CAPÍTULO I
Existen diversos productos químicos para preservar la madera, sin embargo, aún se siguen buscando alternativas para incrementar la efectividad de la preservación, a su vez disminuir el impacto ambiental que causa algunos productos preservantes. De este modo, la utilización de químicos a una escala nanométrica parece brindar una nueva alternativa viable a la industria de la preservación de madera. La Nanotecnología plantea nuevos paradigmas del uso de nanomateriales en la industria forestal, los cuales al ser utilizados a una escala muy pequeña transforma completamente su rango de acción. Por lo tanto cuando se aplican nanopartículas de Cu y Zn para la preservación de la madera, se incrementan su resistencia al ataque de hongos e insectos y como consecuencia su vida útil de servicio.
Palabras clave: Madera, nanotecnología y nanopartículas, nanomateriales, preservantes.
La nanotecnología se está convirtiendo rápidamente en la revolución industrial del siglo
XXI. Para cada área en la que podemos imaginar un impacto, habrá otros que nadie ha pensado nuevas capacidades, nuevos productos y nuevos mercados y la madera no es ajena a este fenómeno. El uso de la nanotecnología supone una gran innovación en el desarrollo de los recubrimientos para madera, especialmente en relación con la absorción y penetración de ultravioleta, la posibilidad de preservar la madera permite utilizar especies que tradicionalmente han sido consideradas de baja durabilidad natural, así como madera de albura de especies procedentes de plantaciones, lo cual representa una parte importante del volumen industrializado actualmente. Al preservar la madera se logra mejorar sus características, otorgándole una mayor resistencia a la biodegradación. Es bien sabido que en el ambiente existe una gran cantidad de agentes contaminantes y que estos pueden ser de naturaleza química o biológica. En este último grupo, se encuentran los hongos; microorganismos eucarióticos conocidos por ser uno de los mayores descomponedores de la cadena trófica
Investigadores de todas partes del mundo han sintetizado nanopartículas que poseen efectos microbicidas, hechas a base de materiales tales como cobre, zinc, titanio, magnesio, oro. Según Shrivastava et al, 2007, las nanopartículas de plata (AgNPs) han mostrado ser las más eficientes, con un gran espectro de acción sobre bacterias y hongos. Aunque su mecanismo de acción no está completamente entendido, se cree que en el caso de las bacterias, las AgNPs inhiben enzimas involucradas en la respiración celular conduciendo a la lisis celular. En el caso de los hongos, parecen estar involucradas en procesos de ruptura de la membrana celular evitando la gemación. Se han evaluado las nanopartículas de óxido de zinc, en el comportamiento en revestimientos exteriores para mejorar la fotoestabilidad y también como un componente de los recubrimientos para mitigar los efectos de la radiación ultravioleta. Como consecuencia a todo lo planteado se describe conceptos y nociones básicas para el preservado de la madera a nano escala.
OBJETIVOS
Objetivo General:
Realizar una exploración exhaustiva sobre el uso de las nanopartículas para la preservación de la madera.
Objetivos Específicos
Hacer una revisión bibliográfica sobre los principales químicos utilizados a escalas manométricas en la preservación de la madera.
Describir las principales nanopartículas y su acción en la protección de la madera.
Detallar los principales beneficios de las nanopartículas en la preservación de la madera
CAPÍTULO II
La Madera
La madera se puede considerar como una sustancia dura y fibrosa que se desarrolla hacia la parte interna del cambium vascular, tanto en el tallo como en las ramas y raíces. Es el producto de las divisiones del cambium vascular y está constituido por una serie de células o elementos leñosos que han pasado a través de diferentes etapas de desarrollo, desde la división celular hasta la diferenciación y maduración de células, para formar el tejido leñoso (León y Espinosa, 2001).
Se considera que está formada por un conjunto de células muy heterogéneas de estructura uniforme que cumplen varias funciones: la conducción de savia, la transformación de productos que a su vez almacena sustancia de reserva, y el sostenimiento de las estructuras fenológicas y fisiológicas de las plantas (JUNAC, 1988).
La madera es un material higroscópico. Tiene la capacidad de ceder y absorber humedad en su medio, proceso que depende de la temperatura y de la humedad relativa del ambiente. En consecuencia, el contenido de humedad de la madera variará con los cambios en las condiciones atmosféricas que la rodean. Este componente es el que determina y provoca cambios dimensionales y deformaciones en la madera (Hoheisel, 1968).
1.2 Composición Química de la Madera.
Según Santiago (2006), la madera está constituida por: Carbono (C) 49%, Hidrógeno
(H) 6%, Oxígeno (O) 44%, Nitrógeno y minerales 1%. La combinación de estos elementos forma los siguientes componentes de la madera
Celulosa es un hidrato de carbono parecido al almidón, se pudre con la humedad (40 a 60%). La lignina es un derivado del fenilpropano, representa el 20 a 40%. La Hemicelulosa es un carbohidrato. En la madera se encuentran varios tipos de hemicelulosas que varían según el número de carbono en la estructura. Su misión es unir las fibras, comprende el 5 a 25% del peso de la madera.
Otros componentes: resinas, grasas, sustancias incombustibles llamados extractivos.
Propiedades Físicas de la Madera
Las propiedades físicas de la madera son el conjunto de propiedades que caracterizan el comportamiento físico de la misma. Según Arrollo (2003), estas propiedades dependen de los factores que determinan su organización estructural. Estos factores son:
Cantidad de sustancia de la pared celular presente en una muestra cualquiera.
Cantidad de agua presente en la pared celular.
Proporción de componentes primarios en la pared celular y la cantidad y naturaleza de las sustancias extrañas.
Arreglo y orientación de los materiales en los diferentes tejidos.
Tipo, tamaño, proporción y arreglo de las células que forman el tejido maderable.
El primero de estos factores se mide por medio del peso específico o densidad, siendo estas propiedades los índices más útiles para predecir el comportamiento físico de la madera. El segundo factor afecta profundamente el comportamiento de la madera, no sólo porque la adición de agua a la pared celular cambia su densidad y dimensiones, sino también su efecto sobre la plasticidad y transferencia de energía dentro de la pieza de madera. El tercero de estos factores es responsable de las propiedades especiales de algunas maderas, así como las desviaciones o variabilidades que presentan en su comportamiento cuantitativo.
Los dos últimos factores son causa de las grandes diferencias encontradas en las respuestas físicas de la madera con respecto a la dirección del grano.
Propiedades Mecánicas de la Madera
Las propiedades mecánicas de la madera son la expresión de su comportamiento bajo la aplicación de fuerzas o cargas. Este comportamiento puede sufrir variadas modificaciones, dependiendo del tipo de fuerza aplicada y de las diferencias básicas en la organización estructural de la madera. Una fuerza expresada por unidad de área o volumen es un esfuerzo. Existen tres tipos de esfuerzo; comprensivo, de tracción y de cizallamiento. Los esfuerzos de flexión resultan de la combinación de los tres esfuerzos primarios. La reacción del cuerpo al esfuerzo aplicado se conoce con el nombre de resistencia del material y como ya se sabe que existen diferentes esfuerzos, también existirán diferentes resistencias, entre ellas, resistencia a la compresión, o a la tensión, al cizallamiento o a la flexión (Arrollo, 2003).
Estructura de la Madera de Coníferas.
Según Giménez y Moglia (2005), las Gimnospermas (coníferas) difieren botánica y estructuralmente de las Angiospermas. El leño de las Gimnospermas es homogéneo, y el de las latifoliadas es heterogénea. En el leño de las Coníferas se encuentran los siguientes elementos estructurales.
Traqueidas
Células alargadas, fusiforme de extremos cerrados y provistas de puntea duras areoladas que permiten el paso de los líquidos entre las células y que van a ser determinantes, tanto en la facilidad de impregnación de la madera como en su secado. Cumplen la doble función de transportar líquidos y servir de sostén a la estructura leñosa. Las traqueidas son las células de mayor longitud en las coníferas y miden, normalmente, entre 3 y 5 mm de largo, y de sección entre 40&µ, las de primavera y de 10 &µ las de verano. Las traqueidas forman del 80 al 90 por ciento del volumen total de la madera.
Parénquima
Tienen funciones de almacenamiento. Su forma es rectangular dispuesta fundamentalmente en el eje transversal radial (asociadas con frecuencia a las traqueidas transversales) formando los radios y menos en el longitudinal.
Los Radios
Pueden estar formados por traqueidas parénquima y por células parenquimáticas. Son principalmente de tipo uniseriado y, algunas veces presentan canales resiníferos. En algunas ocasiones estos canales son perceptibles a simple vista, fundamentalmente en los cortes longitudinales, siendo característica de cada especie, su situación dentro de la madera y su apariencia.
Canales Resiníferos
Tienen como función secretar resina al canal resinífero, cuya función en el árbol es muy compleja pero fundamentalmente es de defensa y protección contra agentes patógenos.
La forma de estas células, al igual que las del parénquima, es prismática, con orientaciones tanto axiales como transversales.Todos estos elementos ponen de manifiesto el carácter anisótropo de la madera, es decir, su diferente comportamiento según el plano que se considere
Estructura de la Madera Latifoliadas
Según Giménez y Moglia (2005), son árboles de copa redondeada, decurrentes o simpódicos, con múltiples tallos codominantes o ramas grandes que pueden competir con el tallo líder o central. Comprende el 20% de árboles maderables en un bosque, generalmente son árboles de poca altura dado que se extiende en área y no en altura. La madera presenta alta dureza y baja resistencia a la flexión y resistencia a los impactos, presenta colores que van desde el café oscuro hacia color rojizo. La madera de latifoliadas proviene del grupo de angiosperma, los que están constituidos esencialmente por vasos, los cuales realizan la función conductora de la savia y por fibras que son el sostén del árbol. Las especies latifoliadas presentan en general, una copa bien ramificada y un tronco que varía en dimensiones y forma.
La estructura interna de las Latifoliadas es más especializada y compleja que las Coníferas. Debido a su mayor complejidad estructural ofrecen una gran variedad de aspectos que mucho auxilian a su identificación. Las células del cambium de Latifoliadas son menores que las de las Coníferas y también las células que las originan. Esta diferencia de longitud va a ser la razón por la cual el papel realizado a partir de Latifoliadas es, normalmente, de inferior calidad que el de coníferas. En el leño de las Latifoliadas se encuentran los siguientes elementos estructurales:
Fibras
Son células alargadas con diámetro promedio de 0,1 mm y su longitud puede ser 20 veces mayor, agrupadas en haces, provistas de punteaduras que facilitan el paso de nutrientes, encargadas del soporte o resistencia mecánica y forman el 50% o más del volumen de la madera; a mayor porcentaje de fibra mayor densidad y por tanto mayor resistencia mecánica.
Parénquima
Tienen la función de almacenamiento de sustancias de reserva y forman un tejido leñoso blando; en muchas especies tropicales superan el 50% del volumen total.
Los Radios
Son líneas medulares que van desde la médula hasta el exterior del árbol, su origen se debe al cambium vascular y se extienden radialmente tanto en el xilema como en el floema. Los radios están constituidos por células parenquimáticas, es por ello que son líneas débiles de la madera y durante el secado se producen grietas a lo largo de ellos. El ancho de los radios varía según la especie; pueden ser uniseriados, biseriados y multiseriados.
Los Vasos
Se encargan de la conducción. Estas células forman del 5 al 50% del volumen total de la madera, siendo este porcentaje mayor en las maderas blandas y porosas.
Durabilidad Natural de la Madera
El término durabilidad natural se refiere a la capacidad de la madera para resistir al ataque de hongos, insectos, desgaste mecánico, fuego o acción de los agentes atmosféricos. No obstante, dada la preponderante participación de los hongos sobre los otros agentes destructores, la durabilidad se define generalmente como la resistencia de la madera a las pudriciones o acción micótica (JUNAC, 1988).
Anatomía y Preservación de la Madera
La madera es una materia orgánica susceptible de ser atacada por hongos, insectos y bacterias. En algunas condiciones de uso, por ejemplo: construcción, durmientes de ferrocarril, postes, estantillos, etc., se presentan condiciones favorables para el desarrollo de agentes destructores de la madera y es necesario protegerla para así evitar su deterioro. Las técnicas de preservación tienen como objetivo proteger la madera contra aquellos agentes atacantes que puedan causar daños en la misma; específicamente contra hongos e insectos.
Se han diseñado diferentes técnicas para la preservación de la madera así como también diferentes tipos de sustancias que permitan incrementar el grado de protección de la madera. Sin embargo, la efectividad de la preservación varía según el tipo de madera observándose que algunas especies no ofrecen dificultades para su preservación mientras que otras son difíciles de tratar. Esta variabilidad de comportamiento se produce como consecuencia de la estructura anatómica de la madera.
El flujo de líquido dentro de la madera y su permeabilidad son elementos de gran importancia para la preservación de la misma. Cualquier elemento que afecte de forma negativa el flujo de la permeabilidad de la madera, también afectará el proceso de preservación (León y Espinosa, 2001).
Los Preservantes y sus Características
Los preservantes son sustancias o productos químicos que pueden ser aplicados a la madera para evitar su destrucción por organismos xilófagos y que además reúne ciertos requisitos de toxicidad, permanencia, estabilidad, inocuidad y usos corrientes que no manchen a la madera para permitir su pintado o acabado final. La efectividad de un tratamiento preservantes de la madera es dependiente de los resultados del mismo, así como también del sistema de preservación y de la naturaleza de las sustancias de los preservantes. Los resultados del tratamiento estarán en función de la penetración, retención y distribución del preservantes en las áreas accesibles al deterioro biológico (Santini, 1988)
Tipos de Preservantes
Según JUNAC (1988), los preservantes se clasifican según su origen o uso en: Creosotas ordinarias, creosotas líquidas, mezclas de creosota. Productos orgánicos (oleosolubles): Naftenatos, Pentaclorofenol, oxido tributilestañoso, Quinolinolato ocho de cobre (Cu-8). Productos inorgánicos (hidrosolubles): Sales múltiples, Arsénico cobre-Amoniacales (ACA), Cupro-Cromo-Arsenicales (CCA), Cupro-Cromo-Bóricas (CCB), Compuestos de boro y otros compuestos hidrosolubles
Las sales preservantes tienen en su composición un elemento fungicida, usualmente el cobre y un insecticida, como el arsénico o el boro; además se incluye un fijador, por excelencia el cromo. La toxicidad de las sales se expresa como "factor oxido", que es la sumatoria de los pesos porcentuales de cada componente, expresados en óxidos ya que son estos los que determinan la actividad tóxica de la sal (JUNAC, 1988). Los principales productos preservantes usados industrialmente son los siguientes:
Sales Cupro Cromo Arsenicales (CCA)
Estas sales hidrosolubles predominan en el mercado mundial, ya que poseen el factor óxido más alto. Son muy eficientes en la protección de la madera en contacto directo con el suelo y bajo las condiciones más favorables, como el agua de mar (JUNAC, 1988).
Cupro CromoBóricas (CCB)
Los componentes activos de estas sales combinan la acción fungicida del cobre con la insecticida del boro y el poder de fijación del cromo para evitar la lixiviación. En el tratamiento de la madera con sales CCB se recomienda usar una concentración no menor a 5% en agua. Como las sales CCB se fijan más lentamente en la madera que las CCA, se recomienda que el material tratado se deje por un periodo de 6 a 8 semanas antes de ponerlo en servicio, para que así se fijen mejor las sales (Santini, 1988).
Métodos de Evaluación de Tratamiento de Madera
4.1 Absorción
Se define como absorción, la cantidad total del preservantes que queda en la madera después de la impregnación. La absorción depende del sistema de impregnación utilizado de la humedad y características de la madera a tratar y la naturaleza del producto químico preservante. Los tratamientos a vacío y presión requieren que la madera este seca, es decir, por debajo del punto de saturación de las fibras (25 a 28% de contenido de humedad), para que pueda absorber el preservante. Para los tratamientos por capilaridad, difusión, la madera deberá estar húmeda ya que el agua es el medio natural a través del cual el preservante penetra y se difunde en el tejido leñoso (JUNAC, 1988).
Retención
Es la cantidad de óxidos del preservante que ha quedado en la madera después del tratamiento. La retención es equivalente a la absorción neta y se expresa en kilos de sustancias activa (óxido de preservante) por metros cúbicos de madera. En caso de productos oleosolubles, la absorción o retención neta también se expresa en kilogramos de sustancia activa en cada metro cubico tratado, kg/m3 (JUNAC, 1988).
Penetración
Se define como penetración, la profundidad que alcanza el preservante en la madera tratada. Cuando más profunda sea la zona penetrada por el preservante, mejor será la protección de la madera. El examen de la madera para verificar esto se debe realizar en la sección media de la pieza tratada, observando directamente la coloración que haya tomado la parte impregnada (JUNAC, 1988).
CAPÍTULO III
Según Liu (2006), la palabra "Nano" tiene su origen Griego que significa "extremadamente pequeño". Las nanopartículas se pueden definir como clusters de átomos con rangos de tamaños que varían desde 1 a 100 nm (Mil millones de nanómetros hacen un metro) exhibiendo propiedades ópticas, químicas, eléctricas y mecánicas únicas.
Según el portal web Green Facst (Hechos Verdes) (2006), la nanotecnología es la ciencia que interviene en el diseño, la producción y el empleo de estructuras y objetos que cuentan con al menos una de sus dimensiones en la escala de 0,1 milésimas de milímetro (100nanómetros) o menos.
La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a una escala muy pequeña (Campos, 2014).
El prefijo nano en la palabra nanotecnología significa una millonésima (1×10-9).La nanotecnología trata sobre las diferentes estructuras de la materia con dimensiones del orden de una millonésima parte de un metro. Es un campo interdisciplinario y emergente, en el cual se conjunta la física, la biología, la química, la ingeniería y las ciencias sociales. Su objetivo es entender, caracterizar, manipular y explotar las características físicas de la materia a una nanoescala, para generar innovaciones tecnológicas. (Charles y Poole, 2003).
Clasificación de los Nanomateriales
Los nanomateriales, presentan propiedades morfológicas más pequeñas que un micrómetro, en al menos una dimensión. Esto significa que puede haber nanomateriales 1D, 2D y 3D. La idea es sencilla, mucha de las propiedades de los materiales depende de cómo se comporten los electrones que se mueven o de como estén ordenados los átomos en la materia. (Figueres, 2007)
Nanocompuestos
Son materiales formados por dos o más fases, donde una de estas fases tiene uno de sus tres dimensiones en escala manométrica. Los polímeros son los más utilizados para este tipo de nanocompuesto (Castillo, 2012)
Nanotubos
Estos nanomateriales están compuestos en su mayoría a base de carbono y silicio, son estructuras tubulares con un diámetro nanométrico. Son de una capa o en su defecto de multicapas, algunos están cerrados por media esfera de fulereno, que es una forma estable del carbono, de los cuales se pueden obtener materiales más ligeros y resistentes, teniendo diversas aplicaciones. (Figueres, 2007)
Nanopartículas
Son partículas con sus tres dimensiones a escala nanométrica. Dependiendo de su composición se pueden clasificar en carbonosas, metálicas, cerámicas y poliméricas. (Figueres, 2007)
Tipos de Nanopartículas
Cuatro son las principales clases en las que 7generalmente son clasificados los nanomateriales (Torres, 2011):
Materiales de base de carbón con formas esféricas, elipsoidales o tubulares: Sus propiedades fundamentales son su reducido peso y su mayor dureza, elasticidad y conductividad eléctrica.
Materiales de base metálica:
Pueden ser quantum dots (puntos cuánticos o transistores de un solo electrón) o nanopartículas de oro, plata o de metales reactivos como el dióxido de titanio, entre otras.
Dendrímeros:
Polímeros nanométricos construidos a modo de árbol en el que las ramas crecen a partir de otras y así sucesivamente; las terminaciones de cada cadena de ramas pueden diseñarse para ejecutar funciones químicas específicas (una propiedad útil para los procesos catalíticos).
Composites:
Combinan ciertas nanopartículas con otras o con materiales de mayor dimensión; el caso de arcillas nanoestructuradas es un ejemplo de uso extendido.
Estudios Realizados con Nanopartículas en la Preservación de la Madera
Los estudios efectuados hasta ahora no son en modo alguno concluyentes en cuanto a los peligros y riesgos, pero hablan de la necesidad de establecer políticas y medidas que estudien y regulen el uso de nanopartículas de modo que se garantice la protección de la población y del medio ambiente (Huw, 2013).
Gholamiyan
Gholamiyan (2012) realizó experimentos con partículas nanométricas solubles en agua (nano-zycosil y nano-zicofil), aplicándolas por el método de difusión de vapor de agua a muestras de madera de álamo (Populusnigra) provenientes de los bosques de Irán. Además, realizó análisis comparativos con revestimientos de laca y barniz de poliéster aplicados por imprimación de la superficie. Concluyo que los mejores resultados en cuanto a la difusión del producto a través de la madera y la eficacia del tratamiento lo presentó el nano-zycosil.
Tuduce (2012)
Tuduce (2012) realizó pruebas con muestras de abeto (Picea abiens) provenientes de la puerta de acceso principal al Centro Histórico de Brasov, Rumania, tomadas durante su restauración. A las muestras débiles y degradadas, se le aplicó Paraboloid B 72(resina acrílica termoplástica muy utilizada para la consolidación de obras patrimoniales construidas en maderas), pero en este caso, enriquecida con partículas nanométricas de óxido de zinc. Las muestras se clasificaron en tres categorías de acuerdo con su grado de deterioro. Nivel I: muy degradada y con pérdida total de resistencia y cohesión. Nivel II: alta degradación pero con cohesión estructural. Nivel III: escasa degradación. Las muestras tratadas por inmersión durante una hora, reaccionaron al tratamiento adquiriendo un grado de consolidación acorde con su nivel de degradación.Nivel I: alto valor de consolidación. Nivel II: nivel medio de consolidación. Nivel III escaso nivel de consolidación. Un año después el equipo de Tuduce realizó nuevas pruebas con Paraboliod B72 enriqueciendo con partículas nanométricas de óxido de zinc, al 1% en esta ocasión, aplicándolas a muestras de álamo temblón (Populustremula). Si bien, sus resultados no fueron concluyentes, si establecieron que el tratamiento incrementa la capacidad hidrofóbica de la madera tratada.
Afrouzi y Marzabani (2015)
Estos investigadores ponderaron la incidencia de los contenidos de humedad de la albura del álamo (Populus deltoides), cuando es tratada con partículas nanométricas de dióxido de titanio en las cuales se estudiaron tres niveles de concentración de humedad: 0,5; 1,0 y 1,5% en lo que se concluyó que la mejor y más uniforme distribución de las nanopartículas de dióxido de titanio se logra con los menores niveles de humedad, por lo tanto, recomiendan que los tratamientos con estas nanopartículas en madera de álamo se realicen cuando el contenido de humedad de la madera sea de 0%
Chehreh y Mastari (2015)
Evaluaron la capacidad de las nanopartículas de óxido de cobre para minimizar el cambio de temperatura que sufre la madera de álamo (Populus deltoides) cuando está expuesta a la intemperie. Concluyeron que la madera tratada con bajos niveles de humedad, disminuye los cambios de temperatura, esta estimación fue concurrente con lo deAfrouzi (2015)
Bertolini (2010)
Reviso las ventajas que la nanotecnología puede aportar a la conservación de obras arquitectónicas y civiles construidas en madera (o con elementos de madera) de estatus patrimonial. Dentro de sus resultados destaca que el tratamiento con nanopartículas genera en la madera las siguientes ventajas: protección UV, impermeabilización, protección ante la degradación por agentes orgánicos, y capacidad retardante ante el fuego. Además, señala que las partículas nanométricas de plata y cobre generan una superficie que bloquea el contacto con hongos y bacterias, tiene capacidad bactericida e inhibe el desarrollo de agentes xilófagos. En una investigación experimental, Bertolini realizó ensayos con cuatro tipos de madera: Abeto (Abies alba), Abeto Douglas (Pseudotsugamenziesii), Roble (Quercusrobur) y Alerce (Larix decidua) tomadas de un trabajo de restauración. Inicialmente realizó pruebas de laboratorio en muestras pequeñas de madera, y luego en piezas de tamaño real. El objetivo de la investigación fue mejorar la resistencia mecánica de las estructuras de madera pertenecientes al patrimonio cultural. Para ellos aplicó nanotubos de carbono (Nanocy serie 7000) disueltos en dos medios: diferentes solventes, los que le permitió valorar la eficiencia de la aplicación por la capilaridad; y resina epóxica, que por su densidad genera una película superficial como la de una pintura. De este modo, el investigador concluyó que los tratamientos realizados sobre elementos estructurales confirman la hipótesis de un aumento del rendimiento mecánico.
8.6. Yin (2015)
Yin (2015) realizó experimentos con madera de ciprés (Taxodiumdistichum) y cedro rojo occidental (Thujaplicata) procedentes de los bosques norteamericanos, con el objetivo de aportar datos para la elaboración de un protocolo que sistematice la conservación de las edificaciones patrimoniales construidas en madera, o elementos de madera del patrimonio material que se encuentra a la intemperie. Además, realizó pruebas con dos nanopartículas metálicas (óxido de hierro y óxido de cinc), y determinó que las nanopartículas metálicas generan un filtro que bloquea la luz ultravioleta.
Beneficio de las Nanopartículas en la Madera
Majada (2013) señala que los nano-recubrimientos se pueden aplicar de muchas maneras, vía física, química o electroquímica. Estos proveen resistencia a la abrasión, a la luz ultravioleta, también, mejora el comportamiento hidrofóbico y actúa como un retardante del fuego.
Resistencia a la Abrasión.
En los recubrimientos clásicos la resistencia puede ser mejorada mediante la adición de compuestos de base inorgánica, pero provocan una apariencia mate o semi-mate por dispersión de la luz. Sin embargo, el uso de nanopartículas puede reducir de manera significativa la dispersión de la luz. Para esta finalidad se emplean partículas entre 40 y 60 nm. Las nanopartículas tales como ZrO2, AlOOH y SiO2 pueden ser introducidas por UV lo que resulta en una mejora de la resistencia a la abrasión y al rayado.
Resistencia a la luz Ultravioleta.
La degradación fotoquímica causada por los rayos UV es normalmente un problema en la degradación de la mayor parte de los sistemas de recubrimiento. Esta degradación se produce por oxidación y descomposición de los polímeros y de los pigmentos inorgánicos u orgánicos empleados en los recubrimientos. Además, los estabilizadores de UV orgánicos también sufren un deterioro después de un cierto tiempo. El uso de nanopartículas como óxido de titanio u óxido de zinc puede mejorar las propiedades de resistencia a UV, ya que la incorporación de estos compuestos no sólo absorbe, sino que también refleja los rayos solares.
Mejora de Comportamiento Hidrofóbico.
El uso de nanotecnologías puede convertir una superficie en hidrofóbica y repelente de aceites. Estas propiedades se están explorando debido a que genera propiedades auto limpiantes.
Retardantes del Fuego.
La mayor parte de los recubrimientos nanotecnológicos incorporan hidróxidos de doble capa (LDH) o de tipo hidrotalcita. Los LDH mejoran la resistencia al fuego y afecta a las propiedades de recubrimiento como retardante de la llama. Estos recubrimientos cuando se queman absorben el calor, liberando agua y dióxido de carbono reduciendo por tanto la temperatura del substrato y la combustibilidad. Puede mejorar mucho:
1. Penetración conservadora en especies comerciales de madera aserrada
2. Tratabilidad de madera refractaria de bajo valor comercial
3. Durabilidad de compuestos de ingeniería
4. Estabilidad de acabados y recubrimientos para aplicaciones sobre el suelo
5. Tratamientos no lixiviables o hidrofóbicos
Los Nanobiocidas en la Preservación de la Madera
Solos o en combinación con biocidas existentes, los nanometales pueden proveer las bases de la próxima generación de productos de protección de la madera. Hasta la fecha existe poca información sobre la eficacia de preparaciones nanometálicas como biocidas. Algunos resultados recientes indican que los iones de plata muestran un amplio espectro de actividad microbiana contra bacterias, levaduras y hongos (Dorau, 2004). Otros ensayos realizados con partículas nanometálicas de cobre o zinc demostraron una adecuada protección contra termitas (Green y Arango, 2007). El empleo de este tipo de formulaciones ha sido utilizado recientemente como alternativa al tratamiento en autoclave con sales de cobre. Estos productos ya comerciales presentan como ventajas alta dispersión y estabilidad, lo que facilita una aplicación más uniforme. Además no son volátiles ni degradables con el tiempo, presentan menos olor y son más eficientes a largo plazo.
Nanopartículas en el Control del Biodeterioro
Las nanopartículas presentan características específicas que les permiten interactuar con los microorganismos que colonizan la superficie de diferentes materiales como: piedra, madera, metales, entre otros. Tales interacciones desencadenan mecanismos de inhibición microbiana (Li et al., 2008) de suma importancia en el control biológico de organismos. Algunos nanomateriales naturales y artificiales han manifestado diversas propiedades antimicrobianas y biocidas, como quitosano, óxido de titanio fotocatalítico, fullerol, nanotubos de carbono, nanopartículas acuosas de fuereños y de plata (Liu y Xie, 2012). A diferencia de los desinfectantes químicos convencionales, estos nanomateriales antimicrobianos no son oxidantes fuertes y son relativamente inertes en agua. Por esta razón no se espera que ocasionen efectos perjudiciales en el ambiente ni a la salud humana.
Las nanopartículas de péptidos, quitosano, carboxifulereno, nanotubos de carbono, óxido de zinc y de plata alteran la envoltura celular bacteriana. Adicionalmente, recientes investigaciones demuestran que el uso de nanopartículas de fullereno acuoso y las nanopartículas de plata interrumpen la transducción de energía transmembranal en las células microbianas. Esto implica que estas partículas, no sólo matan a los organismos ya establecidos sobre el material a tratar, sino también otros que quieran establecerse, mientras se mantengan activas (Li et al., 2008).
Nanopartículas de Plata y Nanotubos de Carbono
La preparación de nanopartículas (NPs) metálicas tiene gran interés debido a sus propiedades ópticas, eléctricas, catalíticas, bactericidas, entre otros. Estas propiedades dependen del tamaño, la forma y la dispersión de las NPs, que pueden ser controladas a partir del método de síntesis. Dentro de los parámetros que influyen en la morfología de las nanopartículas se encuentran la elección del agente reductor, las cantidades relativas y las concentraciones de reactivos, la temperatura y la duración de la reacción. Para aumentar la durabilidad ante el ataque de insectos y hongos, se utilizaran nanopartículas de plata y nanotubos de carbono. Según el Instituto Tecnológico de Costa Rica (TEC), , lograron inyectar nanotubos de carbón y nanopartículas de plata en la madera y obtuvieron resultados "muy halagadores". Aplicaron las nanopartículas y posteriormente realizaron las pruebas de resistencia a la humedad y a los hongos, así como su resistencia estructural.
Con la aplicación de las nanopartículas, los investigadores afirmaron que definitivamente aumentó la resistencia a los hongos. También aumentó la resistencia estructural. Además, demostraron que es factible, desde el punto de vista industrial, la incorporación de las nanopartículas utilizando las sustancias y los equipos disponibles; igualmente, concluyeron que su penetración en la madera es muy favorable. Por otra parte, se sabe que la plata tiene propiedades fungicidas y se observó que al aplicar este tipo de nanopartículas no se afecta ninguna otra propiedad de la madera. (Guzmán, 2013)
Nanopartículas de Zinc y Cobre
En la actualidad se tiene algunas investigaciones preliminares orientadas a la evaluación de soluciones y suspensiones preservantes de madera elaboradas en base a nanopartículas de cobre, y zinc, con o sin la adición de algún tipo de surfactante, orientadas a proteger la madera de microorganismos, insectos xilófagos y desgaste por condiciones ambientales naturales
Goddio et al., . (2013) desarrollaron un preservante nanoformulado y evaluaron la capacidad de protección de maderas de pino, este trabajo experimental sería el de una formulación combinada entre nanozinc y nanocobre buscando un efecto sinérgico, en el cual el Zn sea el inhibidor de la colonización fúngica, mientras el Cu permita preservar las maderas de organismos más complejos, como las termitas, utilizaron dispersiones de nanopartículas de zinc y cobre (en sus estados oxidados), con un rango de tamaños de entre 25 y 35 nm.
Las muestras de ensayo se prepararon a partir de madera de pino evualando el crecimiento de los mohos en dos ambientes (muestra incubadas en cámaras tropical y muestras incubadas en estufas de cultivo), estas muestras adoptan un tamaño similar al establecido por el método estandarizado de la American Society for Testing and Material (ASTM). Las muestras fueron incubadas en estufa de cultivo a 20 ± 2°C y humedad relativa equivalente (HR) durante 2 semanas antes del tratamiento. Los especímenes fueron tratados por inmersión en autoclave (45 minutos a 121°C) en dispersiones acuosas de óxido de nanozinc y óxido de nanocobre respectivamente.
En la cámara tropical, las muestras fueron sometidas a situaciones extremas de humedad (95-98% de HR), el máximo valor alcanzado fue de 4, indicando un crecimiento de mohos bastante significativo. En estas condiciones extremas ninguno de las dos nanopartículas evaluadas pudo proporcionar una protección adecuada a las maderas tratadas. El tratamiento con óxido de nanozinc a elevadas concentraciones resultó el más efectivo. En particular, la suspensión de nanoZnO al 5% permitió alcanzar una puntuación de 7, siendo la puntuación estándar de 8, implicando muy poco crecimiento de mohos y una dispersión menos concentrada al 3% respecto a un valor promedio de 5, por lo cual aún en este caso la preservación lograda fue mejor que para cualquiera de las muestras incubadas en la cámara tropical. En condiciones más representativas de un ambiente normal, como las reflejadas por los valores de temperatura y humedad relativa ambiente en la estufa de cultivo, las suspensiones de óxido de nanozinc muestran un comportamiento esperable: a mayor concentración mayor inhibición del crecimiento de mohos.
En cuanto a las muestras tratadas con nanoCuO, no permitieron alcanzar un nivel razonable de protección, aunque esta consideración pueda relativizarse en alguna medida dado que los valores de colonización por mohos resultaron inversamente proporcionales a lo esperado: a mayor concentración de las suspensiones, menor nivel de preservación.
Los resultados experimentales resultaron muy dependientes de las condiciones de exposición. En un ambiente extremo (cámara tropical) la preservación lograda en el mejor de los casos es relativamente baja (puntuación de 4 sobre una escala de 0 a 8). Por otra parte, paradójicamente, se logra mejor efecto inhibitorio con las suspensiones más diluidas, tanto para el Zn como para el Cu.
La nanotecnología responde a procesos técnicos novedosos (manipulación directa de átomos y moléculas, y aplicación a materia viva y no viva). Sus usos actuales y potenciales son muy variados en diversas industrias.
El uso de las nanopartículas supone una gran innovación en el desarrollo de los recubrimientos para madera, especialmente en relación con la absorción y penetración de ultravioleta. Muchas de las nanopartículas empleadas para desarrollar estos productos, como nano-ZnO no son tóxicas en la naturaleza y por lo tanto agregan una ventaja adicional en la industria de los recubrimientos para madera
Este trabajo permitió de una manera adecuada y sistemática conocer cómo se realiza una monografía documental, la cual es parte fundamental en el desarrollo académico de los futuros ingenieros forestales.
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