Combinaciones de madera y adhesivos

La combinación de especie de sustrato y tipo de adhesivo permitió la manufactura de 6 diferentes pisos de ingeniería (Tabla 2). Por cada combinación se manufacturaron 5 piezas de piso de ingeniería para evaluar sus propiedades físicomecánicas y definir la calidad de producto generado.

Armado del piso

El procedimiento de armado del piso de ingeniería se llevó a cabo en dos etapas principales que a continuación se describen:

Etapa a) conformación del sustrato

Etapa b) enchapado de caras (frontal y posterior)

Flexión

La evaluación mecánica del piso de ingeniería también se efectuó en la máquina universal CADIS 2015 con una celda carga de 50 kN de capacidad (CADIS Prüftechnik GmbH Typ: 81876-50 kN). El ensayo consistió en determinar el módulo de ruptura (MOR) y el módulo de elasticidad (MOE), los cuales se obtuvieron de gráficas y datos numéricos calculados por la misma máquina, y realizados con base en la norma DIN 52 362-1 (^{DIN, 1994c}). Se utilizaron 15 especímenes de prueba de 16 mm × 50 mm × 450 mm (espesor, ancho y largo) por cada combinación de manufactura especificada en la Tabla 2.

Dureza Brinell

Para la determinación de la dureza Brinell se empleó la maquina universal Karl Frank Typ: 81105-50kN, utilizando especímenes de prueba de pisos de ingeniería de 16 mm × 50 mm × 50 mm. La aplicación de la carga fue en la superficie de las chapas de encino. Se utilizó la norma DIN EN 1534 (^{DIN, 2000}).

Tensión paralela

Este ensayo se desarrolló con base en las especificaciones de la norma ASTM 2339-98 (^{American Society for Testing and Materials [ASTM], 2004}) para determinar la resistencia de la unión de piezas de madera del sustrato y las chapas de las caras frontal y posterior del piso de ingeniería. Los ensayos se llevaron a cabo en una maquina universal Karl Frank Typ: 81105-50Kn, utilizándose 30 especímenes por cada combinación de manufactura, y sus dimensiones fueron de 16 mm × 25 mm × 90 mm (espesor, ancho y largo, respectivamente), con área de corte transversal de 625 mm².

Delaminación

Esta prueba se ejecutó con base en las indicaciones de la norma ANSI/HPVA EF 2009 (^{HPVA, 2009}), la cual consiste en la exposición de especímenes de piso de ingeniería a 4 h en inmersión en agua a temperatura ambiente (25 °C), posteriormente, a un secado en estufa a 52 °C por 19 h. Adicional a la norma, y con el propósito de garantizar la calidad del EWF, finalmente se acondicionó en cámara a 35% y otro a 55% de humedad relativa del aire (HRA) y temperatura de 23 °C por 7 días, que son unos de los valores de humedad primarios mencionados por la misma norma. Estas etapas corresponden a un ciclo de exposición. Los especímenes se ensayan hasta un máximo de tres ciclos, o menos en caso de que se presente la falla. La evaluación de la delaminación de la línea de encolado se realiza visualmente y, donde se observa una separación, se marca y se mide la longitud y la abertura. Un total de 10 especímenes de 50.8 mm × 127 mm (ancho y largo) se utilizaron por cada combinación de manufactura.

Densidad

En la Tabla 4 se muestran las densidades de los pisos de ingeniería elaborados con madera de palma de coco y madera de melina. Con ambos sustratos los valores fluctuaron entre 0.49 g cm^-3 y 0.59 g cm^-3, siendo el promedio de ambos de 0.53 g cm^-3.

Para un piso de ingeniería de tres capas en arreglo contrachapado de 15 mm de espesor, la densidad en los 6 tratamientos se vio claramente influenciada por la combinación de dos maderas de diferentes propiedades. Específicamente con 30% de madera de encino colorado (alta densidad), y 70% de madera de palma de coco y melina (baja densidad). La densidad de los pisos de ingeniería que utilizaron madera de palma de coco fue 0.54 g cm^-3, 40% menor que la densidad de la madera de encino colorado (0.89 g/cm³) y 25% más alto que la madera de palma de coco (0.43). ^{Tenorio et al. (2011)} obtuvieron una densidad de 0.52 g cm^-3 en un producto de ingeniería de 12 mm de espesor con chapas de madera de melina. En este estudio, para los tratamientos que utilizaron madera de melina en el sustrato con los tres distintos encolantes, se obtuvo un promedio de 0.53 g cm^-3 para un espesor de 15 mm en arreglo contrachapado, dicho valor fue semejante al del producto “Comercial 1 EWF” (0.52 g cm^-3), sin embargo y a pesar de la semejanza en las densidades de estos dos pisos, al ser menor el espesor del EWF comercial (14 mm) el peso de este último es menor por unidad de superficie que el peso del piso con sustrato de melina. ^{Wang et al. (2003)} afirman que maderas consideradas de bajo valor, utilizadas en forma de laminados (LVL o GLULAM), pueden llegar a formar parte de productos de alta calidad. En los pisos de ingeniería (EWF) sucede algo similar: materiales de baja densidad o resistencia mecánica pueden formar parte de productos con características aceptables.

MOR y MOE en flexión

Los resultados de estas pruebas se presentan en la Tabla 5. La combinación de encino/melina/encino con urea formaldehído (EMEUF), así como el sustrato de palma de coco con la formulación de adhesivo de soya (EPESF), fueron los que obtuvieron la mayor resistencia promedio a la flexión: 45 MPa y 62 MPa, respectivamente. A estas dos combinaciones se les denominó grupo homogéneo “a”. A pesar del contraste numérico, no existe diferencia estadísticamente significativa (P > 0.05) entre ambos. Las resistencias obtenidas de ambas formulaciones no presentan diferencias significativas en comparación con el piso comercial 1 EWF. El segundo grupo homogéneo que corresponde a la letra “b”, cuya elaboración está conformada por la combinación encino/palma/encino con urea formaldehido (EPEUF), obtuvo un módulo de ruptura de 36 MPa. Ante estos resultados, los grupos “a” y “b” cumplen con los requerimientos mínimos de resistencia a la flexión (20 MPa) estipulados por la norma ANSI/HPVA EF 2009 (^{HPVA, 2009}) para pisos de ingeniería. El tratamiento EMEUF presentó un módulo de ruptura 72% mayor que el de la madera sólida de su sustrato; por su parte, la configuración EPESF presentó un módulo de ruptura 32% mayor que el de su sustrato.

^{Haro (2015)} fabricó y estudió pisos de ingeniería utilizando tableros contrachapados de 11 mm de espesor como sustrato y madera de mascarey (Hieronyma alchornoides), así como sustrato de tableros de partículas de densidad media (MDP) y madera de seike (Cedrelinga catenaeformis). En ambas combinaciones, las chapas de madera exterior fueron de 2.5 mm de espesor en la cara superior, y chapa de desenrollo de 1.5 mm en la inferior. El ensayo de flexión de este producto arrojó 15.2 MPa para los pisos con mascarey y contrachapados. La de madera de seike con MDP obtuvo un valor promedio muy bajo de 3.3 MPa. Por su parte ^{Ahumada (2006)} evaluó pisos de ingeniería de 8 mm de espesor compuestos de una capa superior de decoración de 0.2 mm y como sustrato tableros de fibras de alta densidad (HDF) de las marcas comerciales más vendidas en Chile. La resistencia a la flexión obtenida por este autor, en promedio, fue de 42 MPa. Los módulos de ruptura obtenidos en el presente trabajo (EPESF [45 MPa] y EMEUF [62 MPa]) son superiores en comparación tanto con los del piso comercial EWF (41 MPa) como con los obtenidos por los demás autores. ^{Barbuta et al. (2012)} mencionan que otros de los factores que influyen en las propiedades del EWF son las capas superficiales adicionadas al piso, productos con capas superiores a los 3 mm en las caras superficiales son considerados producto de alta calidad, en ellos actúa mecánicamente el sustrato y consecuentemente disminuye la deformación de las superficies del EWF. Así mismo, ^{Pavlič (2021)} hacen hincapié en que tanto las capas superficiales como el sustrato influyen en el rendimiento físico-mecánico del EWF.

En cuanto al módulo de elasticidad (MOE) y conforme al análisis estadístico, existen tres grupos homogéneos (P < 0.05). El primero de ellos, y con los valores más elevados, es el conformado por los tratamientos EMEUF y EPESF, el segundo grupo formado por el tratamiento EPEUF, y por último el grupo configurado por los tratamientos EPELC, EMELC y EMESF. Del primer grupo homogéneo “a”, la diferencia entre ambos tratamientos es de 30 MPa. El MOE de los pisos EMEUF y EPESF es aproximadamente 113% mayor que el de los EWF comercial, lo que representa una diferencia sustancial. ^{Pino-Palma (2017)} realizó dos tipos de pisos utilizando tableros OSB y contrachapados como sustrato, colocando una chapa de madera densificada de pino (Pinus radiata) o una de eucalipto (Eucalyptus nitens), en ambos casos de 3.5 mm de espesor, en las caras superficiales y comparando con la aplicación de una chapa de pino sin densificar. El módulo de elasticidad que obtuvo con cubierta sin densificar fue de 10 300 MPa para pino-OSB; 11 600 MPa para pinocontrachapado, 11 900 MPa para eucalipto-OSB y 16 100 MPa para eucalipto-contrachapado. Los resultados obtenidos en la presente investigación quedan por debajo de los obtenidos por ^{Pino-Palma (2017)}, excepto en el caso de pino-OSB.

Dureza Brinell

En la Tabla 6 se muestra el comparativo de resultados entre los diferentes tratamientos, observándose que la combinación EPELC obtuvo el valor más elevado de dureza Brinell (48 N mm^-2). Este hecho configura a EPELC como grupo homogéneo “a”, seguido por el resto de los tratamientos que configuran el grupo homogéneo “b”. El análisis estadístico demuestra que sí existen diferencias significativas, a 95% de confiabilidad, en la interacción entre el tipo de sustrato y el adhesivo.

La densidad de la capa de 3 mm de espesor de la chapa de madera de encino influyó en la resistencia a la dureza Brinell en todos los tratamientos, con incrementos entre 22 presentada por la madera de melina y palma de coco respectivamente. La dureza es una propiedad crítica, especialmente en la elaboración de pisos de ingeniería (^{Fang et al., 2011}). A pesar de que los valores obtenidos en este estudio fluctuaron entre los 30 N mm^-2 y 48 N mm^-2 en los diferentes tratamientos, las combinaciones propuestas reúnen los requerimientos mínimos de dureza para pisos de ingeniería de bajo tráfico y poca carga estipulados en la norma ANSI/HPVA EF 2009 (^{HPVA, 2009}). La dureza

Brinell de los pisos con cubierta de eucalipto y de pino sin densificar realizados por ^{Pino-Palma (2017)} fue, en promedio, 22 N mm^-2 sin encontrarse diferencias estadísticamente significativas entre ambos sustratos (OSB y contrachapado). Sin embargo, con cubiertas densificadas el valor promedio de dureza fue mayor (61 N mm^-2). Continuando la comparación con los resultados de ^{Pino-Palma (2017)}, todas las combinaciones de sustrato, chapas exteriores y adhesivos de este estudio arrojaron valores de dureza Brinell mayores a los obtenidos por los citados autores en sus combinaciones sin tratamiento de densificación.

Resistencia de la línea de encolado en tensión longitudinal

Los valores de resistencia de la línea encolante (IB) se visualizan en la Tabla 7. Para el caso del sustrato de madera de melina existieron diferencias estadísticamente significativas (P<0.05) entre los adhesivos utilizados. La línea de encolante formada por urea-formaldehído (UF) fue la que mayor resistencia obtuvo, seguida de la soya furfural (SF) y por último el adhesivo loctite (LC). Por otra parte, para el piso con sustrato de palma de coco, los encolantes UF y el SF fueron los mejores y no se encontraron diferencias estadísticas significativas entre ellos, a 95% de confiabilidad. Al final quedó el encolante loctite (LC) con las menores resistencias. A pesar de no existir diferencias estadísticamente significativas entre la unión interna obtenida con el adhesivo UF y aquella con SF, para el tratamiento EPESF, la falla se presentó en 90% de las fibras del sustrato y para el tratamiento EMEUF, el porcentaje promedio de falla en las fibras fue menor, oscilando entre 44% y 73%. Aunque se presentaron estas diferencias, los porcentajes obtenidos se consideran favorables en cuanto al desgarre se refiere, pues la falla, según la norma ASTM 2339-98 (^{ASTM, 2004}), debe ocurrir en el sustrato o panel y no sobre la línea que forma el adhesivo. El tipo de adhesivo utilizado juega un papel importante en la elaboración del piso, ya que llega a ser una parte integral del compuesto creando una interfase con sus concernientes propiedades específicas (^{Belleville et al., 2008}).

^{Frihart et al. (2010)} hacen hincapié en que las proteínas de soya proporcionan buena adhesión a la madera, sin embargo, estos adhesivos tienen poca resistencia al agua sin reticulación química. ^{Tenorio et al. (2021)} realizaron EWF con tableros contrachapados como sustrato, adhiriendo chapas densificadas de Alnus acuminata, Vochysia ferruginea y Vochysia guatemalensis y efectuaron ensayos en la línea de encolado utilizando un adhesivo polimérico EP-950ª. La resistencia de la línea de adhesión fue 6.2 MPa para A. acuminata, 3.61 MPa para V. ferruginea y 2.93 MPa para V. guatemalensis. ^{Moya et al. (2015)} encontraron, en nueve maderas tropicales, valores de 2 MPa a 4 MPa utilizando adhesivos PVAc y de 8 MPa a 9 MPa aplicando UF. Comparando los resultados de estos dos últimos trabajos con los obtenidos aquí, se observa que el de EMEUF es similar al de A. acuminata de ^{Tenorio et al., (2021)} y los de EPESF, EPEUF, EMESF y EMEUF son comparables con los valores de resistencia exhibidos por ^{Moya et al. (2015)} con adhesivo PVAc, pero menores a los del encolante UF.

Estructura microscópica del sustrato con el adhesivo

Con la ayuda de tomas microscópicas a diferentes escalas en un microscopio electrónico de barrido (TESCAN modelo MIRA 3 LMU), se observó la línea de pegado para los tres adhesivos, la Figura 2 (A, B y C) muestra el detalle del anclaje y reticulación de las resinas termoestables (UF, SF) y la del tipo elastómero (LC). Se observan además pequeñas aberturas y grietas (Fig. 2 B y C) que son atribuidas al proceso de prensado con calor, ya que la vaporización del solvente en el adhesivo promueve la formación de fisuras por la liberación de vapor de agua del sustrato o de humedad en la capa del adhesivo específicamente. En el caso de la resina UF del tratamiento EPEUF (Fig. 2 A) se aprecia una mejor morfología, es decir, una línea uniforme entre adhesivo y la superficie de la madera, debido a que las células parenquimáticas y los haces fibrovasculares de la palma de coco fueron cubiertos con el adhesivo de forma homogénea. No obstante, ^{Abdul et al. (2011)} afirman que la aparición de microgrietas en la línea encolante (Fig. 2 B y C) puede deberse también a la falta de cantidad de adhesivo o incremento del contenido de sólidos en la resina de 250 g m^-2 a 500 g m^-2.

Figura 2 Localización de la interfase de los adhesivos. A) Adhesivo UF. B) Adhesivo SF. C) Adhesivo LC. 

Delaminación

Durante el proceso del ensayo se observó que, al incrementar el contenido de humedad, tanto por condiciones ambientales como por inmersión, la unión interna mostró una caída drástica, tanto para UF como para SF; ambos encolantes son susceptibles a la delaminación por contacto directo con el agua y por cambios de humedad relativa (Tabla 8).

^{Frihart et al. (2010)} mencionan que las proteínas de soya dispersas son globulares y se adhieren a las superficies que contienen principalmente grupos hidrofílicos, mientras que los grupos hidrofóbicos preferentemente están en el interior de la propia proteína. Así mismo mencionan que las estructuras globulares son sensibles a las condiciones como pH, desnaturalizantes añadidos, temperatura y sales. Por otra parte, refieren que la estructura de la proteína es muy dependiente de las interacciones intracadena de la mayoría de los polímeros, esto oculta muchos de los grupos funcionales potencialmente reticulables.

Los adhesivos policloropropeno Loctite 5029-F y UF mostraron resultados favorables en el primer ciclo al no presentar fallas por delaminación, no obstante, al ser sometidos a un segundo ciclo, la falla se presentó en 95% de los especímenes. Sin excepción alguna, en todos los tratamientos ocurrió falla y delaminación. Un aspecto importante que mencionan ^{Barbuta et al. (2012)} es que las delaminaciones son el resultado del alto nivel de distribución de tensiones interlaminares en los bordes libres en EWF.