Procedencia de la materia prima

El rastrojo del tallo de maíz se obtuvo del sector Huilquilemu, provincia de Talca, Región del Maule. Esta zona presenta clima templado cálido con estación seca de cuatro a cinco meses, contrastes térmicos acentuados y precipitaciones abundantes de origen frontal en invierno que alcanzan 750 mm∙año^-1 en promedio (^{Dirección Meteorológica de Chile [DMC], 2001}). Las partículas de madera de pino radiata fueron proporcionadas por la empresa MASISA planta MAPAL ubicada en Coronel, provincia de Concepción; al momento de la recepción presentaron humedad entre 2 % y 4 %, la cual se determinó según lo especificado por la norma NCh 176/1 (^{Instituto Nacional de Normalización [INN], 2019}).

Preparación de la materia prima

El rastrojo de maíz se trasladó al Laboratorio de Adhesivos y Materiales Compuestos de la Universidad del Bío-Bío, donde se acondicionó en estufa marca Binder a 80 °C hasta alcanzar humedad entre 10 y 15 %. La densidad se determinó según la norma ASTM D2395 (^{American Society for Testing and Materials [ASTM], 2017}).

El material se trituró en un molino marca Ming Lee y después se cribó al tamaño utilizado por la industria de tableros de partículas, con base en las normas ASTM C-136 (^{ASTM, 2001}a) y ASTM E-11-01 (^{ASTM, 2001}b). Para ello, se usaron mallas de 6.3, 4.75, 2.36, 1.19, 0.425 y 0.25 mm de abertura. Las fracciones se agruparon en un lote de partículas finas (tamizadas entre 0.25 y 2.36 mm) para la elaboración de las caras del tablero y otro lote de partículas gruesas (tamizadas entre 2.36 y 6.3 mm), para el centro de los tableros. Ambos lotes se acondicionaron en estufa hasta alcanzar humedad final entre 2 % y 4 % para ser prensados.

Elaboración de tableros y diseño experimental

Los tableros se fabricaron en el laboratorio de la empresa MASISA planta MAPAL. Se formaron lotes con las proporciones de rastrojo de maíz encoladas con adhesivo urea-formaldehído en una mezcladora rotatoria de laboratorio en lotes de partículas gruesas (centro del tablero) y finas (caras del tablero) durante 180 ± 10 segundos. La proporción de adhesivo fue de 7.5 % y 9.5 % para las capas exterior e interior respectivamente, con una proporción en peso de 50 % por capa y un espesor final de 10 mm. Se agregó catalizador solo en la capa central y un hidrofugante (parafina sólida) en ambas capas de los tableros.

En un molde de 300⨯300 mm se agregó la mitad de las partículas finas en la cara, las partículas gruesas al centro y otra mitad de partículas finas en la cara opuesta. Cada tablero fue prensado en frío y luego en prensa de platos calientes (marca Dieffenbacher) para su consolidación a 200 °C, presión especifica máxima de 26 kg∙cm^-2 y tiempo total de 110 segundos.

El diseño experimental fue completamente al azar. Se consideró el reemplazo de partículas de madera de pino radiata por partículas de rastrojo de maíz en cinco proporciones: 0, 5 %, 10 %, 20 % y 30 %. Se tuvieron cuatro repeticiones por proporción y se mantuvieron constantes las variables operacionales del proceso de prensado, así como el gramaje del adhesivo de urea-formaldehído.

Muestreo y propiedades evaluadas

Los módulos de elasticidad (MOE) y de ruptura (MOR) en flexión se evaluaron según la norma EN 310 (^{European Comitee for Standarization [EN], 1993c}), y la resistencia a la tracción perpendicular (IB) con la norma EN 319 (^{EN, 1993b}). Las propiedades físicas absorción e hinchamiento se determinaron según la norma EN 317 (^{EN, 1994}), la densidad del tablero con la norma EN 323 (^{EN, 1993}) y la humedad con EN 322 (^{EN, 1993d}). Para dar cumplimiento a lo requerido por las normas mencionadas se extrajeron muestras según lo indicado en la Figura 1.

Figura 1 Plan de muestreo por tablero: dos muestras para módulos de elasticidad (MOE) y de ruptura (MOR), cuatro muestras para tracción perpendicular (IB), tres muestras para absorción (AB) e hinchamiento y tres muestras para densidad (DEN) y humedad. 

Análisis estadístico

Se efectuó un análisis descriptivo de los resultados, determinando las medidas de tendencia central y de dispersión. Los datos se sometieron a un análisis de varianza y prueba de Tukey (P = 0.05), para detectar el efecto de cada nivel de reemplazo de partículas de madera de pino radiata por rastrojo de maíz (0, 5 %, 10 %, 20 % y 30 %) sobre las propiedades físicas (AB, DEN, hinchamiento y humedad) y mecánicas (MOE, MOR e IB). Por último, los resultados por condición se compararon con el estándar empleado por la empresa. Todos los análisis se realizaron con el paquete estadístico Statgraphics Centurion XVI (^{Statgraphics Centurion, 2013}).

Propiedades físicas del rastrojo de maíz

El rastrojo de maíz tuvo una densidad media de 104.7 kg∙m^-3 con una desviación estándar de 9.2 kg∙m^-3, lo cual dio un coeficiente de variación de 8.8 % que evidenció una baja dispersión de la densidad. Estos resultados se asemejan al reportado por ^{Tumuluru (2014}), quien registró una densidad de 111 kg∙m^-3. Asimismo, se corroboró la menor densidad del rastrojo de maíz en comparación con la madera de P. radiata, cuyo valor fluctúa entre 367.8 y 385.9 kg∙m^-3 para madera juvenil y entre 448.4 y 476.8 kg∙m^-3 para madera adulta (^{Barrios, Trincado, & Watt, 2017}). El Cuadro 1 muestra la distribución de la granulometría de las partículas finas y gruesas del rastrojo de maíz y de pino radiata; ambas presentaron una distribución similar a la empleada en la industria de tableros.

Propiedades físicas de los tableros

Los resultados de las propiedades físicas, los requerimientos industriales y tolerancias admitidas para los tableros elaborados con diferentes niveles de reemplazo se detallan en el Cuadro 2, mientas que la variación del comportamiento con respecto al nivel de reemplazo se puede ver en la Figura 2.

Contenido de humedad

El contenido de humedad de los tableros (6.2 % y 6.3 %) no mostró diferencias significativas (P > 0.05) entre las proporciones evaluadas (Cuadro 2; Figura 2B), cumpliendo el requerimiento industrial para tableros de partículas convencionales. En este sentido, ^{Garay et al. (2009}) mencionan que los tableros deben tener entre 5 % y 7 % de humedad, lo cual asegura que la expansión y estabilidad lineal estén dentro de los límites aceptables. De igual modo, la norma A208.1 (American National Standard Institute [ANSI], 1999) exige no superar 10 % de contenido de humedad, por lo que también se cumple con este requerimiento.

Densidad

La densidad varió entre 752 y 798 kg∙m^-3, aumentando de forma no significativa con la proporción de rastrojo de maíz (Figura 2C). Este incremento puede deberse a que el rastrojo de maíz disminuiría el fenómeno del springback, el cual consiste en la liberación de tensiones internas después del prensado (^{Mohebby, Gorbani-Kokandhe, & Soltani, 2009}). Para ^{Nemli y Demirel (2007}), una liberación elevada de las tensiones internas puede ocasionar que el adhesivo se desprenda de las partículas, dando como resultado puntos débiles, que afectarían al resto de propiedades del tablero.

Por lo anterior, se constata que una menor densidad del rastrojo otorgaría mayor capacidad de compactación irreversible. Cabe señalar que todas las proporciones superaron la densidad requerida por los estándares industriales para la elaboración de PB, por lo que cualquiera de estas cumple con el requerimiento. Lo anterior es relevante, dado que existe una correlación alta entre la densidad y las propiedades mecánicas en tableros de partículas (^{Arabi, Faezipour, & Gholizadeh, 2011}; ^{Guler & Büyüksarı, 2011}; ^{Mendes et al., 2008}). Si consideramos las restricciones de materia prima de origen forestal, los resultados confirman que es posible alcanzar densidades similares a los tableros de partículas convencionales, empleando hasta 30 % del peso de partículas de rastrojo de maíz.

Hinchamiento a 2 h y 24 h

El Cuadro 2 indica que el hinchamiento a las 2 h estuvo entre 4.8 % y 8.2 % sin mostrar diferencias significativas entre 0 y 10 % de rastrojo de maíz, seguida de las proporciones de 20 % y siendo mayor para 30 %. Estas últimas presentaron diferencias significativas entre sí y con el resto de las proporciones; sin embargo, la proporción de 30 % no cumplió con el requerimiento industrial (<8 %). El hinchamiento a las 24 h resultó entre 19.3 % y 26.3 % sin mostrar diferencias significativas entre las proporciones de 0 a 20 %, mientras que la proporción del 30 % fue estadísticamente mayor; todas las proporciones cumplieron con el requerimiento industrial.

La Figura 2D y la Figura 2E constatan que, al incrementar la proporción de rastrojo de maíz, el hinchamiento a las 2 h y 24 h también lo hace. Este comportamiento también fue observado por ^{Garay et al. (2009}), quienes lo atribuyeron a una mayor higroscopicidad del rastrojo de maíz y por ^{Arabi et al. (2011}), quienes lo adjudican al incremento en la cantidad de material lignocelulósico necesario para elevar la densidad. A pesar de esto, los porcentajes de hinchamiento fueron satisfactorios con la salvedad de que, a las 2 h, la proporción del 30 % superó el requerimiento industrial.

Absorción a 2 h y 24 h

La absorción a las 2 h fue similar (12.4 % a 13.1 %) con las proporciones de 0 a 10 %. Las proporciones del 20 % (15.6 %) y 30 % (17.6 %) fueron significativamente mayores (Cuadro 2). A las 24 h, la absorción no presentó diferencias significativas entre los tableros con proporciones de 0 al 20 %, mientras que la proporción del 30 % fue significativamente mayor (58.8 %).

En general, este comportamiento también fue reportado por ^{Iswanto, Octaviani, Tarigan, y Nuryawan (2021}) para tableros con proporciones similares de rastrojo de maíz. En este sentido, ^{Garay et al. (2009}) indican que el incremento del hinchamiento y absorción puede deberse al mayor porcentaje de holocelulosa y componentes solubles presentes en el rastrojo de maíz, lo cual aumentaría la higroscopicidad del tablero ocasionando un mayor cambio dimensional. A pesar de lo anterior, los tableros con diferentes proporciones de rastrojo de maíz se encontraron dentro de lo exigido por los estándares industriales.

Figura 2 Propiedades físicas de los tableros de Pinus radiata elaborados con diferentes proporciones de rastrojo de maíz.  

En general, los valores de absorción e hinchamiento fueron satisfactorios y son válidos cuando se considera añadir parafina en la fabricación de los tableros. Esto se respalda en lo reportado por ^{Guler y Büyüksarı (2011}), quienes recomiendan la adición de parafina u otra sustancia hidrofóbica para tableros de partículas elaborados con residuos agrícolas.

Propiedades mecánicas de los tableros

La Figura 3A muestra que la tracción perpendicular (IB) disminuyó al aumentar el nivel de reemplazo de rastrojo de maíz, no siendo significativa esta reducción en las proporciones de 0 a 10 %. El Cuadro 3 indica que, a partir del 20 %, el IB fue significativamente menor que las proporciones anteriores. Esta propiedad tuvo valores entre 0.68 y 1.03 N∙mm^-2, cumpliendo con el estándar comercial CS-236-66 (^{US Department of Commerce [DOC], 1966}), la norma ANSI 208.1 (ANSI, 1999) y por el estándar de la empresa MASISA, quienes requieren al menos 0.42, 0.40 y 0.50 N∙mm^-2, respectivamente. En vista de lo anterior podría esperarse cumplir con este requerimiento incluso para proporciones sobre el 30 %. Los resultados fueron mayores que los de ^{Garay et al. (2009}), quienes evaluaron proporciones de rastrojo de maíz/pino radiata de 30/70 y 10/90, obteniendo un IB de 0.29 y 0.15 N∙mm^-2, respectivamente. Se observó una reducción significativa en las proporciones de 20 % y 30 %, aunque ambas cumplieron con el requerimiento industrial. Al respecto, ^{Mendes et al. (2010}) reportaron disminución del IB cuando se adiciona material lignocelulósico de origen agrícola. ^{Scatolino et al. (2013}) y ^{Gϋler, Sahin, y Yeniay (2016}) reportaron la misma tendencia en PB con partículas de madera y maíz en proporciones 0, 25 %, 50 %, 75 % y 100 %. Una posible explicación de la reducción de esta propiedad al aumentar el nivel de reemplazo se relaciona con la menor densidad del rastrojo de maíz, lo cual ocasiona menor disponibilidad de adhesivo por cada partícula. Lo anterior puede reducir las propiedades mecánicas y la eficacia del encolado durante el consolidado del tablero (^{Scatolino et al., 2013}).

Figura 3 Comportamiento de la tracción perpendicular (IB), módulo de ruptura (MOR) y elasticidad (MOE) en tableros de Pinus radiata elaborados con cinco proporciones de rastrojo de maíz.  

El módulo de ruptura varió de 20.5 N∙mm^-2, correspondiente a la proporción del 30 %, a 22.8 N∙mm^-2 para la proporción del 10 %, no detectando diferencias significativas entre las proporciones (Figura 3B). Para el módulo de elasticidad, el mínimo fue de 2.872 N∙mm^-2 en tableros con proporción del 20 % y el máximo fue de 2.956 N∙mm^-2 para tableros sin rastrojo, sin detectar diferencias significativas entre las proporciones evaluadas (Figura 3C).

En general, las proporciones entre 0 y 30 % presentaron módulos de elasticidad y ruptura por arriba del requerimiento industrial, cumpliendo con los estipulado por la norma ANSI 208.1 (^{ANSI, 1999}). Esto podría deberse a la dependencia de estas propiedades con la geometría de la partícula, por lo que puede sugerirse que ambas materias primas presentaron un tamaño de partícula similar tanto para caras como para el centro del tablero. En este sentido, no hubo evidencia estadística de que los módulos fueron diferentes entre las proporciones de rastrojo de maíz.

Los resultados, aunque alentadores, deben superar etapas siguientes de validación y nuevos ensayos, hacer ajustes a las variables de proceso similares a las condiciones operacionales industriales, y explorar aspectos como la geometría de las partículas de la materia prima. Es importante también considerar la estacionalidad y la homogeneidad de la densidad del rastrojo de maíz. Asimismo, se debe contar con un transporte adecuado, recolección, almacenamiento y manipulación al interior de la planta. Esto podría exigir modificaciones en algunas etapas del proceso de producción, principalmente una gestión paralela de ambas materias primas, lo que al ser debidamente controlado podría constituir una ventaja competitiva para el sector.