Efecto de los Extractivos y la Estructura Anatómicas en las Propiedades Mecánicas de la Madera de Caoba, Swietenia Macrophyllaking

Arévalo-Fuentes, R.L., & Hernández, R. (2008). Efecto de los extractivos y la estructura anatómica en las propiedades mecánicas de la madera de Caoba, Swietenia macrophylla King. Colombia Forestal, 11, 137-148.

EFECTO DE LOS EXTRACTIVOS Y LA ESTRUCTURA ANATÓMICA EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LA MADERA DE CAOBA, Swietenia macrophylla King

Extractive and anatomical wood structure effects on mechanical properties of Caoba wood (Swietenia macrophylla King)

Efeito dos extrativos e a estrutura anatômica nas propriedades mecânicas da madeira de caoba, Swietenia macrophylla King

Rosven Libardo Arévalo Fuentes¹ & Roger Hernández²

¹Universidad del Tolima, Ibagué, Colombia, rlareval@ut.edu.co.
²Universidad Laval. Quebec, Canadá, roger.hernandez@sbf.ulaval.ca.

Recepción: Mayo 19 de 2008/Aprobación: Julio 20 de 2008

RESUMEN

La compresión tangencial de probetas de madera de caoba peruana fue ensayada a diferentes niveles de humedad relativa a 25°C para determinar la influencia de los extractivos y la estructura anatómica. Muestras pareadas fueron utilizadas para establecer la proporción de extractivos mediante extracción con solventes de polaridad creciente: ciclohexano, diclorometano, acetona, metanol y agua caliente. Adicionalmente, catorce parámetros anatómicos fueron determinados por interpretación de imagen. Análisis estadísticos de regresión múltiple establecieron que, principalmente, parámetros anatómicos como radios y vasos, más que extractivos, afectan el comportamiento mecánico de la caoba. Estos resultados concuerdan con otros previamente establecidos que indican el efecto negativo de radios altos multiseriados en las propiedades mecánicas cuando son cargados perpendicularmente a su eje longitudinal. La influencia de extractivos solubles en diclorometano localizados en las cavidades celulares podría contrarrestar deformaciones. Finalmente, se lanza la hipótesis de que los extractivos solubles en agua caliente podrían jugar un papel plastificante.

Palabras clave: sorción, contenido de humedad de equilibrio, propiedades mecánicas, estructura anatómica, extractivos, Swietenia macrophylla.

ABSTRACT

The compression tangential to grain of samples of mahogany wood from Perú was examined at different relative humidity levels at 25 °C to determine the influence of both extractives and anatomical structure. Matched samples were used to assess the percentage of extractive components by extraction with solvents of increasing polarity: cyclohexane, dichloromethane, acetone, methanol and hot water. Additionally, fourteen anatomical parameters were determined by image analysis. Stepwise regression analysis concluded that mainly anatomical features, such as rays and vessels, rather than extractives, affect the mechanical behaviour of mahogany. These findings are agree with earlier results showing a negative effect of large and multiseriate rays on the mechanical properties of wood when loaded perpendicularly to their long axis. The influence of lumen located extracts soluble in dichloromethane might disallow deformations. Finally, it is postulated that hot water extracts may play a plasticizing role in this species.

Key Words: sorption, equilibrium moisture content, mechanical properties, anatomic structure, extractives, Swietenia macrophylla.

RESUMO

A compressão tangencial de espécimes de madeira caoba peruana foi testada em diferentes níveis de umidade relativa a 25°C para determinar la influência dos extrativos e da estrutura anatômica. Mostras emparelhadas foram utilizadas para estabelecer a proporção de extrativos mediante a extração com solventes de polaridade crescente: ciclohexano, diclorometano, acetona, metanol e água quente. Adicionalmente, quatorze parâmetros anatômicos foram determinados pela interpretação da imagem. Análises estatísticas da regressão múltipla estabeleceram que, principalmente, os parâmetros anatômicos como radios e vasos, mais que extrativos, afetam o comportamento mecânico da caoba. Estes resultados concordam con outros previamente estabelecidos que indicam o efeito negativo de radios altos multiseriados nas propiedades mecânicas cuando são carregados perpendicularmente a seu eixo longitudinal. A influência de extrativos solúveis em diclorometano localizados nas cavidades celulares podia opor-se às deformações. Finalmente, se lança a hipótese de que os extractivos solúveis em água quente poderiam jogar um papel plastificante.

Palavras chave: Absorção, equilibrio do conteúdo da umidade, propiedades mecânicas, estrutura anatômica, extrativos, Swietenia macrophylla.

INTRODUCCIÓN

Las propiedades mecánicas de maderas conferidas por la presencia de extractivos han sido reconocidas desde tiempo atrás (Luxford 1931). Es sabido que los extractivos y la estructura anatómica pueden tener una considerable influencia sobre las propiedades mecánicas de maderas. Por ejemplo, se ha observado que la presencia de extractivos como taninos puede jugar el papel de resortes evitando el rompimiento de la pared celular, actuando de manera similar a la celulosa (Pizzi & Cameron 1986). El efecto de los extractivos depende de su proporción y polaridad así como también del contenido de humedad de equilibrio (CHE) y de la tempera tura. Para un entendimiento de la influencia de los extractivos en las propiedades de la madera el conocimiento de su localización resulta de utilidad. Ello puede conocerse mediante una extracción sucesiva para remover los extractivos localizados en las cavidades celulares y posteriormente los localizados en las paredes celulares. Kellogg e Ifju (1962) sostienen que el efecto de la remoción de extractivos puede ser positivo o negativo dependiendo de la propiedad mecánica bajo consideración y de su localización en la estructura celular. La mayoría de los extractivos están localizados en las traqueidas radiales y los vasos compuestos fenólicos están localizados en el duramen (Maldas & Kamdem 1999).

Frecuentemente la influencia de los extractivos es explicada por las siguientes hipótesis:

a)Un efecto de abultamiento. Se ha sugerido que, siendo los extractivos grandes moléculas (por ejemplo, dimeros de lignina y taninos polimerizados), mantienen la madera en un estado de “semihinchamiento” y esconden el número de sitios disponibles para la formación de enlaces intermoleculares entre celulosa y lignina y/o enlaces intramoleculares dentro de la lignina (Arganbright 1971). Este efecto podría ser similar al de la humedad penetrando la estructura polímera y disminuyendo los enlaces intermoleculares de hidrógeno, reduciendo así la resistencia. Además, estudios de secado desde el estado verde han evidenciado que la presencia de extractivos reduce significativamente la fatiga y la contracción a bajas temperaturas, mientras que ambos fenómenos se incrementan a altas temperaturas (Erickson et al. 1972, Demaree & Erickson 1976, Spalt 1979).

b)Un efecto plastificante. La presencia de extractivos puede promover flujo plastificante (Pentoney y Davidson 1962, Tarkow & Seborg 1968, Spalt 1979).

c)Un efecto de rigidez de las paredes celulares. Se afirma que los extractivos ejercen un pequeño pero significativo incremento en las propiedades mecánicas a corto término de la madera (Luxford 1931, de Zeeuw 1965, Panshin & de Zeeuw 1970, El-Osta et al. 1981.).

La influencia de la estructura anatómica en las propiedades mecánicas de la madera ha sido de interés para los investigadores. Por ejemplo, Berry et al. (1983) caracterizaron la estructura anatómica de algunas maderas tropicales utilizando el método estereológico propuesto por Ifju (1983) y relacionaron variables estructurales a la rigidez y resistencia tensil. Los resultados demostraron que la proporción de vasos de la zona de madera temprana influencian negativamente la deformación y el máximo esfuerzo radial, mientras que el área y ancho de radios afectó positivamente las propiedades en sentido radial. Keller & Thiercelin (1975), trabajando con madera de haya (Fagus silvatica), demostraron que los radios son factores de alta resistencia mecánica y contracción tangencial. Bodig (1965) estudió las propiedades transversales de algunas especies confieras y maderas duras, y encontró que el tamaño de los radios y el porcentaje de madera tardía son en su mayoría los factores que explican las diferencias de las propiedades entre especies.

Hernández (1989) estudió el efecto de los extractivos, a cinco niveles de humedad relativa, en la compresión tangencial de nueve maderas tropicales incluyendo la caoba. Esta investigación no incluyó la influencia de la estructura anatómica. El estudio de la influencia de los extractivos y la estructura anatómica en el comportamiento físico- mecánico de la madera de caoba contribuirá a un mejor conocimiento de esta especie y consecuentemente a su manejo racional y sustentable. Esta información será útil para explicar el desempeño de la madera y así ampliar el uso potencial de otras. La principal característica de este estudio es combinar ensayos físico-mecánicos con experimentos de sorción, junto con análisis químicos y anatómicos para establecer la influencia de estos últimos factores y estimar su importancia para la madera de caoba a lo largo de su rango higroscópico. El propósito de esta investigación es suministrar dicha información para la madera de caoba cuando se ensaya en compresión tangencial perpendicular al grano.

MATERIALES Y MÉTODOS

Los experimentos fueron realizados con duramen de caoba Swietenia macrophylla King de una densidad anhidra promedia de 514 kg m^-3. 21 piezas de madera verde libre de defectos de 93 cm de longitud y de secciones transversales variables fueron escogidas al azar en un aserradero en Lima, Perú. El material enviado a la Universidad Laval fue almacenado en un cuarto climático a 20 °C y 65% de HR. Después de su acondicionamiento la madera fue aserrada en tablas de 20 mm (R) x 100 mm (T) x 450 mm (L). Posteriormente, las 30 mejores tablas fueron seleccionadas con base en la orientación y uniformidad de los anillos de crecimiento así como también en la reducida variación de densidad entre ellas. Un mínimo de 30 probetas fueron cortadas de la parte media de cada una de ellas con una sección transversal y una longitud como se describe en la figura 1.

Las dimensiones fueron seleccionadas teniendo en cuenta el tipo de muestreo empleado y el tiempo requerido para la sorción. El pareado longitudinal permitió la obtención de 12 grupos de 30 probetas cada uno. La forma y dimensión de las muestras difiere de las recomendadas por la norma ASTMD143, no obstante, una relación largo-ancho de 3 fue utilizada para evitar el pandeo durante el ensayo de compresión tangencial (Bodig & Jayne 1982) y limitar el efecto debido a la curvatura de los anillos de crecimiento.

ENSAYOS DE SORCIÓN Y MECÁNICOS

El material en su totalidad fue inicialmente secado al horno con el fin de asegurar uniformidad entre los grupos. Durante 30 días se fue incrementando la temperatura hasta alcanzar los 100 °C, siendo el CH final de la madera de aproximadamente 0%. Posteriormente el material fue almacenado durante 45 días en desecadores con P₂O₅ a fin de reducir tensiones y eliminar la humedad residual. Al final de este periodo de acondicionamiento las probetas fueron pesadas y medidas en la condición anhidra. A continuación el material fue sometido a ensayos de sorción utilizando los estanques descritos por Goulet (1968). Por cada punto de sorción se emplearon 12 desecadores conteniendo 30 probetas cada uno. Las condiciones finales de sorción fueron realizadas con soluciones salinas saturadas o con agua destilada. En la tabla 1 se puede observar el procedimiento por etapas empleado para tal fin, el cual duró de 140 (adsorción, 33% HR) a 315 días adsorción, 100% HR). Para evitar el efecto de la histéresis de saturación, los ensayos de desorción fueron realizados en presencia de agua higroscópica exclusivamente. Por lo tanto las desorciones finales fueron precedidas por una adsorción sobre agua destilada. Una vez alcanzado el equilibrio, el peso de las probetas fue determinado con una precisión de 0.001 g. Dichos valores fueron obtenidos para 12 condiciones de sorción. El contenido de humedad de equilibrio fue expresado con base en la masa anhidra.

Los ensayos de compresión tangencial fueron realizados en una máquina Riehle equipada con una célula de carga de 340 kg de capacidad. La deformación fue medida, en una distancia de 40 mm localizada en la parte central de la probeta, utilizando un captor de deformación Sangamo DG 1.0. Adicionalmente, la deformación total de las muestras (60 mm) fue medida con otro captor Sangamo DG 1.0 instalado en el cabezal de la máquina de ensayos. Durante el ensayo se controlaron los cambios higrotérmicos envolviendo la probeta con una banda de algodón previamente acondicionado a las mismas condiciones de humedad del espécimen. La velocidad de la máquina de ensayos fue regulada para asegurar una misma tasa de deformación para todas las condiciones de humedad (Sliker 1978). En el rango elástico esta tasa fue de 0.40 mm/mm/min. Dichos ensayos permiten el cálculo del coeficiente de deformación tangencial s₁₁ cuyo valor recíproco corresponde al módulo de Young en la dirección tangencial. La carga al límite proporcional fue calculada siguiendo la metodología descrita por Goulet & Veer (1975). En todos los casos el área de la probeta utilizada para los cálculos fue la determinada momentos antes del ensayo.

ANÁLISIS QUÍMICOS Y ANATÓMICOS

Para establecer la proporción de extractivos se utilizó una secuencia de solventes de polaridad creciente para remover los compuestos secundarios siguiendo una metodología similar a la empleada por Morgan & Orsler (1969) y Hernández (1989). Una descripción detallada de la extracción secuencial con ciclohexano, diclorometano, acetona metanol y agua caliente junto con el procedimiento para el estudio anatómico está dada en Arévalo & Hernández (2001).

Junto con los ensayos de sorción se utilizaron muestras pareadas para el análisis de anatomía cuantitativa. Catorce parámetros anatómicos se utilizaron para evaluar su relación con las propiedades mecánicas de la madera de caoba. Siete caracterizan a los vasos, seis se refieren a los radios y la última define la proporción de fibra y de parénquima.

Cortes transversales fueron utilizados para medir el área de vasos (AV), diámetro tangencial de vasos (DTV), diámetro menor (DMeV), diámetro mayor (DMV) y vasos por milímetro cuadrado (VPM). Las dimensiones de los radios como altura (AR), ancho (AnR), radios por milímetro (RPM) y área de radios (SR) fueron hechas en cortes tangenciales. La proporción de tejidos de los diferentes tipos de células fue estimada a partir de dos imágenes por cada muestra. Para determinar la proporción de vasos (PV), éstos fueron “pintados” en la pantalla del computador para distinguirlos de las fibras y el parénquima y su área relativa fue calculada por el programa. La proporción de radios (PR) fue medida de la misma manera. Siguiendo la recomendación de Keller y Thiercelin (1975) se determinó la forma de vasos (FFV) y radios (FFR) dividiendo el diámetro mayor por el diámetro menor de los vasos y la altura por el ancho de los radios.

La proporción de fibra y de parénquima (PFP) como un todo fue obtenida restando la proporción de vasos y radios de la unidad (100%). Los mencionados parámetros anatómicos fueron utilizados para evaluar su relación con las propiedades mecánicas de la madera de caoba utilizando técnicas de regresión múltiple como fue publicado por Arévalo & Hernández (2001).

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Las principales propiedades mecánicas de la madera de caoba pueden observarse en la tabla 2. Se presentan el coeficiente de deformación tangencial (s₁₁) y el esfuerzo de la carga al límite proporcional (σ_LP), medidos en la parte central y total de la pro-beta para ambos estados de sorción. En absorción, a 76% y 100% de humedad relativa (HR), los valores de s₁₁ fueron 1.44 y 2.12 respectivamente, mientras que en desorción este valor fue de 1.47 para 58% de HR. Hernández (1989) reportó valores de 2.16, 3.14 y 2.10 para la misma especie, estado de sorción y niveles de HR. Las diferencias pueden deberse a la disparidad de densidades entre las pro-betas utilizadas en los dos experimentos (Arévalo & Hernández 2000).

El s₁₁ total fue 22% mayor que el central. Un valor de 32% para arce fue reportado por Hernández & Bizoň (1994). El σtotal fue 17% mayor que el σ _LP central. Como fue reportado previamente por Hernández (1993) y por Hernández & Bizoň (1994) los resultados confirman la existencia de una distribución heterogénea de esfuerzos dentro de los especímenes. Las diferencias obtenidas entre sy &sigma_LP medidos en la parte central y total de las probetas podrían deberse al hecho de que esas propiedades cuando se miden en la longitud total de la probeta involucran un sinnúmero de factores durante el ensayo e introducen concentración de esfuerzos en el área de la probeta en contacto con la máquina de ensayos (Bodig y Jayne 1982). Los resultados sugieren que la caoba tiene un comportamiento mecánico similar en adsorción que en desorción a un CHE equivalente. Consecuentemente, adsorción conduce al mismo s₁₁ y σ _LP que desorción, especialmente cuando la madera de caoba trabaja al aire libre.

Debido a que análisis preliminares de regresión mostraron relación entre parámetros anatómicos fue necesario realizar varias corridas hasta establecer modelos sin variables anatómicas autocorrelacionadas. El nivel de significancia para permanecer o salir del modelo fue del 90%. Adicionalmente, mejores resultados fueron logrados empleando las variables densidad anhidra corregida (Do’) y contenido de humedad de equilibrio corregida. La primera fue incluida en los doce modelos mientras que la segunda se incluyó en los últimos diez modelos. La Do’ se calculó multiplicando los valores de Do por la proporción de extractivos solubles en solventes orgánicos (ciclohexano, diclorometano, acetona y metanol) y el CHE’, dividiendo el CHE por la proporción de extractivos anteriormente definida. Los resultados de los análisis de regresión para s₁₁ pueden observarse en las tablas 3 y 4. Las variables independientes explican entre el 70% y el 91% de la variación de s₁₁ medido en la parte central de la muestra y entre el 66% y el 87% de s₁₁ medido en la longitud total de la probeta. La utilidad predictiva de las ecuaciones se confirma al corroborar que los coeficientes de variación (CV) están por debajo del 15% en todos los casos (desde 7% hasta 11%).

Los datos indican que los extractivos influencian s₁₁ desde bajas a altas HR, especialmente aquellos solubles en diclorometano y agua caliente. Parece que los extractivos solubles en AC jugaran un papel plastificante ya que una mayor deformación es producida por un incremento de los extractos solubles en AC. De hecho éstos son solubles en agua y conjuntamente con las fracciones solubles en agua permiten por lubricación un desplazamiento de las microfibrillas (Ajuong & Breese 1999). Sin embargo, como el procedimiento de extracción en AC acumula error experimental, los extractos gravimetricamente determinados no son una medida real y por lo tanto los resultados deben ser interpretados con precaución.

Los resultados indican que las variables más importantes que explican la variación de s₁₁ fueron la Do’, el FFR y los extractivos solubles en agua caliente (AC) y diclorometano (DIC). Tomando en cuenta los coeficientes beta, Do’ tiene una participación relativa del 44% en el modelo mientras que FFR un 29% y DIC y AC 7% para s₁₁ medido en la parte central de la muestra. Para s₁₁ medido en toda la longitud de la probeta estos valores fueron de 39%, 30%, 5% y 8%, respectivamente. A manera de ejemplo y mediante una regresión simple, en la figura 2 se observa la mayor importancia de la Do’ en desorción a 33% de HR.

El FFR es el segundo parámetro en importancia, indicando un incremento de s₁₁ cuando la relación altura/ancho de radios se incrementa. Este parámetro se presentó en todos los modelos establecidos, lo cual confirma su impacto sobre la variación de s₁₁. Berry et al. (1983) determinaron también que los radios eran aparentemente zonas débiles cuando se cargaban tangencialmente en resistencia a la tensión. El hecho de que el FFR fuera identificado como el mejor parámetro entre todos los estudiados podría sugerir que el efecto de los radios como volumen no es importante, sino más bien cuando las células radiales están agrupadas como columnas altas. Un ejemplo de la influencia del FFR en s₁₁ puede observarse en la figura 3.

La importancia de los parámetros determinados (Do’, FFR, extractivos solubles en AC y DIC) para predecir s₁₁ cuando se mide en la parte central de la probeta se confirma cuando se hace una comparación con los modelos establecidos para s₁₁ medido en la longitud total de la probeta (Tabla 3). Para este caso los modelos establecidos explican entre el 66% y el 87% de la variación total de s₁₁ medido en la longitud total de la probeta. Por otra parte, y con relación a la influencia del CHE’ en s₁₁ medido en la parte central, ésta se observó principalmente a altos niveles de HR, es decir desde 87% hasta 100% de HR. La influencia en s_11, medido en la longitud total de la probeta, se presentó en una proporción doble y desde bajos (33%) hasta altos (100%) niveles de HR como una variable afectando negativamente el s₁₁. La relación entre CHE y s₁₁ es bien reconocida en la literatura (Hernández 1993, Siau 1995, Zhou-Sharp et al. 2000). A altos niveles de humedad relativa la adsorción de humedad se realiza como vapor de agua condensada, donde la cantidad y tamaño de moléculas producirá una mayor perturbación de las microfibrillas y menor cohesión, reduciendo entonces la resistencia.

CONCLUSIONES

Experimentos de absorción y desorción de humedad fueron realizados con madera de caoba en un procedimiento multietápico a 25 °C. Una vez alcanzado el equilibrio se realizaron ensayos de comprensión tangencial perpendicular al grano. Los resultados asociados con los análisis anatómicos y químicos conducen a las siguientes conclusiones:

1.El coeficiente de deformación tangencial (s₁₁) fue afectado principalmente por la variación de Do’ y la forma de radios en la sección tangencial.

2.El esfuerzo al límite proporcional (σ_LP) fue afectado en gran medida por la densidad de la madera y por los parámetros radiales.

3.El s₁₁ decrece mientras los extractivos solubles en diclorometano aumentan y crece con el incremento de los extractivos solubles en agua caliente.

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