Universidad Nacional de Misiones Facultad de Artes

Fisicoquímica Aplicada Diseño Industrial Año 2010

Materiales Compuestos: Madera

EstructuraLa madera es uno de los materiales más antiguos utilizados por el hombre y aún hoy, aunque

ha sido reemplazada en muchos campos, su producción y consumo es uno de los mayores de todos los materiales.

Actualmente, la madera tiene un nuevo valor en el campo del Diseño Industrial, ya que su producción puede realizarse en forma sustentable, si se toman las medidas necesarias.

El material se obtiene del crecimiento de árboles de dos divisiones de los vegetales, las gimnospermas o coníferas, que característicamente producen madera blanda, y las angiospermas o frondosas, que se destacan por tener vasos y frutos verdaderos, ser más evolucionadas con tejidos especializados, y producen en general madera dura.

La estructura del tronco o fuste, de donde se obtiene la madera, es la siguiente:

La corteza es una estructura que protege en su parte externa al árbol de las influencias ambientales. En su parte interna se sitúa el floema, que distribuye la savia elaborada a todos los tejidos. A continuación se encuentra el cambium, que tiene funciones reproductivas y envuelve a la xilema o madera como un guante envuelve una mano.

Finalmente, la zona de mayor interés para nosotros, la madera propiamente dicha, está dividida en la albura o madera joven, encargada de la conducción de la savia bruta a las hojas. Finalmente, la parte más apreciada de la madera, el duramen, consta de fibras sin capacidad de conducción, que cumple funciones de sostén, y tiene mayor resistencia que la albura. En el centro del árbol se encuentra una zona de tejido blando, núcleo o médula, que es un defecto para propósitos industriales, y que constituye la fase primaria de crecimiento del árbol.

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Fisicoquímica Aplicada Diseño Industrial Año 2010Constitución Química

La madera es una matriz compuesta, que puede considerarse como una base de lignina reforzada con celulosa.

La celulosa es el compuesto orgánico más abundante en la tierra, y representa el 50% del peso seco de la madera. Es un polímero natural, una cadena de unidades de glucosa unidos por un enlace 1-4βacetal, con un grado de polimerización que oscila entre 2000 a 26000 unidades. Debido a que estos enlaces son covalentes (como vimos anteriormente, enlaces que son altamente direccionales y fuertes), la molécula es lineal y presenta gran resistencia a la compresión, característica que influye en su comportamiento mecánico.

El siguiente compuesto en importancia en la madera es la lignina, que es una gran molécula con gran cantidad de enlaces aromáticos, hidrofóbica, que se sitúa en las paredes celulares, sobre todo en la parte externa, ayudando a la conducción del agua y ligando entre sí las fibrillas de celulosa, mediante enlaces covalentes con la hemicelulosa, que es un polímero de bajo peso molecular y composición variable.

Propiedades Físicas

Como consecuencia de su composición química, la madera es un material anisótropo, que tiene propiedades diferentes según el eje que se considere, lo cual afecta sus dimensiones durante el secado.

Es importante conocer el contenido de humedad de la madera, ya que influye en su peso y otras propiedades como peso específico, resistencia mecánica, retracción e hinchamiento y el ataque de hongos xilófagos e insectos.

El agua se encuentra en la madera en tres formas:1. Agua libre: es el agua que se encuentra contenida en los lúmenes celulares; ésta puede

retirarse sin afectar las dimensiones de la madera mediante el secado2. Agua higroscópica: es agua que embebe las paredes celulares, si seguimos secando la

madera luego del punto de saturación de fibras, que es de aproximadamente 30% de humedad, la madera se contrae, en forma distinta según la dirección, en forma longitudinal lo hace entre el 0,1% y el 0,3%; en forma radial entre el 5% al 7% y en forma tangencial entre 12% a 15%

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Fisicoquímica Aplicada Diseño Industrial Año 20103. Agua de constitución: cuando se seca la madera en un horno a 105ºC, se alcanza un punto en

el cual el peso permanece constante, quedando todavía entre el 0,5% y el 1% de humedad, es agua que no puede eliminarse sin calcinar el material.La humedad se mide como el peso de agua respecto al peso de la madera, esta última puede

tomarse seca o húmeda, dando lugar a la humedad en base seca y base húmeda. Si bien la convención establece que se tome en base seca, en la práctica se hace en base húmeda porque brinda la cantidad de agua de la madera.

donde:CHbs = contenido humedad base seca; CHbh = contenido de humedad base húmedaPA = peso anhidro de la muestra; Ph = Peso húmedo de la muestra; ΔP = Diferencia entre peso de la muestra húmeda y peso anhidro

El peso específico es la relación entre el peso y el volumen. Como la madera es un material poroso, debería tomarse el volumen libre de aire. Si pulverizamos la madera, y obtenemos su volumen, el peso específico de todas las especies se aproxima a 1,53 g/cm3. Sin embargo, es usual tomar el peso específico aparente, realizando el cociente entre el peso de la madera anhidra y su volumen en condiciones determinadas.

De esta manera, las maderas blandas tienen pesos específicos de entre 0,4 y 0,7 g/cm 3 y las madera duras, de entre 0,7 a 1,1 g/cm3.

Propiedades Mecánicas, Sensoriales, Ecológicas

Realizando un análisis comparativo con otras familias de materiales, la madera presenta una buena resistencia a la compresión, rigidez y dureza para una densidad mediana.

Presenta buenas características sensoriales, asociándose con texturas agradables y aspecto visual y táctil cálido. Proporciona una sensación de trabajo artesanal y tradición.

Sus propiedades ecológicas lo hacen de nuevo un material deseable para el diseño, poniendo cuidado en que su producción se realice en forma sustentable, minimizando la producción de CO2. Su energía almacenada es de las más bajas entre las familias de compuestos.

La madera sin embargo, al ser un material anisótropo es difícil de utilizar en muchas aplicaciones, se realizan productos que tienden a minimizar estos efectos, pero en general lo hacen con mayor proceso y utilización de pegamento, lo cual lo hace indeseable desde el punto de vista ecológico.Bibliografía y sitios web, consulta:

Fundamentos de la ciencia e ingeniería de los materiales, Smith Hashemi, Mc Graw-Hill, disponible en la biblioteca de la facultad

Wood Handbook – Wood as Engineering Material – United States Department of Agriculture (1999) – Disponible en www.fpl.fs.fed.us/publications

www. Grantadesign.com Materialoteca (MAT) – Proyecto de investigación de la Facultad de Artes – Espacio INN

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