PROCEDIMIENTO PARA LA OBTENCIóN DE UN PRODUCTO TERMINADO DE MADERA APLICANDO NANOTECNOLOGíA CAMPO DE LA INVENCIóN

El objeto de Ia presente Invención es un método y un producto que permita conferir propiedades de resistencia en láminas de madera, así como una manera de conseguir un producto terminado de madera, al cual se pueda determinar las propiedades de resistencia característica a flexotracción, con el fin de ser utilizado según las diversas normas que rigen en cuanto a dureza, protección interna, etc. con bastante exactitud por medio del uso de Ia nanotecnología, por Io que al obtener un producto con un comportamiento mecánico lineal y predecible, estaríamos ante un material de construcción por excelencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

La gran variedad de usos, así como las claras ventajas que presenta Ia madera frente a otros materiales, como son su disponibilidad en diversas formas y tamaños, gran resistencia con relación al peso, facilidad de trabajo y baja conductividad térmica, entre otras, son ampliamente conocidas y han permitido que este material se destaque sobre otros. Sin embargo, Ia madera en su estado natural presenta también ciertas limitaciones que se refieren principalmente a Ia susceptibilidad de ser atacada por algunos organismos vivos que pueden causarle daños irreparables. Estos organismos, entre los que se encuentran los hongos, insectos, bacterias y taladradores marinos, necesitan condiciones favorables para su desarrollo en el interior de Ia madera, específicamente de temperatura y humedad, así como una fuente de alimentación que es proporcionada por Ia madera, por otro lado Ia madera presenta el problema adicional que no se puede determinar su factor de resistencia de materiales, ya que depende del tipo de especie que se trate.

Frente a estos potenciales peligros, surgen los métodos de protección de Ia madera incorporándole sustancias preservantes en su interior, es decir, productos químicos que no Ia dañan pero que son tóxicos para los organismos que se

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alimentan de ella. Proteger Ia madera no consiste en una protección física o mecánica superficial, hay que convertirla definitivamente en insensible a los ataques biológicos en toda Ia superficie donde se puedan desarrollar. El objetivo de un tratamiento de protección es conferir Ia mejor durabilidad posible a un producto u obra en madera.

La posibilidad de tratamiento de Ia madera está condicionada por su impregnabilidad, es decir, Ia capacidad de penetración y de circulación de los líquidos en Ia madera. Es extremadamente variable según las especies, Ia zona de madera afectada, el sentido de circulación (paralelo o perpendicular al hilo de madera) e incluso a veces, por una especie concreta, según de donde proceda o las condiciones de crecimiento.

En Ia preservación de maderas se distinguen dos métodos, los que se ejecutan con y sin presión.

En impregnación sin presión, se utilizan las propiedades de penetración y de repartición naturales del producto de tratamiento en Ia madera. Es pues, un proceso pasivo, ya que Ia cantidad de producto absorbida por Ia madera es irregular, no controlable a priori y dependiente de numerosos parámetros (especie, estado de Ia superficie, humedad de Ia madera, etc.)

Por contra, en impregnación profunda con presión, Ia penetración del producto está favorecida mecánicamente por el recurso al vacío y a Ia presión en autoclave, que es un recinto cerrado. Es un proceso dinámico por el cual es posible regular, en una cierta medida, Ia profundidad de penetración del producto, como su concentración en Ia zona tratada. Este proceso permite pues una perfecta maestría de tratamiento y una optimización de sus prestaciones, en función de las exigencias y de los riesgos unidos a Ia situación en servicio de Ia madera.

En los procesos con presión, Ia madera es impregnada en un autoclave cerrado aplicando una presión considerablemente mayor que Ia atmosférica. El proceso más conocido y empleado por Ia industria de Ia preservación se denomina célula llena o Bethell. Las fases sucesivas del proceso son las siguientes:

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• La madera previamente acondicionada (seca y con tasa de humedad inferior al 25%) se carga en un autoclave y se aplica vacío para extraer el aire desde su interior y Ia mayor cantidad posible de aire de Ia madera (vacío de al menos 85% durante 30 a 60 minutos al menos)

• El preservante a temperatura ambiente u otra temperatura, dependiendo del tratamiento, es admitido en el autoclave sin alterar el nivel de vacío.

• Una vez que el preservante llena el autoclave, se aplica presión (de 10 a 12 bares) hasta que Ia madera no tenga más capacidad de absorción o hasta Ia retención requerida de acuerdo a normas y especificaciones. La presión aplicada permite acelerar Ia absorción. Esta presión se mantiene hasta Ia saturación completa, que corresponde al llenado total de los vacíos celulares accesibles. Según las especies y las secciones, esta fase puede durar de 30 minutos a 3 horas, incluso más en ocasiones. • Posterior a Ia aplicación de Ia presión, esta es liberada y se devuelve a un estanque toda Ia solución preservante que no se inyectó en Ia madera.

• Aplicación de un vacío final, destinado a reequilibrar las presiones internas en Ia madera, a detener el alcance de aire que había sido comprimido durante Ia fase de presión y para obtener una superficie de madera resudada, sin goteo al salir del autoclave.

Los métodos de preservación sin presión son los más simples para tratar Ia madera, siendo también simples los equipos que se utilizan ya que son únicamente a presión atmosférica. Estos procesos son útiles cuando Ia situación de riesgo de Ia madera es baja y se requiere una pequeña protección. Las formas más comunes de aplicación corresponden a Ia brocha, aspersión, inmersión, baño caliente-frío y los que utilizan los fenómenos de difusión.

Una variante moderna del método de impregnación sin presión es el denominado proceso de doble vacío o "vac-vac". Esta técnica fue desarrollada para proporcionar a Ia madera un tratamiento de protección de baja profundidad, tipo "envoltorio". Este tipo de proceso es suficiente cuanto se desea entregar preservación de largo plazo, bajo condiciones de riesgo de bajo a medio, para

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productos tales como molduras, madera elaborada, puertas y ventanas en su etapa final de procesamiento. Esta característica especial del proceso lleva a optimizar el uso del preservante y a minimizar el aumento de humedad de Ia madera. El proceso de doble vacío considera las siguientes etapas:

• La madera se aloja dentro de un autoclave especialmente diseñado para el tratamiento, el cual es cerrado herméticamente.

• Se genera vacío al interior del autoclave con Ia intención de reducir en un nivel aceptable Ia cantidad de aire presente dentro de las cavidades celulares de Ia madera.

• Una vez alcanzado este punto de vacío, se procede a Ia inundación del autoclave con el preservante que va a ser absorbido por Ia madera.

• Finalizada Ia inundación del autoclave se procede a llevar el sistema a presión atmosférica hasta alcanzar un nivel de absorción deseado. « Se aplica un segundo vacío para retirar Ia solución preservante sobrante.

Cuando se aplica Ia técnica de doble vacío, el contenido de humedad de Ia madera a tratar debe estar en las mismas condiciones de humedad en Ia cual va a ser utilizada. Una vez terminado el proceso y transcurrido un breve tiempo para que se evapore el solvente orgánico, Ia madera no experimenta cambios en su contenido en humedad.

Todo producto de protección contiene necesariamente tres elementos fundamentales: materias activas, para conferir Ia eficacia biológica, un vehículo o disolvente, para transportar estas materias activas al interior de Ia madera, y principios de fijación, para asegurar el mantenimiento de Ia protección durante toda

Ia duración del servicio de Ia obra.

En cuanto a los preservantes para Ia madera conocidos actualmente, se distinguen dos grupos:

• Preservantes oleosolubles.

• Preservantes hidrosolubles.

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Dentro de los preservantes oleosolubles se encuentra Ia creosota, aceite derivado de Ia destilación del alquitrán de hulla y muy eficaz, con desventajas como su mal olor, baja pintabilidad y baja resistencia al fuego; y el pentaclorofenol, y que debe ser utilizado en una solución al 5% en peso en algún aceite mineral mediano o pesado.

Los preservantes hidrosolubles son formulaciones de sales de diferentes metales (Boro, Arsénico, Cobre, Cinc, etc.). Unos actúan como insecticidas y otras como funguicidas, mientras que otros pueden actuar como fijadores de las materias activas en Ia madera, donde se encuentra Ia sal CCA (Cobre, Cromo, Arsénico), Ia más utilizada en el mundo.

Alternativos al CCA debido a sus restricciones para aplicaciones sobre nivel del suelo, en EEUU se utilizan preservantes libres de arsénico: ACQ (Alcalino

Cobre Cuaternario), CBA (Cobre, Boro, Azol) y Cobre bis-(N- cyclohexyldiazeniumdioxy) (Cu-HDO o Koper xyligen). También se utilizan para productos que no están en contacto directo con el suelo IPBC, TBTO y CPF.

En Europa los productos alternativos al CCA son el Cobre Benzalkonium

Chloride, Cobre Boro Tebuconazole, Cobre Cobre-HDO, Cobre Cobre-HDO Boro, Cobre polymeric betain, CCB y CCP. Sobre nivel de suelo nos encontramos con los denominados Ligth Organic Solvent Preservatives (LOSP): TBTO (óxido de tributil estaño) y TBTN (naftaleno de tributil estaño).

En Nueva Zelanda y Australia se sigue utilizando CCA en todo tipo de aplicaciones, aunque existen como alternativa el ACQ y CBA. Sobre nivel de suelo están TBTO y TBTN (LOSP).

En Ia presente invención se utiliza el proceso conocido de protección de Ia madera denominado Bethell ó célula llena (anteriormente explicado), pero con Ia particularidad de utilizar unido al preservante nanopartículas, preferentemente nanotubos de carbono o de arcilla, que se introducen en el interior de Ia madera, las cuales penetran Ia madera dentro de unos límites tales que dependan de los

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requerimientos de resistencia específica a Ia flexotracción requerida por los códigos de edificación.

De Ia diversidad de nanopartículas, existen los denominados nanotubos de carbono (CNT) que son unos materiales formados únicamente por carbono, donde Ia unidad básica es un plano grafitico enrollado que forma un cilindro, formando unos tubos cuyo diámetro es del orden de algunos nanómetros.

Los nanotubos de carbono están constituidos por redes hexagonales de carbono curvadas y cerradas, formando tubos de carbono nanométricos con una serie de propiedades fascinantes que fundamentan el interés que han despertado en numerosas aplicaciones tecnológicas. Son sistemas ligeros, huecos y porosos que tienen alta resistencia mecánica, y por tanto, interesantes para el reforzamiento estructural de materiales y formación de composites de bajo peso, alta resistencia a Ia tracción y enorme elasticidad.

Electrónicamente, se ha comprobado que los nanotubos se comportan como hilos cuánticos ideales monodimensionales con comportamiento aislante, semiconductor o metálico dependiendo de los parámetros geométricos de los tubos. Otra más de sus interesantes propiedades es su alta capacidad de emisión de electrones. En este campo, su interés radica en que sean capaces de emitir electrones a 0.11 eV de energía mientras que los mejores emisores de electrones utilizados en Ia actualidad emiten en un rango entre 0.6 y 0.3 eV. Además del estrecho rango de emisión de energía, los CNTs presentan otras ventajas respecto a los cristales líquidos utilizados en las pantallas planas como: amplio ángulo de visión, capacidad de trabajar en condiciones extremas de temperatura y brillo suficiente para poder ver las imágenes a Ia luz del sol.

El aspecto innovador de los materiales carbonosos de escala nanométrica, fullerenos y nanotubos, reside en que reúnen las siguientes propiedades:

1. Habilidad para trabajar a escala molecular, átomo a átomo. Esto permite crear grandes estructuras con nueva organización molecular.

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2. Son materiales de "base", utilizados para Ia síntesis de nanoestructuras vía autoensamblado.

3. Propiedades y simetría únicas que determinan sus potenciales aplicaciones en campos que van desde Ia electrónica, formación de composites, almacenamiento de energía, sensores o biomedicina.

Es conocida Ia utilización de un producto creado con avances nano- tecnológicos para protección de madera por Ia empresa Nanotec Pty Ltd, de Australia. Se llama "Nanoseal Wood" y es una solución coloidal ultra hidrofóbica basada en agua que tiene propiedades auto-ensamblables que forman Ia estructura funcional de Ia superficie. Se logra un efecto repelente a través de una combinación de cambios moleculares en Ia estructura de Ia superficie y propiedades hidrofóbicas. Es un tratamiento para Ia superficie de Ia madera que protege Ia madera no solo al controlar el contenido de humedad y agua, sino también al proteger Ia superficie de radiación ultra violeta.

El agua es uno de los principales enemigos de Ia madera, y Ia aplicación de

"Nanoseal Wood" hace que el agua simplemente se caiga de Ia madera, sin llegar a penetrarse dentro del sustrato. Las nanopartículas se auto-ensamblan en una estructura de una sola capa de 25 nanometros, Io que da mayor protección contra radiaciones UV.

Finalmente, tiene Ia ventaja de ser un producto que no daña al medioambiente, ya que no contiene compuesto orgánico volátil (VOC), solventes, aceites o pesticidas.

La empresa Nanotecnología Spain posee un producto, PROSIL-70, utilizado para el trasporte y almacenamiento de Ia madera sin tener que cubrir ni protegerla del medio ambiente. Evita el almacenamiento en almacenes cubiertos. Aparte de tener una alta protección contra el agua y las humedades también protege de los rayos ultravioleta.

Tanto el proceso utilizado por Nanotec Pty Ltd como el utilizado por Nanotec Spain para Ia protección de Ia madera, consisten en tratamientos superficiales de Ia

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misma, mientras que en Ia presente invención se trata de un tratamiento interno de Ia misma con nanotubos de carbono.

En el actual estado de Ia técnica existen patentes relacionadas con diferentes recubrimientos de madera, así como procesos para llevarlo a cabo. Así, el documento ES 2226217 trata sobre aglutinantes de laca transparente que contienen nanopartículas con resistencia a arañazos, un procedimiento para su preparación así como su uso. Dicho aglutinante se basa en polímeros, y contiene ácidos silícicos pirogénicos, y se usa en lacas transparentes de dos componentes. También el documento ES 2182805 trata sobre agentes de adhesión modificados con nanopartículas para agentes de revestimiento y Ia utilización de los mismos. En Ia presente invención se utilizan nanopartículas, para Ia impregnación de Ia madera, y en este caso el producto obtenido no se usa como recubrimiento de Ia madera, sino como agente protector y estabilizador de Ia misma al ser introducido internamente en el objeto laminar a tratar por procedimientos de vacío y presión, donde dicha penetración depende de Ia resistencia específica a Ia flexo-tracción que se desea obtener.

El problema que resuelve el actual estado de Ia técnica es Ia de un método y un producto que permita potenciar las propiedades de resistencia en láminas de madera, aumentando así su resistencia característica a Ia flexotracción y permitiendo predecir dichas propiedades de una manera exacta y que permitan cumplir los códigos de edificación, algo que actualmente no ha podido ser resuelto, por las características propias de una material procedente de un ser vivo.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar Ia descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del proceso, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado Io siguiente:

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La figura 1 muestra un esquema del proceso de tratamiento en Ia primera fase de

Vacío Inicial.

La figura 2 muestra un esquema del proceso de tratamiento en su segunda fase de llenado de Ia cámara. La figura 3 muestra un esquema del proceso de tratamiento en su tercera fase de

Aplicación de Presión.

La figura 4 muestra un esquema del proceso de tratamiento en su cuarta fase de

Vaciado de Ia cámara.

La figura 5 muestra un esquema del proceso de tratamiento en su última fase de Vaciado Final.

La figura 6 muestra un esquema de Ia primera fase del tratamiento vac-vac.

La figura 7 muestra un esquema del Ia segunda fase del tratamiento aplicando vacío inicial, comenzando a impregnarse del preservante.

La figura 8 muestra un esquema de Ia segunda fase del tratamiento, donde ser observa una impregnación completa

La figura 9 muestra el producto terminado al ser aplicado un segundo vacío

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

La realización preferente de Ia invención consiste en un procedimiento y un producto resultante de dicho procedimiento, con características obtenidas por múltiples ensayos en láminas de madera, utilizando un autoclave que puede ser vacío-presión-vacío o bien vacío-vacío y Ia combinación de Ia nanotecnología como elementos tratantes.

El tratamiento en autoclave consiste en introducir productos fungidas e insecticidas sometiendo a Ia madera a un vacío inicial y a una presión, de los productos impregnantes, para recuperar finalmente el producto sobrante con un vacío final. Para garantizar Ia adecuada absorción, hay que asegurar el que el material se encuentra relativamente seco (humedad inferior al 25%) antes de introducirse en el autoclave; en caso contrario no se puede asegurar una correcta retención del producto en Ia madera.

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En el caso que nos ocupa, como realización preferente de Ia invención, y con carácter no limitativo, se describe el siguiente proceso de tratamiento de Ia madera en combinación con nanopartículas preferentemente, nanotubos de carbono o nanotubos de arcilla.

El proceso se inicia de manera que se introduce Ia madera seca (2), con humedad inferior al 25%, en el interior de Ia cámara (1) del autoclave, aplicándole vacío para extraer todo el aire posible del interior de Ia madera, así como el del interior de Ia cámara (2). El vacío debe ser de al menos el 85%, con duración entre 15 y 90 minutos.

A continuación, tal y como se indica en Ia Figura 2, se procede al llenado de Ia cámara por completo con el líquido impregnante (preservante oleosoluble o hidrosoluble) formando una emulsión con nanopartículas (3), preferentemente nanotubos de carbono, arcilla o similares manteniendo el vacío. Se elimina el vacío y se aplica presión de 8 a 20 bares durante un tiempo entre 20 minutos y 5 horas, manteniéndola hasta saturación completa y obligando de este modo a Ia entrada de dicho líquido en Ia madera en profundidad. Una vez transcurrido este tiempo, se procede al vaciado de Ia cámara del autoclave, enviando a un estanque toda Ia solución que no ha sido inyectada en Ia madera. Por último se procede a aplicar un vacío final reequilibrar las presiones internas en Ia madera, detener el alcance del aire que había sido comprimido durante Ia fase de presión y evitar así el goteo de Ia madera a Ia salida del autoclave.

Otra realización preferente de Ia invención consiste en utilizar el procedimiento denominado "vac-vac", que optimiza el uso del preservante y minimiza el aumento de humedad de Ia madera. La madera se aloja dentro de un autoclave cerrado herméticamente (Figura 6). Se genera vacío al interior del autoclave con Ia intención de reducir en un nivel aceptable Ia cantidad de aire presente dentro de las cavidades celulares de Ia madera. Una vez alcanzado este punto de vacío, se procede a Ia inundación del autoclave con el preservante que va a ser absorbido por Ia madera (Figura 7). Finalizada Ia inundación del autoclave se procede a llevar el sistema a presión atmosférica hasta alcanzar un nivel de

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absorción deseado (Figura 8). Se aplica un segundo vacío para retirar Ia solución preservante sobrante (Figura 9).

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