Control del deterioro de la madera mediante la acción de nano-impregnantes y recubrimientos sol-gel a base de silanos

Abstract

El aumento constante del consumo de madera como material ha llevado a la necesidad de introducir en el mercado especies de crecimiento rápido las cuales poseen propiedades inferiores desde el punto de vista de la resistencia a la degradación. La extracción de madera en el pasado fue indiscriminada, sin medir las consecuencias del deterioro de los bosques naturales; se extraían grandes volúmenes de madera de crecimiento lento, que demoraban siglos en madurar, dejando en pie aquellos árboles de menor calidad. La consecuencia de esta sobreexplotación significó finalmente la búsqueda de la protección de aquellas construcciones de madera para mejorar su durabilidad y aumentar su vida en servicio. Por otra parte, se buscó, y actualmente se continúa buscando, la forma de utilizar especies de madera variadas, principalmente aquellas de rápido crecimiento, mejorando sus propiedades fisco-mecánicas. Por estos motivos, en los países con desarrollo científico-tecnológico se intenta dar una respuesta adecuada a la amplia variedad de temas involucrados en la correcta protección de la madera y la preservación de bosques naturales vírgenes. Así, los requisitos necesarios para resolver el problema de la preservación de la madera son conocer con profundidad la composición química y biológica, así como también la estructura y las propiedades del material a proteger. Además de conocer con profundidad también los agentes degradantes a los cuales puede ser expuesta la madera, lo que dependerá fundamentalmente del destino que se le dará a la madera como material. La importancia de conocer y estudiar lo antes mencionado radica en la correcta elección de los sistemas protectores desde el punto de vista de la eficiencia, el impacto ambiental y la economía. Los microorganismos son seres vivos para los cuales el carbono es el mayor constituyente celular, el cual es requerido y obtenido de fuentes diversas. Existe una diversidad de estos microorganismos celulolíticos, entre ellos bacterias y hongos aeróbicos o anaeróbicos que utilizan la celulosa, hemicelulosa y lignina de la madera como fuente de carbono. Esta gran variedad metabólica hace que sea muy difícil controlar su ataque o crecimiento sobre cualquier sustrato ya que tienen la capacidad de adecuar su metabolismo a las condiciones del medio, aún cuando éstas son extremas. Paralelamente, las maderas de baja y media densidad presentan una reducida resistencia a la penetración del fuego y una insuficiente capacidad para formar una capa carbonizada que permita el mantenimiento de sus propiedades mecánicas durante una conflagración. La formulación del plan de tesis surge entonces de la necesidad de desarrollar modernos productos tecnológicos no contaminantes para la protección de la madera y que además construya un puente entre los conocimientos básicos generados como producto de la investigación científica y la ciencia aplicada. Este trabajo de tesis intenta abordar un análisis multidisciplinario aplicando los conocimientos de la ingeniería química y biología como herramientas aptas para evaluar los factores fundamentales que afectan el problema y encontrar las soluciones tecnológicas más adecuadas. El objetivo fundamental del presente plan de tesis fue aplicar dos nuevas tecnologías nacientes para la protección de maderas de baja densidad que se emplean en el ámbito civil e industrial. Por un lado, otorgarle hidrorrepelencia, resistencia al biodeterioro y resistencia a la acción del fuego. Para ello se utilizarán silanos curados por el proceso sol-gel y nanocompuestos. Estos tratamientos otorgarán una mayor durabilidad a la madera, fomentando la utilización de maderas de crecimiento rápido obteniendo la misma calidad en servicio que una madera de crecimiento lento. Además, es de destacar que los tratamientos de protección de la madera que se implementarán son más seguros para el medioambiente que los actualmente empleados. Con el propósito de llevar a cabo el plan de tesis y luego de una exhaustiva revisión bibliográfica, en el primer capítulo se incluyó una introducción a la problemática que enmarca la tesis incluyendo generalidades sobre maderas, sus patologías más frecuentes y el estado del arte actual en cuanto a degradación por agentes biológicos y por acción del fuego. En el segundo capítulo se incluyó características particulares de maderas, especialmente todo aquello referido a la madera como material biológico y lo necesario para comprender los tratamientos protectores. También se detallarán exhaustivamente los principales componentes escogidos para llevar a cabo el plan de tesis: los silanos y los nanocompuestos. En esta parte se detallarán generalidades, particularidades, caracterización y fundamentación de su elección como así también los procesos químicos involucrados al ponerse en contacto con la madera. En el segundo capítulo se detalló los materiales específicos empleados, métodos de impregnación de la madera utilizada y por último, el desarrollo experimental de la tesis. En el tercer capítulo se discutieron los resultados de la parte experimental: se formularon y elaboraron en escala de laboratorio impregnantes con características repelentes al agua, biocidas e ignífugos, respectivamente. Los resultados altamente satisfactorios permitieron inferir que el mecanismo de protección está sustentado en la formación de polímeros inorgánicos de altamente reticulados formados en la pared celular que componen los, modificándola químicamente con la particularidad de no obturar los poros evitando así numerables fallas. Finalmente, en el cuarto capítulo o se expusieron las conclusiones generales del presente proyecto. En resumen, la ejecución del plan de tesis permitió el desarrollo de nuevos impregnantes y recubrimientos para controlar no sólo el deterioro de la madera sino también para permitir la comprensión de los múltiples aspectos que involucran la utilización con éxito de modernos materiales que simultáneamente exhiban eficiencia hidrófuga, ignífuga y biocida, que resulten económicos, que cumplan con los requisitos para reducir la contaminación del medio ambiente y que conciencien a los organismos pertinentes a fin de conducir a legislaciones más severas que otorguen un cuidado ambiental exhaustivo sin olvidar la seguridad de la población al aplicar los materiales en el hábitat urbano. Si bien sobre modificación química mediante silanos, se publicaron 117 artículos entre 2010 y 2016, es un tema muy estudiado pero a nivel tecnológico: la mayoría de los trabajos publicados con este tema focalizan en la funcionalidad de los silanos y los nanocompuestos en cuanto a sistemas protectores, pero no hay estudios de como este afecta a nivel microanatómico a la madera, ni como las diferentes condiciones de aplicación varían no solamente el composite final, sino también que se ubican en un espacio celular diferente, como se realizó en la presente tesis. Cabe destacar además que, si bien los silanos y el proceso sol- gel, así como las nanopartículas están estudiado, fue necesario retomarlo también para poder demostrar el hipotético efecto sinérgico inicial de estas dos tecnologías, lo cual pudo demostrarse a lo largo de la tesis. Además, también se logró que todo el estudio tenga aplicabilidad a las problemáticas de protección actuales, como es el caso de protección de bienes patrimoniales. Por último, el estudio exhaustivo que presenta esta tesis en cuanto a variables de formulación, estructura de la madera (cabe destacar lo importante de partir del conocimiento completo del material a conservar para poder discernir en el mejor método) y el resultante comportamiento frente a agentes degradadores, permite que esta sea una base de conocimiento de formulación y protección de la madera y no solo un estudio acotado de algunos sistemas de protección estancos.