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Marcos M. González PeñaMarcos M. González Peña
XLV Reunión Nacional de Investigación PecuariaIV Reunión Nacional de Innovación Agrícola y Forestal
Saltillo, Coahuila, 22 octubre 2009
Nuevas tecnologías para la Nuevas tecnologías para la protección de la maderaprotección de la madera
ContenidoContenido
IntroducciónPreservadores tradicionales de la madera: el ocasoLos nuevos preservadores de la madera Nuevos tecnologías para la protección de la madera– Furfurilación– Acetilización– Modificación térmica de la madera
Perspectivas de implementación en MéxicoConclusiones
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IntroducciónIntroducción
La protección de la madera es requerida– En exteriores– Contacto con el suelo– Ambientes marinos
Muchos preservadores tradicionales– CCA, PCP, creosota, …
Problema: la toxicidad
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Preservadores tradicionalesPreservadores tradicionales
Creosota– Prohibido en UE, 15% del mercado en EUA– Reducción del 50% en Japón en los últimos 10 años
Pentaclorofenol– Prohibido en UE, India e Indonesia; no se usa en Japón– Sólo fabricantes certificados en EUA, 5% del mercado
Arsenato de cobre cromado (CCA)– El mejor preservador hasta la fecha – El problema: el cromo y particularmente el arsénico– Restricciones para la disposición final en la UE
No se permite enviar a relleno sanitario Prohibido incinerar al aire libreNo se puede reciclar
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Consumo del CCAConsumo del CCA
México
Sin regulación para la comercialización
Sin lineamientos para la disposición final
Unión Europea
Directiva 76-769-EEC (y 8a enmienda 89/677/EEC) sobre la Comercialización y Uso de Biocidas, en vigor desde 2007 madera tratada con CCA = 0 m3
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EUA17.6
5.6
2.6
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
2002 2004 2007
Año
Mile
s d
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on
As
par
a C
CA
Japón298
94
3110 5 4 3 0
0
50
100
150
200
250
300
350
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Año
Mile
s m
3 t
rata
do
s co
n C
CA
Sistemas actuales y emergentes– Preservadores libres de arsénico
ACQ, MCQ
CA, MCA
– Preservadores completamente orgánicosPropiconazol
Tebuconazol
– Modificación de la maderaAcetilización
Modificación térmica …
Fotodegradación, volatilización, alto costo, especificidad, …
Mayor concentración de Cu que en CCA:- Problema similar en la disposición final - Corrosivos
Reconversión de la industriaReconversión de la industria
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La modificación de la maderaLa modificación de la madera
La alteración de la madera a nivel molecular para alcanzar una mejora en la propiedad deseada
– Activa: produce cambios químicos en la madera mediante reacciones químicas, o por medios físicos o biológicos
Acetilización Modificación térmica
– Pasiva: no se alteran los componentes químicos de la madera, pero se cambia la madera permanentemente por el tratamiento
Furfurilación, Impregnación con sustancias no tóxicas y su polimerización
Relleno dellumen
Relleno depared celular
Reaccióncon hidroxilos
Entrecruza-miento dehidroxilos
Alteración de la pared celular
PASIVA ACTIVA
Relleno dellumen
Relleno depared celular
Reaccióncon hidroxilos
Entrecruza-miento dehidroxilos
Alteración de la pared celular
PASIVA ACTIVA
Relleno dellumen
Relleno depared celular
Reaccióncon hidroxilos
Entrecruza-miento dehidroxilos
Alteración de la pared celular
PASIVA ACTIVA
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Requerimientos para la Requerimientos para la modificación de la maderamodificación de la madera
Esencial: que la madera modificada no exhiba toxicidad en servicio
Si se busca la resistencia biológica, el modo de acción no debe ser venenoso
No liberar materiales tóxicos al final de su vida útil
Combustible Composta Reciclaje e.g. en tableros aglomerados
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Los procesos comercialesLos procesos comerciales
1. Furfurilación
2. Acetilización
3. Modificación térmica de la madera
Otros procesos más pequeños:
- DMDHEU (dimetilol dihdroxilo etileno urea)
- Indurite, Lignia, Vecowood, …
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Madera tratada en la UEMadera tratada en la UE
Fuente: Sutie E, Englund F (2008) Market challenges - Outcome of a questionnaire. Cost action E37 Sustainability through new technologies for enhanced wood durability
100 100
68
3832
62
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
2008 2025
Año
% d
e ut
iliza
ción
Total
Preservadatradicional
Maderamodificada
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1. Furfurilación1. Furfurilación
El proceso se desarrolló en los 1940’s, sin aplicación comercial
Problema con heterogeneidad del tratamiento: resuelto en los 1990’s
Primer planta piloto establecida por Wood Polymer Technologies ASA, en Porsgrunn, Noruega, en 2004
Capacidad: 3,000 m3/año
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1. Furfurilación (cont.)1. Furfurilación (cont.)
Actualmente se fabrica y comercializa por Kebony ASA, Noruega
Nueva planta en Skien, en operación desde Nov 2008
Capacidad: 20,000 m3/año
Inversión: € 22 millones
Procesa maderas duras y blandas
Otra fábrica en Letonia para fabricar pisos. 500 m3/año
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1. Furfurilación (cont.)1. Furfurilación (cont.)
Proceso simple– Preparación de la mezcla
Alcohol furfurilo (monómero)
Ácido cítrico (catalizador)
Anhídrido maleico (catalizador)
Etanol (pH buffer)
Agua (solvente)
– Impregnación (vacío-presión), en instalación convencional de impregnación
– Curado y secado a 103°C (con vacío en las hojosas a más baja tempratura)
– La madera se torna oscura
AF
Conden-sados
Mezclado
Buffer
Impregnación
Curado
Secado
Agua y otros químicos
separador
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1. Furfurilación (cont.)1. Furfurilación (cont.)
Materia prima para producir alcohol furfurilo– Bagazo de la caña de azúcar – Olotes de maíz– Residuos de madera
Reacción
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1. Furfurilación (cont.)1. Furfurilación (cont.)Productos– Kebony Pino – Kebony Haya – Kebony Maple– Kebony PAS
Dos líneas, dependiendo del peso– Kebony 100 (para exteriores)
Alta durabilidad (Clase 1)Muy oscura, aunque varía con sppAlta estabilidad dimensional
– Kebony 30 (para interiores)Menor durabilidad y estabilidad dimensionalColor menos oscuro
Precio en el mercado – US $ 4,000 - 14,000 /m3
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1. Furfurilación (cont.)1. Furfurilación (cont.)
Aplicaciones– Interiores
MobiliarioCubiertasPisos y lambrinesVentanas y puertas
– Exteriores80% producción decks y lambrines exterioresMuelles Cubiertas en yates (para remplazar teca)
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2. Acetilización2. Acetilización
Primeros estudios: 1928 por Fuchs, muy estudiado en siglo XX
Titan Wood: producción en planta piloto y mercadeo d. 2003
Producción comercial – Inició en 2007
– Capacidad de 30,000 m3/año, en Arnhem, Holanda.
– Producción vendida 2 años por adelantado (Accoya®)
– Pinus radiata hasta de 100 mm de espesor
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Autopista A7, Sneek, Holanda
Glulam de madera acetilada
Pinus radiata
Inagurado diciembre 2008
Tjeerdsma & Bongers (2009) The Making of a Traffic Timber Bridge of Acetylated Radiata Pine. 4th European Conference on Wood Modification18
Proyecto de lambrines exteriores Fife (GB)
Proyecto de carpintería Den Haag (Holanda)
Oficinas Titan Wood (Holanda)
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2. Acetilización (cont.)2. Acetilización (cont.)
Titan Wood: nueva planta en construcción, Nanjing, China – Capacidad de 300,000 m3/año– Inicio de operaciones en 2011– Compañía: DiamondWood
Titan Wood: otros contratos de manufactura y de distribución:– Chile
Eastman: planta piloto en EUA para la acetilización de la madera– Trámite ante autoridades en EUA para usarlo en edificación– No han decidido comercializarlo por la problemática actual
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Involucra la reacción con los grupos hidroxilo
Reacción química con los polímeros de la pared celular: lignina > hemicelulosas > celulosa
Se requiere la penetración del anhídrido a la pared celular spp. permeables
2. Acetilización (cont.)2. Acetilización (cont.)
maderaanhídridoacético
madera acetilada
ácidoacético
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2. Acetilización: proceso2. Acetilización: procesoProceso simple – Impregnación de la
madera con el anhídrido vacío – presión
– Reacción a 115°C– Lavar el producto con
impregnaciones de agua Remover residuos del producto: ácido acético y anhídrido sin reaccionar
– Secar a 105°C– Acondicionar con vapor
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Reducción en la higroscopicidad– Mejor desempeño mecánico
Incremento estabilidad dimensional, hasta 70%– Mejor desempeño de acabados semitransparentes– Mejor desempeño mecánico
Incremento en la resistencia a la pudrición– Cero pudrición una ganancia de peso del 20%
Cambios de color insignificantes
Reducción mínima de propiedades mecánicas
2. Acetilización: propiedades2. Acetilización: propiedades
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2. Acetilización2. Acetilización
Usos potenciales– Todas las aplicaciones exteriores estructurales y
no estructurales – Mercado objetivo en EUA: decks (terrazas)
Costos de madera sólida para decks
Tipo TamañoPrecio por pie
tabla US$Participación del mercado (2005)
Tratada estandar 5/4 x 6 x 8 0.50 - 0.65 80%
Plástico-madera 5/4 x 6 x 8 2.75 - 5.90 20%
Acetilada 5/4 x 6 x 8 3.50 - 4.50 0%
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3. Modificación térmica3. Modificación térmicaLos primeros estudios datan de 1916. No hubo interés comercial hasta el problema en el uso de preservadores
La tecnología a nivel comercial se ha desarrollado en Europa: Finlandia, Holanda, Francia, Alemania (Austria y Dinamarca)
El tratamiento térmico se aplica en estufas similares a las de secado, pero para alta temperatura. Es como hornear la madera, o en reactores (con aceite vegetal)
En ambiente gaseoso, la atmósfera consiste de vapor de agua, N2, los gases de la pirólosis, o al vacío
Temperatura del proceso: de 180°C a 250°C
El proceso:
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3. Modificación térmica3. Modificación térmica
Planta piloto en U. de Saint Etiene, Francia
220°C en una atmósfera de nitrógeno
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3. Modificación térmica3. Modificación térmicaSecuela típica del proceso ThermoWood– Proceso de un solo paso– Medio para excluir el oxígeno: vapor
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secado a altatemperatura
tratamiento térmico
acondicionamiento
Fase 1 Fase 2 Fase 3
3. Modificación térmica3. Modificación térmica
Capacidad instalada en Europa 2009
Producción Europa 2008: ~ 140,000 m3
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País / Zona
Escandinavia 90,000
Alemania, Austria, Suiza 50,000
Holanda 30,000
Países Bálticos 8,000
Total
Capacidad instalada
(m3)
178,000 m3
BrasilBrasilEmpresa: FLORESTECAProceso: ThermoWood® Marca: Thermoteak Inicio: 2007 Producto: Decks Mercado: Alemania Objetivo: homogenizar color
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3. Modificación térmica3. Modificación térmica
Producción de la Asociación ThermoWood
Fuente: ThermoWood Association www.thermowood.fi30
18.8
24.621.6
31.1
39.3
56.3
72.5
79.4
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
Año
mil
es
m3
Especies
51%
41%
3%
1%
4%
Pino
Abeto
Álamo
Abedúl
Otros
3. Modificación térmica3. Modificación térmica
Materia prima– Especies impermeables: factible– Calidad del producto final: en función de la
calidad de la materia prima– No recomendado para productos de más de
2” de espesor, especialmente hojosas– Más información técnica introductoria:
Norma Europea: CEN/TS 15679:2007. La madera modificada térmicamente. Definiciones y características.
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3. Modificación térmica3. Modificación térmica
Modificación en la composición química
La madera cambia de color en todo el espesor
Se reduce la higroscopicidad– Resistencia a la biodegradación– Estabilidad dimensional
Varias ventajas ambientales– Menor emisión de VOC’s en servicio– Menor eco-toxicidad que muchos
materiales de construcción– Mejor ECV que la madera no tratada
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3. Modificación térmica3. Modificación térmicaDesventajas– Propiedades mecánicas cambian; algunas se reducen– Mayor variabilidad en algunas propiedades mecánicas– Algunos aspectos del maquinado son problemáticos
Aspectos neutros– No se mejora su desempeño ante el fuego – No se incrementa la resistencia al ataque por termitas
o barrenadores marinos (ascomicetos: incierto)
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Aplicaciones actuales MMTAplicaciones actuales MMT
Recubrimientos y lambrines exteriores
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The Princess Royal Sports Arena, Boston, Inglaterra
Material: Pino Thermo-D (Finlandia)
©Thermowood Assoc.
Aplicaciones Aplicaciones ……
Material: PLATO® WOOD (Holanda)
Desarrollo habitacional, Zeist, Holanda
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Aplicaciones Aplicaciones ……
Celosías
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Aplicaciones …
Otros– Decks y juegos infantiles– Mobiliario exterior– Barreras contra ruido – Puertas y ventanas – Saunas – Pisos y lambrines interiores
Haya
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Holiwood Project
Edificio piloto para el sistema eco²building
Eine Welt Handel AG, Niklasdorf, Austria
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3. Modificación térmica3. Modificación térmica
Costo del proceso
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Proceso PaísMedio de
tratamientoCosto / m3
(pesos)
MenzHolz Alemania Aceite 1100-1600
Perdure Canadá Vapor 1800
ThermoWood Finlandia Vapor 1800 - 2700
Plato* Holanda Gases - vapor 2700
Retification Francia Nitrogeno 2700 - 3000
ThermHolz Austria Gases pirólisis nd* Dos fases
Proyecto MMT para demostraciónProyecto MMT para demostración
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Estufa ThermoWood Horno para cerámica Capacidad 1 m3
± $ 200,000 pesos Adaptación casera
para suministrar vapor
La fase gaseosa se ventea por la chimenea
Especies: pino, haya, fresno, encino
Hoy: 3 estufas de 3 a 5 m3 capacidad
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Desarrollo de un nuevo productoDesarrollo de un nuevo producto
Idealmente: abastecer la madera de bosques con manejo certificado (FSC)Asegurar la diferenciación del producto de los preservadores químicosControlar técnicamente las posibilidades del producto, la calidad, y la certificación tanto del proceso y como de la MMTDesarrollo de proyectos demostrativos donde se exhiban las ventajas del nuevo producto. Con socios desde el inicio:
Industriales de materias primas conexasProductores de bienes terminados
Establecer mecanismos de soporte técnico al productor y/o al consumidor
Material
Sistema
Producto
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Recursos humanos MO calificada ‘Know how’
Perspectivas en MéxicoPerspectivas en México
Materias primas madera químicos
energéticos
CoyunturaTendenciasambientales
Mercado tamaño cercanía
Tecnología:patrimonio universal
Modificación de la madera
Asociados industrias conexas productores finales
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ConclusionesConclusiones
Desarrollo de nuevas tecnologías para la protección de la madera auspiciado por las restricciones en el uso de preservadores;
Modificación de la madera: método ambientalmente aceptable de mejorar las propiedades y el desempeño de la madera;
Modificación de la madera: no sólo resistencia a la biodegradación, sino estabilidad dimensional, estético, repelencia al agua, y dureza;
La visión de la modificación de la madera ha cambiado de la protección de la madera hacia la sustitución de importaciones;
Existen los elementos tecnológicos y un potencial comercial significativo para realizar la modificación de la madera en México.
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