Publicación sobre Investigación, Desarrollo Tecnológico, e Innovación, del Instituto Tecnológico del Mueble, Madera, Embalaje y Afines

INFORMANº 73 · CUARTO TRIMESTRE· 2014

Primera unión universal paraconstrucciones en madera

• El sector del mueble se está fortaleciendo de nuevo• Control de contaminación para reciclar envases con sustancias peligrosas• Gestión de la innovación y mejora de los procesos de producción: BIVEE• Herramientas avanzadas para el diagnóstico de la salud del arbolado• La madera frente al fuego, determinación de su estado tras un siniestro• El Laboratorio de Embalaje y Transporte de AIDIMA amplía sus acreditaciones• Nueva Ley de Prevención, Calidad y Control Ambiental de Actividades• FUNES definirá las nuevas competencias de los trabajadores del sector• Medalla a título póstumo al Mérito del Comercio a Víctor Grafiá Miravalls

• El sector del mueble se está fortaleciendo de nuevo• Control de contaminación para reciclar envases con sustancias peligrosas• Gestión de la innovación y mejora de los procesos de producción: BIVEE• Herramientas avanzadas para el diagnóstico de la salud del arbolado• La madera frente al fuego, determinación de su estado tras un siniestro• El Laboratorio de Embalaje y Transporte de AIDIMA amplía sus acreditaciones• Nueva Ley de Prevención, Calidad y Control Ambiental de Actividades• FUNES definirá las nuevas competencias de los trabajadores del sector• Medalla a título póstumo al Mérito del Comercio a Víctor Grafiá Miravalls

CELLUWOOD desarrolla vigas ecológicas con prestaciones mecánicas y dimensionales muy superiores a las actuales

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

■ Miguel Ángel Abián

Dpto. de Tecnología y Biotecnología de la Madera

En diciembre de 2014 ha finalizado la tercera y última 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, también cofinanciada por fondos europeos FEDER. También cofinanció las anualidades 2012 y 2013. El proyecto está también cofinanciado por el programa Eco-innovation First Application and Market Replication Projects, promovido por la Comisión Europea para la eliminación y reducción del impacto ambiental y el uso óptimo de los recursos, mediante soluciones “eco-innovadoras” en procesos, técnicas, servicios, productos o tecnologías. Todo ello está encaminado a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. El proyecto europeo CELLUWOOD está formado por un consorcio internacional al que pertenece AIDIMA, la Universidad de Brunel (Reino Unido), Chimar Hellas (Grecia), Contemporary Building Design (Eslovenia), Tecnifusta (España), InnovaWood (Bélgica) y la empresa británica InWood Developments, coordinadora de la iniciativa. Las últimas reuniones del proyecto se celebraron en AIDIMA el 7 y el 8 de julio, y en INCAFUST (Instituto Catalán de la Madera), en Gerona los días 3 y 4 de septiembre.

Reunión 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 construcción de edificios. El proyecto encaja en las líneas del Instituto Tecnológico de desarrollo de nuevos materiales derivados de la madera y de evaluación no destructiva de la madera para construcción. Los principales resultados obtenidos en el proyecto son los siguientes:

1) Se han desarrollado bioadhesivos reforzados con nanocelulosa usando tecnologías innovadoras. El bioadhesivo reforzado con nanocelulosa cumple los requisitos esperados en procesos de baja presión. 2) Se ha desarrollado con éxito una bioresina basada en lignina. Este novedoso bioadhesivo puede curar a temperatura ambiente y muestra mejor capacidad de unión que las colas comerciales. 3) Se caracterizaron estructural y climáticamente las vigas de madera laminada fabricadas con la bioresina de lignina. 4) Se desarrolló un material de relleno para el interior de columnas mediante un complicado proceso de tres pasos: mezcla de serrín, tratamiento superficial del serrín (mediante tecnología de recubrimiento por aerosol) y modificación del yeso (mediante tecnologías de superplastificación y ultrasonidos). 5) Se realizaron análisis de las vigas laminadas y de las columnas de madera mediante el método de los elementos finitos y la teoría de Euler-Bernoulli, respectivamente. Se obtuvieron unos resultados muy aproximados a la realidad, aplicando los coeficientes de seguridad habituales para madera en construcción, según establece el Código Técnico de la Edificación (CTE). 6) Se desarrolló una nueva columna ecológica híbrida de yeso/madera usando resinas y materiales desarrollados en el proyecto. 7) Se realizó un análisis 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 petroquímico, hechos con materias primas renovables, que puedan utilizarse para encolar madera. Las bioresinas son polímeros (plásticos) hechos de materiales orgánicos de origen biológico (maíz, azúcar, recursos forestales, residuos agrícolas, etc.) y que por tanto tienen una producción sostenible. No proceden del petróleo y son neutrales en cuanto al carbono (es decir, extraen tanto CO2 de la atmósfera como el que añaden). Muchísimos objetos, desde embalajes a teléfonos, pueden fabricarse con bioresinas. La sustitución de los productos derivados del petróleo 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 bioplásticos. Uno de los biadhesivos desarrollados ha sido una bioresina basada en lignina y resina fenol-

formaldehído (PF). Esta resina es efectiva, tiene un gran biocontenido y emite menos formaldehído que las colas melanina urea-formol (MUF) existentes. Además, es más económica porque la lignina es un biopolímero 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 energía. Esta bioresina presenta una capacidad de unión mejor que la de las colas comerciales MUF, es adecuada para encolar láminas de madera y ha resultado muy eficaz para obtener vigas de madera laminada encolada (glulam) más resistentes y flexibles que las actuales. Se han desarrollado también dos clases de adhesivos para madera, basados en nanocelulosa: epoxi (o poliepóxido) reforzado con nanocelulosa y caseína reforzada con nanocelulosa. Ambos adhesivos

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

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

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

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

el caso del yeso.

Inicialmente, el material de relleno tuvo una resistencia mecánica baja. Para solucionar esto se realizaron varios trabajos que incluyeron la mezcla de distintos serrines, el tratamiento superficial del serrín (mediante tecnología de recubrimiento por aerosol) y la modificación del yeso (mediante tecnologías de superplastificación y ultrasonidos). En comparación con tres clases de fibras naturales, se determinó que el serrín era la mejor selección. Se usaron 5 agentes químicos para modificar el serrín mediante tecnologías de recubrimiento de aerosol. En relación con el tradicional método de inmersión, el recubrimiento por aerosol mejora significativamente la modificación del serrín. Entre estos agentes, Na2SiO3, la caseína y el epoxi basado en agua (water based epoxy o WEP) dieron lugar a una buena mejora de la

resistencia mecánica del compuesto yeso-serrín.

Núcleo de las columnas CELLUWOOD, mezcla de serrín y yeso.

Columnas finales CELLUWOOD.

Los ensayos de resistencia a compresión con las columnas finales CELLUWOOD dieron lugar a valores de 136,2 kN, en comparación 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 común 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 flexión fue comprobada preliminarmente por AIDIMA con una prensa hidráulica y con un banco de ensayos dinámicos. Los resultados obtenidos para las vigas hechas con bioresina fueron anormalmente bajas (16-25 N/mm

2) en comparación

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

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

separación de las láminas (delaminación) por las líneas de cola de lignina. El problema aparecido fue analizado por AIDIMA mediante la realización de ensayos no destructivos mediante ultrasonidos en las líneas de cola de las vigas, así como estudiando éstas mediante estereomicrospía y mediante microscopía electrónico de barrido (Scanning Electronic Microscopy o SME).

Los resultados de los ensayos de ultrasonidos mostraron velocidades de propagación muy bajas (2100-2700 m/s en una muestra de 30 vigas) en comparación 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 líneas de cola por un mal curado de ésta. Los resultados de estereomicroscopía y de SME mostraron que en todos los puntos de las líneas analizadas aparecían cuarteamientos generalizados, que pueden deberse a una reticulación excesiva, o bien a un secado/reacción excesivamente rápido, y una gran presencia de cargas inorgánicas. Ambos hechos explican la baja resistencia estructural de las vigas iniciales.

Vista con el microscopio electrónico de barrido Phenom proG1 de una línea de cola de las vigas iniciales. Se empleó

una fuente de emisión termoiónica y se trabajó con un voltaje de aceleración de 5kV.

Los resultados de los ensayos anteriores llevaron a cambios en la formulación y en las condiciones de aplicación de la bioresina de lignina, hasta que se obtuvo una versión final que volvió a ensayarse a flexión, de forma preliminar, con resultados satisfactorios (41-53 N/mm

2 en una muestra de 15

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

AIDIMA, en colaboración con TECNIFUSTA, fabricó 20 vigas de madera laminadas, de dimensiones nominales 120 x 120 x 2200 mm. Cada viga estaba compuesta por tres láminas, encoladas mediante la versión 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 técnicas de ultrasonidos, y también de forma destructiva, siguiendo el procedimiento marcado por la última versión de la norma europea EN 408 (Estructuras de madera. Madera aserrada y madera laminada encolada para uso estructural. Determinación de algunas propiedades físicas y mecánicas).

Evaluación de vigas de forma no destructiva mediante ultrasonidos.

Máquina para el ensayo destructivo de resistencia a flexión.

Después de analizar los resultados, se concluyó que el módulo 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 módulo de rotura (MOR) o resistencia a flexión 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 mecánica 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 líneas de cola en elementos de madera laminada encolada puede determinarse mediante ensayos de esfuerzo cortante según la norma EN 392 (Madera laminada encolada. Ensayo de esfuerzo cortante en líneas de adhesivo). Para ensayar según esta norma, se cortaron 10 pequeñas 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 láminas de Picea abies con la lignina final de resina es muy efectiva.

La norma 391 (Madera laminada encolada. Ensayo de delaminación de líneas de adhesivo) es una norma de producción de madera laminada encolada, que determina si el producto es apto para salir al mercado. Especifica un método de ensayo que mide la delaminación de las líneas de cola después de un tratamiento que consiste en sumergir las muestras en agua dentro de un autoclave y luego en secarlas rápidamente a alta temperatura; es, por tanto, un método de ensayo de envejecimiento acelerado. Para ensayar según esta norma, se cortaron 10 pequeñas 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%. Después de cada uno de los 3 ciclos especificados en el Método A de la norma EN 391, el porcentaje total de delaminación y el porcentaje máximo de delaminación 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 más exigente.

Muestra de ensayo después del proceso final de secado especificado en el Método A (EN 391). No aparece delaminación en las líneas de cola.

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

Con respecto a la estabilidad dimensional, la diferencia de humedad entre láminas 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 contracción volumétrica total (10,5%) y el coeficiente de contracción volumétricas resultaron significativamente más 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 contracción, las vigas CELLUWOOD son apropiadas para uso exterior. Además, la hinchazón volumétrica total (10,17%) fue significativamente más baja que la correspondiente a la madera de abeto rojo usada para las vigas (13,20%). Con respecto a la hinchazón, las vigas CELLUWOOD son apropiadas para uso en exterior. Estructura de vigas CELLUWOOD

Para ilustrar las posibilidades de las vigas desarrolladas se realizó una pequeña estructura formada por elementos prefabricados como los que muestra la siguiente fotografía.

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

El proyecto cuenta con la páginas electrónicas www.celluwood.com y www.aidima.eu/laminated-strong-eco-material-for-building-construction-made-of-cellulose-strengthened-wood. Información adicional a través del correo electrónico redaccion@aidima.es

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