de los procesos de produccin: BIVEE Herramientas avanzadas para el diagnstico de la salud del arbolado La madera frente al fuego, determinacin de su estado tras un siniestro El Laboratorio de Embalaje y Transporte de AIDIMA ampla sus acreditaciones Nueva Ley de Prevencin, Calidad y Control Ambiental de Actividades FUNES definir las nuevas competencias de los trabajadores del sector Medalla a ttulo pstumo al Mrito del Comercio a Vctor Grafi Miravalls

CELLUWOOD desarrolla vigas ecolgicas con prestaciones mecnicas y dimensionales muy superiores a las actuales

En el marco del proyecto europeo CELLUWOOD, el Instituto Tecnolgico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines, AIDIMA, ha desarrollado vigas de madera encolada mediante adhesivos no petroqumicos. Estos productos tienen unas prestaciones en cuanto a resistencia y estabilidad dimensional muy superiores a las de la madera laminada convencional.

Miguel ngel Abin Dpto. de Tecnologa y Biotecnologa de la Madera

En diciembre de 2014 ha finalizado la tercera y ltima anualidad del proyecto europeo CELLUWOOD (Laminated Strong Eco-Material for Building Construction made of Cellulose-Strengthened Wood). El IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) ha cofinanciado esta anualidad, tambin cofinanciada por fondos europeos FEDER. Tambin cofinanci las anualidades 2012 y 2013. El proyecto est tambin cofinanciado por el programa Eco-innovation First Application and Market Replication Projects, promovido por la Comisin Europea para la eliminacin y reduccin del impacto ambiental y el uso ptimo de los recursos, mediante soluciones eco-innovadoras en procesos, tcnicas, servicios, productos o tecnologas. Todo ello est encaminado a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El proyecto europeo CELLUWOOD est formado por un consorcio internacional al que pertenece AIDIMA, la Universidad de Brunel (Reino Unido), Chimar Hellas (Grecia), Contemporary Building Design (Eslovenia), Tecnifusta (Espaa), InnovaWood (Blgica) y la empresa britnica InWood Developments, coordinadora de la iniciativa. Las ltimas reuniones del proyecto se celebraron en AIDIMA el 7 y el 8 de julio, y en INCAFUST (Instituto Cataln de la Madera), en Gerona los das 3 y 4 de septiembre.

Reunin del proyecto en AIDIMA (7 y 8 de julio).

Objetivos del proyecto

El principal objetivo alcanzado en el proyecto ha sido el desarrollo de materiales resistentes (vigas y columnas) hechos a partir de madera encolada y reforzada con nanocelulosa y bioresinas, destinados a la construccin de edificios. El proyecto encaja en las lneas del Instituto Tecnolgico de desarrollo de nuevos materiales derivados de la madera y de evaluacin no destructiva de la madera para construccin. Los principales resultados obtenidos en el proyecto son los siguientes:

1) Se han desarrollado bioadhesivos reforzados con nanocelulosa usando tecnologas innovadoras. El bioadhesivo reforzado con nanocelulosa cumple los requisitos esperados en procesos de baja presin. 2) Se ha desarrollado con xito una bioresina basada en lignina. Este novedoso bioadhesivo puede curar a temperatura ambiente y muestra mejor capacidad de unin que las colas comerciales. 3) Se caracterizaron estructural y climticamente las vigas de madera laminada fabricadas con la bioresina de lignina. 4) Se desarroll un material de relleno para el interior de columnas mediante un complicado proceso de tres pasos: mezcla de serrn, tratamiento superficial del serrn (mediante tecnologa de recubrimiento por aerosol) y modificacin del yeso (mediante tecnologas de superplastificacin y ultrasonidos). 5) Se realizaron anlisis de las vigas laminadas y de las columnas de madera mediante el mtodo de los elementos finitos y la teora de Euler-Bernoulli, respectivamente. Se obtuvieron unos resultados muy aproximados a la realidad, aplicando los coeficientes de seguridad habituales para madera en construccin, segn establece el Cdigo Tcnico de la Edificacin (CTE). 6) Se desarroll una nueva columna ecolgica hbrida de yeso/madera usando resinas y materiales desarrollados en el proyecto. 7) Se realiz un anlisis del ciclo de vida de acuerdo con los datos ambientales de las materias primas usadas en el proyecto y con las bases de datos Ecoinvent.

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Bioadhesivos

Una parte significativa de los esfuerzos del proyecto se han centrado en desarrollar adhesivos no petroqumico, hechos con materias primas renovables, que puedan utilizarse para encolar madera. Las bioresinas son polmeros (plsticos) hechos de materiales orgnicos de origen biolgico (maz, azcar, recursos forestales, residuos agrcolas, etc.) y que por tanto tienen una produccin sostenible. No proceden del petrleo y son neutrales en cuanto al carbono (es decir, extraen tanto CO2 de la atmsfera como el que aaden). Muchsimos objetos, desde embalajes a telfonos, pueden fabricarse con bioresinas. La sustitucin de los productos derivados del petrleo por bioresinas es ya un hecho en multinacionales como Jonh Deere, que fabrica cuerpos de tractores con bioresinas, al igual que hacen Boeing y Airbus con estructuras de aeronaves. Empresas como Basf y Dow Chemical realizan grandes inversiones en el desarrollo de bioresinas y bioplsticos. Uno de los biadhesivos desarrollados ha sido una bioresina basada en lignina y resina fenol-

formaldehdo (PF). Esta resina es efectiva, tiene un gran biocontenido y emite menos formaldehdo que las colas melanina urea-formol (MUF) existentes. Adems, es ms econmica porque la lignina es un biopolmero que se extrae de la madera y de ciertas plantas, del que se utiliza entre el 1 y el 2% para productos derivados, y el resto de los 30 millones de toneladas anuales estimadas que genera la industria papelera se quema para obtener energa. Esta bioresina presenta una capacidad de unin mejor que la de las colas comerciales MUF, es adecuada para encolar lminas de madera y ha resultado muy eficaz para obtener vigas de madera laminada encolada (glulam) ms resistentes y flexibles que las actuales. Se han desarrollado tambin dos clases de adhesivos para madera, basados en nanocelulosa: epoxi (o poliepxido) reforzado con nanocelulosa y casena reforzada con nanocelulosa. Ambos adhesivos

pueden usarse a temperatura ambiente con presin baja, y mostrar una alta resistencia. Usando el epoxi reforzado con nanocelulosa, la resistencia a cizalladura puede aumentar ms de un 40% con una adicin de nanocelulosa del 5%. La adicin de nanocelulosa mejora significativamente la resistencia de la unin. Eco-columnas de madera

Se desarrollaron columnas de madera con lminas externas de madera y rellenas interiormente con un material que es resultado de la mezcla de serrn y yeso. Este novedoso compuesto muestra varias ventajas: 1) es respetuoso con el medio ambiente, pues la adicin de serrn fue hasta el 20%; 2) ligereza, pues la densidad del material yeso-serrn es de 1,08 g/cm

3; y 3) una mayor energa de rotura, que puede

alcanzar 37,13 kJ/m2, lo que es 2,3 veces ms que en

el caso del yeso.

Inicialmente, el material de relleno tuvo una resistencia mecnica baja. Para solucionar esto se realizaron varios trabajos que incluyeron la mezcla de distintos serrines, el tratamiento superficial del serrn (mediante tecnologa de recubrimiento por aerosol) y la modificacin del yeso (mediante tecnologas de superplastificacin y ultrasonidos). En comparacin con tres clases de fibras naturales, se determin que el serrn era la mejor seleccin. Se usaron 5 agentes qumicos para modificar el serrn mediante tecnologas de recubrimiento de aerosol. En relacin con el tradicional mtodo de inmersin, el recubrimiento por aerosol mejora significativamente la modificacin del serrn. Entre estos agentes, Na2SiO3, la casena y el epoxi basado en agua (water based epoxy o WEP) dieron lugar a una buena mejora de la

resistencia mecnica del compuesto yeso-serrn.

Ncleo de las columnas CELLUWOOD, mezcla de serrn y yeso.

Columnas finales CELLUWOOD.

Los ensayos de resistencia a compresin con las columnas finales CELLUWOOD dieron lugar a valores de 136,2 kN, en comparacin con los 149,5 kN de las columnas de madera maciza.

Eco-vigas de madera: ensayos preliminares

De forma preliminar, se produjeron en las instalaciones de los socios del proyecto TECNIFUSTA e INWOOD y de AIDIMA aproximadamente 120 vigas con tres adhesivos distintos: PUR (poliuretano), epoxi y la bioresina de lignina, a fin de comparar los resultados de la nueva bioresina con los de los otros adhesivos, de uso comn en la industria. La especie de madera utilizada para todas las vigas fue el abeto rojo (Picea abies) clasificada estructuralmente como C24.

La resistencia de las vigas a flexin fue comprobada preliminarmente por AIDIMA con una prensa hidrulica y con un banco de ensayos dinmicos. Los resultados obtenidos para las vigas hechas con bioresina fueron anormalmente bajas (16-25 N/mm

2) en comparacin

con las vigas hechas con PUR (32-39 N/mm2) y epoxi

(41-45 N/mm2). A presiones moderadas, apareca una

separacin de las lminas (delaminacin) por las lneas de cola de lignina. El problema aparecido fue analizado por AIDIMA mediante la realizacin de ensayos no destructivos mediante ultrasonidos en las lneas de cola de las vigas, as como estudiando stas mediante estereomicrospa y mediante microscopa electrnico de barrido (Scanning Electronic Microscopy o SME).

Los resultados de los ensayos de ultrasonidos mostraron velocidades de propagacin muy bajas (2100-2700 m/s en una muestra de 30 vigas) en comparacin con las velocidades de la madera maciza de las vigas (5400-5900 m/s en una muestra de 30 vigas). Esto apunta a la presencia de discontinuidades (huecos o grietas) en las lneas de cola por un mal curado de sta. Los resultados de estereomicroscopa y de SME mostraron que en todos los puntos de las lneas analizadas aparecan cuarteamientos generalizados, que pueden deberse a una reticulacin excesiva, o bien a un secado/reaccin excesivamente rpido, y una gran presencia de cargas inorgnicas. Ambos hechos explican la baja resistencia estructural de las vigas iniciales.

Vista con el microscopio electrnico de barrido Phenom proG1 de una lnea de cola de las vigas iniciales. Se emple

una fuente de emisin termoinica y se trabaj con un voltaje de aceleracin de 5kV.

Los resultados de los ensayos anteriores llevaron a cambios en la formulacin y en las condiciones de aplicacin de la bioresina de lignina, hasta que se obtuvo una versin final que volvi a ensayarse a flexin, de forma preliminar, con resultados satisfactorios (41-53 N/mm

2 en una muestra de 15

vigas). Eco-vigas de madera: ensayos finales y caracterizacin del producto

AIDIMA, en colaboracin con TECNIFUSTA, fabric 20 vigas de madera laminadas, de dimensiones nominales 120 x 120 x 2200 mm. Cada viga estaba compuesta por tres lminas, encoladas mediante la versin final de la bioresina de lignina. Todas las vigas se hicieron con madera de abeto rojo (Picea abies), a partir de madera clasificada como C24. Los resultados de las vigas de bioresina de lignina se compararon con los de vigas comerciales de la misma madera y clasificadas como GL24h, encoladas con una resina MUF. Los investigadores de AIDIMA evaluaron de manera no destructiva, mediante tcnicas de ultrasonidos, y tambin de forma destructiva, siguiendo el procedimiento marcado por la ltima versin de la norma europea EN 408 (Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada encolada para uso estructural. Determinacin de algunas propiedades fsicas y mecnicas).

Evaluacin de vigas de forma no destructiva mediante ultrasonidos.

Mquina para el ensayo destructivo de resistencia a flexin.

Despus de analizar los resultados, se concluy que el mdulo de elasticidad (MOE) medio para las vigas de lignina es un 45% superior al MOE medio de las vigas comerciales MUF, clasificadas como GL24h. Asimismo, el mdulo de rotura (MOR) o resistencia a flexin medio para las vigas de lignina es un 23% superior al MOR medio de las vigas comerciales MUF, clasificadas como GL24h. Por lo tanto, las vigas desarrolladas ofrecen ventajas significativas en cuanto a elasticidad y resistencia mecnica frente a las vigas convencionales.

Rotura de una viga comercial GL24h.

Rotura de una viga CELLUWOOD, encolada con la bioresina de lignina.

La resistencia de las lneas de cola en elementos de madera laminada encolada puede determinarse mediante ensayos de esfuerzo cortante segn la norma EN 392 (Madera laminada encolada. Ensayo de esfuerzo cortante en lneas de adhesivo). Para ensayar segn esta norma, se cortaron 10 pequeas muestras de 10 vigas CELLUWOOD. Las dimensiones de las muestras siguieron los requisitos de la norma. Antes del ensayo, las muestras se acondicionaron en laboratorio hasta que alcanzaron una humedad de equilibrio de aproximadamente el 12%. Todos las muestras de ensayo cumplieron los requisitos de la norma EN 386 para resistencia a cortante y porcentaje de fallo por madera (PFM). Estos resultados demuestran claramente que el encolado de lminas de Picea abies con la lignina final de resina es muy efectiva.

La norma 391 (Madera laminada encolada. Ensayo de delaminacin de lneas de adhesivo) es una norma de produccin de madera laminada encolada, que determina si el producto es apto para salir al mercado. Especifica un mtodo de ensayo que mide la delaminacin de las lneas de cola despus de un tratamiento que consiste en sumergir las muestras en agua dentro de un autoclave y luego en secarlas rpidamente a alta temperatura; es, por tanto, un mtodo de ensayo de envejecimiento acelerado. Para ensayar segn esta norma, se cortaron 10 pequeas muestras de 10 vigas CELLUWOOD. Las dimensiones de las muestras siguieron los requisitos de la norma. Antes del ensayo, las muestras se acondicionaron en laboratorio hasta que alcanzaron una humedad de equilibrio aproximada del 12%. Despus de cada uno de los 3 ciclos especificados en el Mtodo A de la norma EN 391, el porcentaje total de delaminacin y el porcentaje mximo de delaminacin fue del 0% para todas las muestras procedentes de las vigas CELLUWOOD. Por lo tanto, las muestras cumplieron los requisitos de EN 386 para la integridad del adhesivo en estructuras de clase de servicio 3, que es la ms exigente.

Muestra de ensayo despus del proceso final de secado especificado en el Mtodo A (EN 391). No aparece delaminacin en las lneas de cola.

Considerando todo lo anterior, se concluy que todas las muestras cumplen los requisitos de la norma EN 386 respecto a la integridad de las lneas de cola y a la resistencia para estructuras de clase de servicio 3.

Con respecto a la estabilidad dimensional, la diferencia de humedad entre lminas fue inferior al 2%, lo cual disminuye en gran medida el riesgo de que aparezcan grietas o grandes tensiones en caso de cambios de las condiciones ambientales. La contraccin volumtrica total (10,5%) y el coeficiente de contraccin volumtricas resultaron significativamente ms bajos que los correspondientes a la madera de abeto rojo (Picea abies) usada para las vigas (12,6 y 0,45%, respectivamente). Con respecto a la contraccin, las vigas CELLUWOOD son apropiadas para uso exterior. Adems, la hinchazn volumtrica total (10,17%) fue significativamente ms baja que la correspondiente a la madera de abeto rojo usada para las vigas (13,20%). Con respecto a la hinchazn, las vigas CELLUWOOD son apropiadas para uso en exterior. Estructura de vigas CELLUWOOD

Para ilustrar las posibilidades de las vigas desarrolladas se realiz una pequea estructura formada por elementos prefabricados como los que muestra la siguiente fotografa.

Elemento prefabricado CELLUWOOD para estructuras (escala 1:5).

El proyecto cuenta con la pginas electrnicas www.celluwood.com y www.aidima.eu/laminated-strong-eco-material-for-building-construction-made-of-cellulose-strengthened-wood. Informacin adicional a travs del correo electrnico redaccion@aidima.es

Proyecto financiado por el programa CIP Eco-innovation First Application and Market Replication Projects de la Comisin Europea Proyecto financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE) Proyecto financiado por los Fondos Estructurales, a travs del Programa Operativo FEDER de la Comunidad Valenciana 2007-2013 Organismos colaboradores: Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial | Instituto Tecnolgico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines AIDIMA | Red de Institutos Tecnolgicos REDIT

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