Efecto de la mezcla de Pinus radiata y especies nativas sobre la expansión lineal en tableros OSB (página 2)

A este tipo de tableros se les puede dar diversos usos, entre los cuales se pueden destacar su uso en revestimiento de exteriores de viviendas, en pisos, en recubrimientos de techumbres y muros. También se pueden utilizar en fabricación de embalajes, estructuras de muebles, cierres perimetrales de construcciones, estanterías de locales comerciales, aplicaciones decorativas y muchos otros usos en la industria.

2.2. – Proceso de fabricación

A continuación se hará una breve descripción de las distintas etapas que comprenden el proceso de fabricación de un OSB en la planta de Louisiana Pacific Chile en Panguipulli.

2.2.1-Patio de recepción y almacenamiento de materias primas.

Corresponde a la recepción, almacenamiento y entrega de materia prima a la planta, la cual es recepcionada en metros ruma (2.44 m3 stereo). Estos metros rumas están compuestos principalmente de maderas duras con densidades de 550 a 600 Kg. /m3, además de metros rumas de pino y álamo cuyas densidades varían entre 350 a 400 Kg. /m3, los que una vez recepcionados, son entregados a la planta de acuerdo a un programa de rotación de stock.

2.2.2- Descortezado de madera.

Los trozos provenientes de la cancha de almacenamiento, son pasados a un descortezador de tipo tambor. El mecanismo de descortezado consiste en el avance y rotación de los trozos dentro de un cilindro de acero, el cual esta provisto en su superficie interna de estrías longitudinales, que sumadas a la rotación del tambor y la fricción de los trozos, da como resultado la eliminación de la corteza, la que es retirada mediante un sistema de recolección y transporte a un sector de almacenamiento, para posteriormente ser utilizado como combustible.

La eliminación de la corteza en el proceso de fabricación responde a que su incorporación en el proceso provocaría un aumento en los consumos de resina y una disminución en las propiedades físico mecánicas del producto, lo cual se traduce en un desmedro de la calidad y costo final. No obstante, su uso alternativo como combustible permite compensar el costo del proceso de descortezado y la transformación de un residuo en un insumo más.

2.2.3-Viruteado.

La máquina viruteadora está compuesta por un disco rotatorio con cuchillos, que avanza girando a alta velocidad sobre la madera, la que dispuesta de manera perpendicular al avance del carro permite la producción de hojuelas tangenciales.

Especial importancia tiene en esta etapa, la manutención del equipo así como el correcto afilado de cuchillos y disposición de estos, lo que busca asegurar el mayor porcentaje de hojuelas producida dentro del rango de calidad y determina el rendimiento de la materia prima.

La dimensión de las hojuelas es de aproximadamente 7,5 cm de largo, su ancho varía entre 0,6 – 3,81 cm y su espesor varían entre 0,3 – 0,7 mm.

2.2.4- Almacenamiento de viruta verde.

Una vez producida la hojuela es transportada a un silo de almacenamiento. Este tiene una capacidad de 140 m3 y su diseño asegura una adecuada rotación de la hojuela.

2.2.5- Secado de las hojuelas.

El secado de las hojuelas, se realiza en un secador de tipo tambor. Aquí las hojuelas entran con un contenido de humedad inicial de 80 a 150 % son arrastradas por un flujo de aire caliente a través de un triple paso interior, movimiento en el cual entregan gradualmente su contenido de humedad, hasta llegar a un rango entre 3 – 7 % (bms). Este rango asegura una buena reacción de la resina en el proceso de prensado.

El secador de hojuelas puede funcionar con dos tipos de quemadores, uno funciona con gas natural y el otro funciona con desechos de hojuelas secas proveniente de las etapas posteriores.

2.2.6-Ciclón de separación.

Una vez producido el proceso de secado, la corriente de aire húmedo y las hojuelas secas pasan a través de un ciclón primario, aquí la diferencia de presión interior del ciclón y sumado al peso específico de las hojuelas, logran decantar estas últimas y enviarlas a la etapa siguiente de tamizado. Por otra parte el aire húmedo rescatado es enviado a un sistema de precipitación electrostático, donde son separadas las impurezas del aire para luego ser entregado a la atmósfera.

2.2.7-Malla de tamizado rotatorio.

En las mallas de tamizado, se produce la separación de las hojuelas, las que se ocuparan en el tablero y las de menor dimensión (finos) serán enviadas a un sistema de molienda, molino de martillo, para su posterior almacenamiento en un silo antes de ser usados como combustible.

2.2.8-Silo de almacenamiento de hojuelas seca.

Las hojuelas provenientes del tamizado son almacenadas en un silo de hojuelas secas, el cual posee una capacidad de 70 m3, y que tiene la función de dosificar el material a la etapa siguiente de aspersión de resinas. Existen dos silos de almacenamiento de hojuelas secas; de centro y superficie ya que ambas están a distintos contenidos de humedad.

2.2.9-Mezcladoras.

Las mezcladoras son de tipo tambor rotatorio en cuyo interior se encuentra un eje longitudinal equipado de cabezales de aspersión. Existen cabezales para la entrega atomizada de resina, como también para aplicar cera, la cual le entrega una mejor estabilidad dimensional al producto disminuyendo su capacidad de absorción de agua. También es posible adicionar en esta etapa (dependiendo del tipo de producto) borato de zinc, el que entrega al producto una mejor resistencia al ataque de bacterias, hongos e insectos.

2.2.10- Formadoras.

Las hojuelas luego de ser bañadas en adhesivo y cera son transportadas a las formadoras. La línea de formación esta compuesta por tres formadoras, dos formadoras de superficie y una de centro. Cada una de estas unidades tiene como objetivo entregar y orientar la cantidad de material necesario para la formación de los tableros.

En el interior de estas máquinas se encuentra un sistema de discos distribuidores, los cuales a medida que reciben las hojuelas las orientan sobre la malla de formación, la orientación alternada de las tres capas de hojuelas define una estructura estable y mecánicamente resistente, lo que le confiere la calidad de estructural al tablero.

2.2.11-Prensado.

El proceso de formación es continuo, lo cual permite preparar la carga de los ocho pisos de la prensa. El prensado se realiza con las siguientes características; el tiempo del ciclo de prensado varia entre 120 y 480 segundos, según el espesor del tablero, la temperatura va desde 200 a 230 ºC y la presión especifica de 35 kg/cm2. Dependiendo del tipo de producto a fabricar, se aplica o no una lámina de papel Siding que será adherida por termofusión al tablero.

Luego mediante una torre de ocho pisos se realiza de forma continua el carguío de la prensa. Al mismo tiempo, una torre de descarga retira igual cantidad de unidades de material prensado. De esta forma, una vez concluido el proceso de prensado salen ocho formatos de 2,5 mt * 5,0 mt.

2.2.12-Escuadrado.

Los ocho formatos de 2,5 mt * 5,0 mt son seccionados longitudinalmente y transversalmente para dar como producto terminado cuatro tableros (por piso de la prensa), de 1,22 mt * 2,44 mt, es decir 32 tableros por cada prensada.

2.2.13-Terminación y embalaje.

Una vez dimensionados los tableros estos son llevados (en paquetes normalizados en altura) al área de terminación, donde una vez controlada su calidad, espesor y según tipo de producto son pintados los cantos, etiquetados y timbrados para su posterior despacho. (Manual de control de calidad QMS, 2003).

2.3. Estabilidad dimensional y variables que la afectan.

En este punto se hará una revisión breve de los aspectos más importantes que pueden afectar las propiedades dimensionales de los tableros.

2.3.1- Estabilidad dimensional en madera sólida.

Para comprender el comportamiento de la madera en cuanto a su estabilidad dimensional, se debe tener presente que es un material sólido, poroso, heterogéneo, anisótropo, e higroscópico.

De acuerdo con Díaz-vaz (2003) el carácter sólido de la estructura lignocelulósica lo proporcionan las células que la componen. Las células están formadas por una pared celular y un lumen. Por la existencia de los lúmenes y de los espacios intercelulares, la madera es un material poroso.

La característica de material heterogéneo, tan típica en la madera, proviene de las células vegetales que la constituyen y que varían en cuanto a la forma, dimensión, orientación, composición química y ultra-estructura. La heterogeneidad de la madera se manifiesta tanto en el plano transversal, como longitudinal radial y longitudinal tangencial (Díaz-vaz, 2003).

La madera es anisótropa, vale decir, presenta un comportamiento desigual en el plano transversal, longitudinal radial y longitudinal tangencial. Esta característica se manifiesta en muchos de los productos fabricados con madera (Díaz-vaz, 2003).

La madera al estar compuesta en un 50% de celulosa, el cual es un material poroso e higroscópico, le entrega esta propiedad a la madera. Esta característica corresponde a la capacidad de absorber o perder humedad en función de la humedad existente en el ambiente, lo cual le produce cambios dimensionales a este material.

Los cambios de humedad en la madera se traducen en contracciones o hinchamientos. La contracción en la madera, es una propiedad que se manifiesta durante el secado en cámaras, o por pérdida de humedad con el ambiente, lo que provoca una reducción de las dimensiones.

Las contracciones en una sección transversal no son uniformes. Las contracciones radiales, es decir, en el sentido del radio del árbol, son menores que las contracciones tangenciales o sea, en el sentido de las tangentes a los anillos de crecimiento. Proporcionalmente, como un promedio de todas las especies, la contracción en las tres direcciones principales (tangencial, radial, longitudinal) tiene una razón de 100:50:1 aproximadamente (Pérez, 1983).

Se debe tener en cuenta que la magnitud de las variaciones dimensionales es específica de cada especie. Las maderas más relevantes en el caso de los tableros OSB son Pino insigne, Roble, Coigüe, presentando dichas especies contracciones volumétricas aproximadas de 11,2 %, 12,9% y 18,2% respectivamente (Pérez, 1978). La inestabilidad dimensional es una de las características más indeseables de la madera y es la responsable en gran medida, de los inconvenientes y dificultades que se encuentran con ella en la construcción.

2.3.2.- Estabilidad dimensional en tableros.

Los tableros son higroscópicamente y dimensionalmente inestables cuando están expuestos al vapor de agua o a agua líquida. Esto se debe a que el material con el que son fabricados (partículas, fibras, hojuelas) posee propiedades higroscópicas similares a la madera sólida. Estos al absorber humedad desde la atmósfera aumentan su volumen y sin embargo al estar secos no retornan a su estado original (Kelly, 1977).

Se han realizado varios tratamientos para reducir la inestabilidad dimensional de los tableros. Los primeros estudios se realizaron en madera sólida, obteniéndose mejoras sustanciales. Estos tratamientos químicos evitan la pudrición, absorción de humedad y retardan la acción del fuego (Youngquist, et al. 1986).

Uno de los tratamientos aplicados es la Acetilación, que reemplaza los grupos hidroxilos de la madera por grupos acetilos, los cuales son menos higroscópicos.

Youngquist, et al (1986), realizaron un tratamiento químico con anhídrido acético y xileno, donde ocuparon partículas y madera sólida de abedul y pino oregón. Las mediciones se realizaron bajo inmersión de agua por un tiempo de 10 días y por exposición a 90% de humedad relativa en cámara de clima por 20 días. Los resultados obtenidos fueron motivantes, las partículas acetiladas de 15% a 20% con respecto a su peso, absorbieron 50% menos líquido y redujeron su hinchamiento en el espesor hasta en un 70% con respecto a las probetas de control. Los resultados obtenidos en una cámara de clima fueron similares a los de inmersión, las partículas acetiladas se hincharon en el espesor en un 5% respecto de su peso anhidro comparado con las probetas de control sin acetilar que se hincharon en un 20% respecto de su peso anhidro.

Los tratamientos como la acetilación de las partículas, son prometedores, pero aun no aplicables a nivel industrial.

A diferencia de los distintos tipos de tableros (partículas, fibras), los OSB sufren menores cambios dimensionales. Esto quiere decir que su estabilidad dimensional, el grado en que un material conserva sus dimensiones al quedar expuesto a distintas condiciones de temperatura y humedad, es mayor y esto se debe a la orientación que se le da a las capas tanto perpendiculares como paralelas al eje en la etapa de formación, produciendo un mejoramiento en todas las propiedades del tablero.

2.3.3.- Expansión lineal y variables que la afectan.

Los tableros OSB, sufren un aumento de las dimensiones en el sentido paralelo y perpendicular al eje.

El aumento de la longitud o ancho se denomina Expansión lineal. En los tableros OSB es evaluada generalmente midiendo el aumento de la longitud, provocado por un cambio en la condición de la humedad (APA, 1994).

La mayor expansión se produce en el sentido perpendicular al eje del tablero. Esto se debe a que los tableros salen de la línea de producción con una humedad de 2 a 3% y son expuestos a humedades mayores cuando se instalan en las construcciones, por lo tanto absorben humedad desde el ambiente produciéndose un hinchamiento en el espesor y la expansión lineal paralela y perpendicular. Para minimizar este efecto los tableros se deben climatizar antes de ser entregados a los clientes.

También influye sobre la expansión lineal la densidad de las especies que se utilicen en la fabricación del tablero. Si se fabrica el tablero con especies nativas como el Roble y el Coigüe, que poseen una alta densidad, se está incorporando madera que sufre cambios dimensionales mayores, a las de otras especies de menor densidad, viéndose esto reflejado en la estabilidad dimensional de los tableros.

Debe tenerse presente que la contracción tangencial es la que tiene directa relación con los cambios dimensionales en el ancho del tablero y con la expansión lineal que se determina en laboratorio.

La densidad de la madera no solo afecta las propiedades del tableros, sino que además influye sobre el proceso en general (Poblete, 2001).

Cuando se cambia la densidad de la madera, en el proceso es necesario realizar un ajuste en la compactación de la estera si se desea mantener constante la densidad final del tablero. Sin embargo, las características de los tableros producidos con diferentes densidades de madera y grado de compactación, serán distintas, aun cuando la densidad del tableros permanezca constante (Kelly, 1977).

La densidad del tablero es otro factor que influye en los cambios dimensionales, esto esta directamente relacionado con la razón de compresión (RC), que corresponde al cuociente entre la densidad del tablero y la densidad de la madera. Una mayor compresión permite un mejor contacto entre las partículas y una mayor eficiencia del adhesivo. Sin importar la densidad de la especie empleada, la razón de compresión siempre debe ser mayor a 1. Cuando la RC es menor a 1, el tablero tiene una densidad menor a la densidad de la madera utilizada y no habrá compactación del material. En general es recomendable lograr valores entre 1,5 y 2,2 (Poblete, 2001).

Cuando se fabrican tableros con la misma especie y diferentes densidades finales del tablero, se puede observar que los tableros de densidad mayor sufren mayores cambios dimensionales. Esto se puede deber a que sufre una mayor compactación, lo cual provoca que al ser sometidos a distintas condiciones climáticas, liberan mayores tensiones, por lo tanto se producen mayores cambios dimensionales en el tablero.

2.4.- Hinchamiento y variable que la afectan

Los tableros al ser sometidos a ambientes cada vez más húmedos se producen en estos cambios dimensionales mayores.

El hinchamiento refleja la estabilidad dimensional del espesor del tablero ante variaciones de las condiciones de humedad ambiental. El aumento del espesor se expresa como porcentaje y se define como hinchamiento. (Poblete, 2001).

Moslemi (1974), señala que el hinchamiento en los tableros puede ser tres veces mayor al de la madera.

Kollmann et al. (1975), compararon gráficamente la estabilidad dimensional de los tableros de partículas con la de la madera sólida de pino encontrando que el hinchamiento en el espesor del tablero fue mucho mayor que el hinchamiento tangencial de la madera sólida.

Esta variable entrega información sobre la efectividad de los hidrófobos que se le agregan al tablero, ya que estos retardan la absorción de agua, cuando estos están siendo sometidos a diferentes contenidos de humedad.

El hinchamiento también se ve afectado por la densidad de la madera, ya que está relacionado con las contracciones radiales de esta.

3. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN

Para lograr los objetivos planteados se utilizaron los siguientes materiales y metodología que a continuación se detallan.

3.1.- Materiales

Madera: hojuelas de especies nativas y de pino.

Adhesivos: resina fenólica para las capas superficiales y MDI para la capa de centro. Tableros: se fabricaron 25 tableros en total, con diferentes mezclas de especies, como se indica en el cuadro Nº 1.

Cuadro Nº 1: Mezclas para fabricación tableros.

La fabricación de los tableros se realizó bajo las siguientes condiciones:

• Resina Superficie Fenólica (3,8%, diluida al 43%).

• Resina Centro MDI (2,0%).

• Espesor 7/16" (11,1mm).

• Densidad 670 Kg. /m3.

• Temperatura 210 – 220 0C.

• Tiempo de prensado 3 min.

3.2.- Equipos experimentales.

• Taladro: este se utilizó para realizar las perforaciones de las probetas a una distancia de una pulgada del borde donde son colocados los eyelettes. Estas perforaciones se realizaron con un drill de ¼ de pulgada.

Figura N°1: Taladro.

• Eyelettes: ojales de metal de tamaño superior al espesor de las probetas, los cuales son colocados en las perforaciones de los extremos de la probeta, estos sirven para poder realizar las mediciones siempre en el mismo lugar.

Figura N°2: Eyelettes

• Plataforma de medición: en esta plataforma se colocan las probetas, las cuales son aplastadas para mantenerlas sujetas en el momento de la medición, es accionada por medio de aire a presión de 50 psi.

Figura N°3: Plataforma de medición.

• Dial para medición de expansión lineal: este instrumento sirve para medir cuanto se expande la probeta luego de ser sometida a diferentes humedades. Este instrumento se encuentra calibrado cuando el reloj de medición marca 0.600 pulgadas y tiene una precisión de 0.001 pulgadas.

Figura N°4: Dial medición expansión lineal.

• Estanque de vacío: se utilizó para realizar el tratamiento de expansión lineal total.

Este equipo trabaja con una presión de vacío de 30 bar, posee una capacidad de 100 litros y logra una temperatura de 99 ºC.

Figura N°5: Estanque de vacío.

• Cámara de climatizado: fue utilizada para climatizar las probetas a diferentes contenidos de humedad. Es una cámara marca Heraus, modelo HP2 50/s-DV, los rangos de humedad relativa son entre 90-40% con una precisión de +/- 3% y la temperatura fluctúa entre 10-45ºC y con una precisión +/-3ºC.

Figura N°6: Cámara de climatizado.

• Estufa: se utilizó para el secado de las muestras hasta llevarlas a peso anhídro.

La marca de esta estufa es Heraus, modelo UT 20, alcanzando una temperatura de 250ºC con una precisión de +/-3ºC.

Figura N°7: Estufa.

• Medidor lineal de espesor Mitutoyo: fue utilizado para medir el espesor de las probetas luego de cada clima. Modelo LG 130, conectado a un display digital Mitutoyo, este instrumento posee una precisión de 0.001mm.

Figura N°8: Medidor lineal de espesor Mitutoyo.

• Cajón formador: este consiste en un cajón que en su interior se coloca una reja para poder darle la orientación a las capas del tablero, que mide 40cm *40cm.

Figura N°9: Cajón formador.

• Prensa: se utilizó para darle el ciclo de prensado requerido por los tableros.

Marca Dumont Chile con rangos de presión entre 0 – 200 bar y temperatura entre 0 – 400 °C.

Figura N°10: Prensa.

• Encoladora de tambor: esta se utilizó para encolar por medio de atomización la resina a las hojuelas. Este equipo consta de un tambor giratorio y un equipo externo en el cual se encuentran las boquillas, mangueras y recipientes para el adhesivo.

Figura N°11: Encoladora de tambor y sistema de pulverización.

3.3.- Metodología.

De cada tablero se obtuvieron 4 probetas de 76.2mm*304.8mm y 11mm de espesor. En total se evaluaron 100 probetas, estas fueron climatizadas y luego se les realizó el tratamiento de vacío – presión.

Los ensayos se realizaron bajo la Norma APA PRP 108, test Método P-1 procedimiento A, según la descripción que se entrega a continuación.

3.3.1. Evaluación de Expansión total al vacío.

Las probetas de ensayo son colocadas en estufa a 103 ± 2 ºC por 24 horas, luego de transcurrido este tiempo se mide el espesor, el peso y su expansión lineal para poder obtener los valores correspondientes al estado seco.

Después se colocan en el estanque al vacío en agua por 1 hora con una presión de 25 mmHg y una temperatura de 18 ± 5 ºC. Las probetas se dejan por 2 horas más sumergidas en el estanque sin presión, luego se retiran y estilan para su medición.

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