ES2218423T3

ES2218423T3 - Impregnacion de la madera.

Info

Publication number: ES2218423T3
Application number: ES01942592T
Authority: ES
Inventors: Marc H. Schneider
Original assignee: Wood Polymer Technologies ASA
Current assignee: Wood Polymer Technologies ASA
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2001-01-18
Publication date: 2004-11-16
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: ATE262398T1; EP1253998B1; DK1253998T3; TR200401445T4; AU2001228210A1; DE60102449D1; PT1253998E; EP1253998A2; DE60102449T2; CA2397716A1; WO2001053050A3; CA2397716C; WO2001053050A2; NZ520212A

Abstract

Compuesto de madera-polímero, caracterizada por el hecho de que se utiliza madera húmeda como material inicial para la impregnación con monómeros polimerizables seleccionados a partir de un grupo que consiste en estireno, metil estireno y butil estireno terciario que se han polimerizado en la madera, siendo la polimerización iniciada con al menos tres iniciadores; estando dichos monómeros reticulados con divinil benceno, etilen glicol dimetacrilato, 1, 3-butilen glicol dimetacrilato, etilen glicol trimetacrilato o trimetilol propano trimetacrilato y preferentemente conteniendo dicho compuesto aceite o cera como un moderador de la polimerización y un repelente del agua para el compuesto.

Description

Impregnación de la madera.

La presente invención se refiere a un compuesto polímero-madera, en particular de madera que se ha impregnado con una mezcla que contiene compuestos orgánicos polimerizables, y más en particular a un procedimiento para preparar un compuesto polímero-madera por medio de impregnar un material de madera y/o un material con base de madera con una mezcla que contiene compuestos orgánicos polimerizables, y más en particular, las utilizaciones de la misma.

Antecedentes de la invención

Los compuestos polímero-madera de esta categoría se basan en la polimerización de un monómero en las cavidades de las células (in situ). El polímero producido usualmente es un termoplástico (polímero lineal). Los monómeros que pertenecen al grupo de los monómeros de vinilo son los que usualmente se utilizan con éste propósito. Los monómeros de vinilo utilizados se polimerizan por medio de una polimerización radical de cadena. Los monómeros de vinilo son no polares, y por lo tanto no aumentarán o reaccionarán con la pared celular del material de madera. Algunas personas entendidas en la técnica por lo tanto afirman que los materiales poliméricos de madera de este tipo no son compuestos "reales" porque no existe unión química entre los dos materiales combinados. Sin embargo, hay una gran extensión de infiltración y el material adquiere propiedades físicas y mecánicas alteradas, y por lo tanto debe definirse como un nuevo tipo de material. Las propiedades que se incrementan sustancialmente son densidad, dureza, resistencia al desgaste y módulo elástico. Los movimientos del agua líquida y de vapor de agua en el nuevo material se reducen mucho, especialmente a lo largo del grano. En la madera, el transporte a lo largo del grano es muchas veces mayor que a través del grano, pero en el nuevo material son aproximadamente iguales. Debido a que el polímero no reacciona con la estructura de las paredes de las células, las propiedades básicas de las paredes celulares leñosas no se cambian. Debido a que los poros de la madera se bloquean por medio del polímero, la humedad sólo puede moverse dentro de la pared celular leñosa no alterada, en espacios entre la pared celular y el polímero en el lumen, o en cualquier grieta que puede haber en el material. El tiempo de humidificación o secado de los compuestos polímero-madera del lumen celular será por lo tanto 10 a 20 veces más largo que para la madera no tratada. Esta demora es una ventaja en ambientes cambiantes (especialmente un derramamiento de agua). Debido al tiempo más prolongado, y debido a que el polímero puede inducir una restricción mecánica al hinchamiento, la estabilidad dimensional del nuevo material se mejora levemente. Sin embargo, esto puede llevar a tensiones locales en el material, que puede resultar en microgrietas cuando el material se somete a gradientes de humedad extremos.

Los monómeros usualmente utilizados para los compuestos polímero-madera para lumen celular son el metil metacrilato y el estireno y oligómeros insaturados de poliéster, debido a la gran existencia de estas sustancias químicas y por su bajo coste, así como el procedimiento relativamente simple para polimerizarlos. Los aspectos negativos del monómero de metil metacrilato son su considerable encogimiento (hasta un 25%) durante la polimerización y su presión de vapor relativamente alta (se evapora fácilmente). Los aspectos negativos del monómero de estireno son su alta presión de vapor (se evapora fácilmente) y su olor fácilmente detectable (bajo umbral de olor). Un aspecto negativo del oligómero de poliéster es su mayor viscosidad que limita las posibilidades de impregnación.

La evaporación del monómero puede llevar a un bajo llenado de las superficies por el monómero. El encogimiento del monómero puede llevar a un encogimiento y una deformación sustanciales de los materiales durante el curado, y puede ocasionar vacíos entre el polímero y la pared celular. Por medio de la selección de diferentes tipos de monómeros, estos problemas pueden reducirse.

Un problema de los compuestos polímero-madera previamente conocidos de esta categoría es que después de la impregnación y el curado, los mismos continúan liberando monómeros de vinilo que tienen un olor fácilmente detectable y que pueden ser irritantes y perjudiciales para la salud.

Otros problemas de los compuestos polímero-madera previamente conocidos son el agrietamiento, la deformación y la alteración del color de los materiales. Esto indica que las temperaturas de la etapa de curado causadas por medio del calor exotérmico de la reacción han sido demasiado elevadas, resultando en un encogimiento excesivo y un daño por pirolisis de la madera. El problema se incrementa dramáticamente con tamaños de sección transversal mayores, y en el pasado ha limitado el tamaño del material que se podría tratar de forma exitosa.

Otro problema de los compuestos de polímeros para la madera previamente conocidos resulta de una combinación de humedad en la madera y en el calor de curado. Debido al calor exotérmico de la reacción, la temperatura, especialmente de secciones transversales mayores, excede el punto de ebullición del agua. Esto causa un secado rápido, seguido de deformación y agrietado en madera húmeda. Por esta razón, el curado exitoso de la técnica anterior se ha limitado generalmente a madera seca (6% y menos de contenido de humedad).

(DATABASE WPI Sección Ch, Semana 198537 Derwert Publications Ltd., Londres, GB, Clase A21, AN
1985226813 XP002169284 & JP 60 147303 A (SANKEN KAKO KK), 3 Agosto 1985 (1985-08-03) describe una composición para impregnación de madera. Sin embargo, tal composición falla al relevar las características de la presente invención.

(DATABASE WPI Sección Ch, Semana 197434 Derwert Publications Ltd., Londres, GB; Clase A81, AN 1974-60765V XP002169285 & JP 49 028401 B (SHOWA DENKO KK), 26 Julio 1974 (1974-07-26) describe la impregnación homogénea de madera con plásticos utilizando una mezcla de monómero y un polímero catalizador y curado final, incluyendo la impregnación de madera con una mezcla de monómero que consiste en monómero de vinilo y reticulación, monómero, inyección en la madera impregnada de un catalizador de la polimerización que genera un radical libre, y finalmente irradiación de la madera con un rayo de ionización radioactivo. El monómero de vinilo se elige entre (m)etil metacrilato, propil metacrilato, butil metacrilato, estireno, (m)etil acrilato estireno nuclear sustituido, butil acrilato, vinil acrilato o acrilonitrilo. El monómero reticulado es un monómero líquido y se elige entre divinil benceno, dialil ftalato, etilen glicol, dímero o trímero de divinil benceno, dialil ftalato o etilen glicol o diéster de ácido (met)acrílico. El catalizador de la polimerización se selecciona entre peróxido de benzoil, peróxido de laurel, 2,2'-azobis-isobutilonitrilo, persulfato de potasio o persulfato de amonio. Comparado con la presente especificación, simplemente se conocen estireno como monómero de vinilo y divinil benceno como monómeros reticulados. Además, no hay indicación del uso de tres iniciadores ni indicación alguna el material de iniciación utilizado sea madera húmeda.

Descripción de la invención

Es objeto de la invención proporcionar una madera impregnada de polímero de alto contenido de humedad y que posea una dureza mejorada, que también tenga poco olor, y además, se observe poco agrietamiento en el material terminado, eliminando así las ventajas anteriores.

Esencialmente, este objeto se logra por medio del uso de un material de madera como material de iniciación que tenga un contenido de humedad de entre aproximadamente 3% a entre aproximadamente 90%, en particular desde aproximadamente 15% hasta aproximadamente 35%, especialmente desde aproximadamente 20% hasta aproximadamente 30% y preferentemente aproximadamente 25%, y sometiendo a dicho material a formulaciones de monómero polimerizable y condiciones de impregnación y de curado específicas.

La mezcla específica de monómeros polimerizables y aditivos combinados con un programa de temperatura de curado específica es importante para producir materiales inodoros.

Cuando se fabrican compuestos de polímeros para la madera, la humedad puede ser un problema, porque la reacción exotérmica provoca temperaturas por encima del punto de ebullición del agua en secciones transversales mayores sin tener en cuenta del procedimiento de calentamiento que se utilice. Se produce una rápida degradación. Esto provoca deformaciones y grietas.

Una característica esencial de la presente invención es utilizar materiales de madera de iniciación que tengan un alto contenido de humedad. No es un conocimiento anterior producir compuestos de polímeros para la madera utilizando madera húmeda como material de iniciación.

La madera, incluyendo los tipos baratos y material de desecho, puede utilizarse para producir materiales nobles de madera, tales como imitación de teca, caoba, y otros, y también proporcionarles propiedades nuevas como la resistencia al agua y requerimientos más simples y reducidos de mantenimiento. Debido a que los monómeros que se emplean son incoloros, los colores pueden añadirse, y por lo tanto el producto terminado puede colorearse por este medio.

Descripción de las realizaciones preferidas

Según la presente invención, el anterior y otros objetos son alcanzados por medio de un producto, procedimiento y usos del mismo como se describe en las reivindicaciones de la patente.

El compuesto de polímero para la madera, caracterizado por la utilización de la madera húmeda como material de iniciación impregnado con monómeros polimerizables seleccionados a partir de un grupo que consiste en estireno, metil estireno y butil estireno terciario que se han polimerizado en la madera, siendo la polimerización iniciada con al menos tres iniciadores; estando dichos monómeros reticulados con divinil benceno, etilen glicol dimetacrilato, 1,3-butilen glicol dimetacrilato, etilen glicol trimetacrilato o trimetilol propano trimetacrilato y preferentemente conteniendo dicho compuesto aceite o cera como un moderador de la polimerización y repelente del agua para el compuesto.

Procedimiento para preparar un compuesto de polímero para la madera por medio de impregnar un material de madera y/o un material con base de madera, caracterizado por las etapas de:

Proporcionar un material de madera que tienen un contenido de humedad desde aproximadamente 15 hasta aproximadamente 35% basado en el peso de dicho material de madera; impregnar dicho material de madera con una composición que comprende monómeros polimerizables seleccionados a partir de un grupo que consiste en estireno, metil estireno y butil estireno terciario que se han polimerizado en la madera, iniciándose la polimerización con al menos tres iniciadores; estando dichos monómeros reticulados con divinil benceno, etilen glicol dimetacrilato, 1,3-butilen glicol dimetacrilato, etilen glicol trimetacrilato o trimetilol propano trimetacrilato; y curando dicho material de madera impregnado con calentamiento a una temperatura suficiente para polimerizar y reticular los monómeros.

Se usa el compuesto de polímero para la madera según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 o como manufacturado según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 21, como umbral de puerta, laminado de puerta, suelo, asa, tablero de construcción, plataforma, madera acústica, mobiliario de exterior, mobiliario de interior, suelo de contenedor, aparatos de juego, cubierta de bancos, material de cubierta exterior, material de escalera y barandilla, cercos, estacas, o tablones.

Particularmente, dicho tablón es un durmiente de ferrocarril, especialmente un durmiente de ferrocarril ecológicamente compatible. También dicho tablón puede ser un poste, especialmente un poste ecológicamente compatible.

Sin embargo, el uso de dichos compuestos de polímero para la madera no debe restringirse a aquellos indicados anteriormente, pero pueden incluir en general toda clase de usos de productos de madera.

Para obtener un curado completo y bajas emisiones del producto terminado, se ha encontrado que se necesita una combinación de iniciadores. Un iniciador de baja temperatura inicia la reacción, un segundo (mayor temperatura) la continúa y un tercero (temperatura más alta) la termina. En la mayoría de estas categorías, pueden utilizarse iniciadores alternativos, dependiendo de las condiciones de reacción, seguridad de planta, coste y requerimientos de uso final. Se emplea aceite o cera para reducir la reacción exotérmica durante la polimerización de los materiales de mayor tamaño, y también para actuar como repelente del agua para el material. El aceite o la cera tienen un beneficio adicional ya que son de menor coste que el monómero, reduciendo el coste del tratamiento.

Los monómeros principales (estireno, metil estireno (en particular para metil estireno) y butil estireno terciario) pueden emplearse solos o en cualquier combinación. La principal ventaja del metil estireno y el butil estireno terciario es su menor presión de vapor y por lo tanto las menores emisiones en la planta de producción y en el producto terminado.

Las cantidades de los iniciadores y los reticuladores utilizados dependen del producto, procesos y uso final pero se encuentran entre un valor mínimo y un máximo para cada uno. Por debajo del valor mínimo, no funcionará; por encima del valor máximo la formulación funcionará pero esto es innecesario y costoso. La cantidad de aceite o cera depende del tamaño del producto, las condiciones de curado y las propiedades deseadas del uso final.

Las mezclas utilizadas se muestran en la Tabla 1.

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(Tabla pasa a página siguiente)

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Los siguientes ejemplos ilustrarán más extensamente la invención.

Ejemplos Materiales y procedimientos

Se utilizaron seis durmientes de ferrocarril de haya para el experimento. Algunos de ellos se cortaron en muestras más pequeñas y algunos se trataron en su totalidad.

Tipo de madera: haya (Fagus sylvatica)

Las dimensiones de las muestras de los seis durmientes fueron las siguientes:

: Muestras pequeñas: 65 x 55 x 280 mm, 96 piezas

: Muestras medianas: 55 x 145 x 800 mm; 12 piezas;

: Muestras grandes: 240 x 145 x 800 mm; 3 piezas;

: "Escala completa": 240 x 145 x 1700 mm, 3 piezas.

La Tabla 2 muestra la densidad seca y el perfil de humedad de los durmientes que se usaron en el experimento. Como se ve en la Tabla 2, los durmientes tenían un alto contenido de humedad. También existía una gran variación en el contenido de humedad entre los durmientes y dentro de cada durmiente individual. Cada una de las seis partes de la Tabla 2 representa una sección transversal de un durmiente individual. Se esperaba que las variaciones en el contenido de humedad también se encontraran en la dirección longitudinal de cada durmiente individual. La densidad seca promedio de los durmientes fue 663 kg/m^{3} \pm 39 kg/m^{3}.

TABLA 2 Número de muestra (superior) densidad seca en kg/m^{3} (centro) y contenido de humedad (número inferior) de las muestras individuales de control tomadas de la sección transversal de los seis durmientes

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Impregnación

Para todos los tratamientos, se utilizó la impregnación "célula completa". El producto de madera se colocó en un autoclave y se estableció un vacío entre aproximadamente 0,01 y aproximadamente 0,03 bar durante un tiempo específico (t_{v}) anterior al llenado de la vasija con un fluido de impregnación. Cuando el fluido está dentro, se reestableció la presión atmosférica y luego se produjo una sobrepresión de aproximadamente 7,5 bar. La sobrepresión se mantuvo por un tiempo específico (t_{p}).

Curado

Todo el curado de un monómero se llevó a cabo en un horno de aire caliente con temperaturas ajustadas a 70 y 140ºC. Debido a que el horno tenía calor residual en sus elementos de calentamiento, la temperatura se elevó a 80ºC después del funcionamiento durante varias horas a una temperatura ajustada de 70ºC. No obstante, la temperatura del curado es referida como de 70ºC.

Tratamientos completados y evaluaciones de los mismos

Se realizaron veinticinco tratamientos diferentes. Cada tratamiento se varió en lo que respecta al tamaño de los materiales de madera, proporción de sustancias químicas en la mezcla, tiempo de vacío y presión durante los procesos de impregnación, así como la temperatura y el tiempo de los procesos de curado. Se completaron cuatro etapas de la prueba. Se perfila una breve descripción y evaluación de las mismas más adelante.

Etapa 1

La Etapa 1 comprende dieciséis tratamientos diferentes de seis muestras pequeñas de cada tratamiento individual. Se utilizó una muestra de cada durmiente de forma que la variación de los materiales de madera de los diferentes tratamientos se distribuyó tan uniformemente como fue posible. Estos dieciséis tratamientos fueron la base de la evaluación de la calidad de impregnación, así como la evaluación de la química y la integridad del curado. Se utilizaron diferentes tiempos de vacío y de presión. Los mismos se resumen en la Tabla 3.

Los tratamientos pueden dividirse en cuatro grupos principales; a: tratamiento 1-4, b: tratamiento 5-8, c: tratamiento 9-12, d: tratamiento 13-16.

Grupo a

El grupo a fue tratado utilizando la primera fórmula química. El tiempo de vacío fue corto, 5-8 min. El tiempo de presión se varió entre 5 y 18 min. El tiempo de curado a 70ºC se varió entre 3 y 6,5 h. El tiempo de post-curado a 140ºC fue de aproximadamente 4 h. El nivel de conversión de estos tratamientos fue bajo, indicando de esta manera una alta evaporación del monómero durante el proceso de curado. El calor exotérmico de la reacción no fue observado, indicando que la polimerización no fue completa. No se reconoció ningún olor después de completar el curado, indicando valores muy bajos de monómero residual. Al secarse las muestras, se encogieron. El secado fue severo, por lo que produjo grietas en los materiales. La humedad residual fue estimada en 0%.

Grupo b

Luego de la evaluación del grupo a, se incrementó la concentración del iniciador en la mezcla de monómeros. Esto fue un intento para iniciar el curado más temprano. El tiempo de vacío se prolongó a 11-15 min. El tiempo de presión se varió de 4 a 19 min. El tiempo de curado a 70ºC se varió de 6 a 10 h. El tiempo de post-curado a 140ºC fue de 6h. Las muestras se enfriaron antes del post-curado. Durante el tiempo de curado más largo a 70ºC, se detectó calor exotérmico de la reacción. Para los números de tratamientos 6, 7 y 8 esto se observó después de 7 h, en donde la temperatura del núcleo de los materiales excedió la temperatura de la superficie de las muestras. No se reconoció olor alguno después de completar el post-curado a 140ºC. La reducción de humedad y la formación de grietas fueron las mismas que las observadas en el grupo a.

Grupo c

Después de la evaluación del grupo b, se realizó un curado a 70ºC sin post-curado. Se empleó la misma fórmula química que para el grupo b. El tiempo de curado a 70ºC se prolongó durante 7-10 h para observar cuándo se producía la reacción exotérmica y cuán alta era la temperatura del núcleo. La temperatura del núcleo excedió la temperatura de la superficie después de 5-7 h con un máximo que se produjo después de 8,5-11 h. El tiempo de vacío se redujo a 8,5 -11 min. El tiempo de presión se varió de 4,5 a 28 min. La medición se realizó después del curado a 70ºC. El olor fue "medio" después del curado a 70ºC. Esto indica que hay monómeros residuales que no han reaccionado. Para obtener una evaluación consistente de la captación de polímero, las muestras fueron post-curadas más tarde a 140ºC, pero esto no se registra en la Tabla 3.

Grupo d

Después de la evaluación del grupo c, se decidió utilizar otro iniciador en un intento de comenzar la polimerización en un paso anterior y posiblemente incrementar la conversión. Para este grupo, las mediciones y la evaluación se realizaron después del curado a 70ºC. El post-curado a 140ºC se llevó a cabo en un paso posterior para obtener una evaluación consistente de la captación de polímero y la conversión. El tiempo de vacío se redujo a 5-12 min. El tiempo de presión se varió de 0,5 a 4,5 min. El tiempo de curado a 70ºC se varió de 10 a 12 h. Se observó un acortamiento dramático del proceso de curado. El tiempo hasta que la temperatura del núcleo excedió la temperatura de la superficie fue de aproximadamente 2 h, y la temperatura máxima se observó entre las 4,5 a 5 h. Esto afectó el olor después del tratamiento. El olor se clasificó como "bajo" lo que indica un alto nivel de conversión. La conversión calculada aumentó dramáticamente del 72% para los grupos a-c al 88% para el grupo d. El nuevo iniciador tuvo éxito en la reducción del tiempo de reacción y en el aumento de la conversión.

Etapa 2

La etapa 2 comprende tres tratamientos individuales de los durmientes 1, 2 y 3. Los detalles se brindan en la Tabla 4, números de tratamiento 17, 18 y 19.

El tiempo de vacío se varió de 11 a 14,5 min, y el tiempo de presión se varió de 2,5 a 6,6 min. Para los tres tratamientos, la temperatura del horno se estabilizó entre 76 y 82ºC. Esto se mantuvo durante 18 h. Las muestras tenían una zona de aproximadamente 4 mm de profundidad en la superficie que tenía un bajo contenido de polímero, indicando la evaporación del monómero.

La mitad de las muestras de la etapa 2 se sometió post-curado a 140ºC durante 20 h. Esto produjo un encogimiento, deformación y grietas internas mayores en los materiales. Además, el núcleo fue marrón oscuro como resultado de la alta temperatura durante un tiempo tan prolongado. Las grietas internas no eran visibles en la superficie. Las grietas tenían la misma apariencia que aquellas producidas por medio del secado de la madera utilizando condiciones que son demasiado severas. El post-curado resultó en una humedad residual del 0%. No fue posible notar olor alguno de los materiales y por lo tanto se consideró que los monómeros residuales se hallaban a muy bajo nivel. Esto demuestra que la mezcla química claramente afecta el resultado.

Etapa 3

La etapa 3 se componía de tres tratamientos individuales de muestras grandes (sección transversal completa) de los durmientes 1, 2 y 3. Los detalles se brindan en la Tabla 4, número de tratamientos 20, 21 y 22. El tiempo de vacío se varió de 5 a 7,5 min. Para los tres tratamientos, la temperatura del horno se estabilizó entre 84 y 88ºC. Esto se mantuvo durante 19-22 h.

Etapa 4

La etapa 4 consta de tres tratamientos individuales de muestras a "escala completa" de durmientes 4, 5 y 6. Los detalles se brindan en la Tabla 4, tratamientos 23, 24 y 25. El tiempo de vacío se varió de 18 a 23 min. Y el tiempo de presión se varió de 8 a 9,5 min. Para los tres tratamientos, la temperatura del horno se estabilizó entre 86 y 88ºC. Esto se mantuvo durante 19-23 h.

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Carga de monómero y polímero y % de conversión de monómero a polímero

La carga de monómero y polímero, y la conversión de los diferentes tratamientos se dan en la Tabla 5, Tabla 6 y Tabla 7.

TABLA 5

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TABLA 6

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TABLA 7

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La dureza de la madera y el compuesto de polímero-madera hecho a partir de la misma se brindan en la Tabla 8.

TABLA 8

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Madera de pino

Especie de madera: Pino escocés (Pinus sylvestris)

Materiales y procedimientos

Se recibieron diez durmientes y se mapeo su contenido de humedad (CH) y la localización de duramen/albura para cada durmiente. Cada durmiente se pesó justo antes de la impregnación, después de la impregnación y después del curado. CH se midió por medio del corte de núcleos, separándolos en crecimientos, pesando cada crecimiento, secando al horno cada crecimiento y volviéndolos a pesar nuevamente. Este procedimiento brinda el CH en varias posiciones dentro de cada durmiente.

El monómero base utilizado fue una mezcla de 60 partes a 40 partes de para-metil estireno a estireno. Basado en el peso de este monómero base, se añadieron los siguientes ingredientes: 20% de aceite mineral (moderador de la reacción y repelente para el agua), 3,5% divinil benceno (reticulador), 0,5% 2,2'-azobis (2-metil butanonitrilo) (iniciador de baja temperatura), 0,2% 1,1'-azobis (ciclohexano carbonitrilo) (iniciador de temperatura media) y 0,5% butil perbenzoato terciario (iniciador de alta temperatura)

La impregnación se ha realizado en todos los durmientes utilizando vacío durante ½ hora, admitiendo el monómero y luego presión a 5,3 bar. El tiempo de presión para los durmientes 1, 4 y 9 fue de ½ hora, para el 2, 5, 6, 7 y 10 fue de 1 hora y para el durmiente 8 el tiempo de presión fue de 3 horas.

El curado se llevó a cabo en una cámara 300 mm mayor en todas las dimensiones que un único durmiente. La temperatura de la cámara de curado, la superficie del durmiente y las ubicaciones dentro del durmiente se midieron al tener lugar el curado. Los durmientes se trataron y curaron de forma individual, excepto los últimos dos, que se procesaron juntos durante todo el proceso.

Debido a que se produjo un cuarteamiento interno severo en las porciones de albura de algunos de los primeros durmientes tratados, se controló la temperatura de curado en algunos de los durmientes subsiguientes para tratar de disminuir este cuarteamiento.

Después del curado, se cortaron secciones transversales de cada durmiente en ubicaciones donde se había medido la temperatura, y el contenido de polímero se había evaluado para la sección. El CH del duramen también se midió en ese momento utilizando núcleos. Se serró un durmiente en forma longitudinal y se midieron las densidades de manera secuencial en la albura, duramen exterior y duramen interior en 1 m a lo largo de la longitud.

Se prepararon muestras de 50 mm cuadrados en sección transversal y 150 mm de longitud de albura y duramen no tratados, de duramen tratado, y de albura tratada con y sin cuarteamiento interno. Se cargaron perpendiculares al grano, paralelo a los anillos anuales (tangencialmente), que es la misma dirección en la que los cargará el disco de ferrocarril. La máquina de verificación registró la carga y el desplazamiento (medidos por medio de LVDT) en un registrador de datos. Esta área era de 50 mm por 50 mm, en el centro de la muestra.

Tratamientos completos y evaluación de los mismos CH justo antes del tratamiento

Los contenidos de humedad determinados en el momento del tratamiento se dan en la Tabla 9.

TABLA 9

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La penetración del monómero en la albura de todos los durmientes excepto el número 1 fue buena porque su CH se hallaba en el rango tratable. La penetración en la albura del durmiente número 1 se limitó a la corteza más seca, sin penetrar la albura más húmeda. Aún así, la captación total fue similar a otros durmientes.

Calidad del curado

Todos los durmientes se curaron y virtualmente no hubo olor después del enfriado a temperatura ambiente. El cuarteamiento preexistente de la superficie se expandieron muy poco y no aparecieron nuevas grietas.

El monómero en el duramen se curó. Esto se determinó por medio de la falta de olor y los valores de dureza equivalentes a los compuestos polímero-madera, y no los valores inferiores de la madera sin tratar. Las grietas internas en la albura se minimizaron cuando la temperatura de curado se moderó y cuando el contenido de humedad y la profundidad de la albura fueron menores. El efecto de la temperatura de curado se muestra en la Tabla 10.

TABLA 10

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La apariencia de los durmientes era buena y estaban limpios y se podían manipular con facilidad sin protección dérmica.

Carga de monómero y polímero

La Tabla 11 resume los resultados de carga.

TABLA 11

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La carga promedio de monómero de los nueve durmientes fue de aproximadamente 22 kg. La pérdida de peso durante el curado fue de aproximadamente 2 kg por durmiente o aproximadamente 9% del peso del monómero. Debido a que altas temperaturas, algunas sobre el punto de ebullición del agua, se alcanzaron durante el curado, algo de la pérdida de peso debe ser agua. Por lo tanto los 2 kg de pérdida de peso es parcialmente agua y parcialmente monómero. Si hubiera todo pérdida de monómero, otra forma de expresarlo sería que la conversión de monómero a polímero fue del 91%, que es levemente superior que para el mejor tratamiento para el durmiente de haya.

Carga de albura, duramen y diferentes ubicaciones y HC

Se calculó la carga de polímero para diferentes partes de los durmientes a partir de medidas de densidad hecha de piezas cortadas de los mismos. Casi todo el espacio disponible se llenó de polímero en la albura, dando densidades justo mayores que 1 g/cc (promedio 1,03 g/cc). La carga del duramen fue mayor cerca de los extremos del durmiente y alrededor de las grietas, y disminuyó con la distancia desde el extremo del durmiente, volviéndose cero aproximadamente a 30 cm del extremo. El polímero en el duramen estaba en la madera tardía y las cargas máximas estuvieron cerca del 50% del espacio disponible (densidad promedio de 0,72 g/cc).

Cualquier albura por debajo del 30% de CH bien tratada y todo CH del duramen fue adecuado para el tratamiento cuando se recibieron los durmientes.

Calidad

Habían cuarteados superficiales presentes antes del tratamiento. Los mismos se agrandaron levemente durante el tratamiento. La albura se encogió algo más que el duramen, produciendo algunas superficies redondeadas (2 a 3 mm). No se produjo deformación. La apariencia del durmiente era buena.

Fuerza de compresión y rigidez

Los valores de durmientes no tratados y tratados se informa en la Tabla 12.

TABLA 12

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Debido a que la rigidez (MOE) y la producción de fuerzas (carga a la cual el material se comienza a quebrar) son principalmente determinadas por las propiedades de la madera temprana cuando la carga es en la dirección tangencial, y debido a que el polímero de duramen WPC se encuentra principalmente en la madera tardía, se espera que las propiedades del duramen WPC sean similares a la madera no tratada como se indica en la tabla. La alta carga de albura WPC (reflejada en densidades altas) incrementa mucho la fuerza y la rigidez. Los valores de producción de fuerzas y MOE en la albura son aproximadamente los mismos que los valores para maderas duras tratadas, tales como la de abedul.

Estos resultados indican que la resistencia a la carga compresiva y a desgaste mecánico debe ser notablemente mejor en durmientes WPC que en la madera de la cual fueron hechos.

Claims

1. Compuesto de madera-polímero, caracterizada por el hecho de que se utiliza madera húmeda como material inicial para la impregnación con monómeros polimerizables seleccionados a partir de un grupo que consiste en estireno, metil estireno y butil estireno terciario que se han polimerizado en la madera, siendo la polimerización iniciada con al menos tres iniciadores; estando dichos monómeros reticulados con divinil benceno, etilen glicol dimetacrilato, 1,3-butilen glicol dimetacrilato, etilen glicol trimetacrilato o trimetilol propano trimetacrilato y preferentemente conteniendo dicho compuesto aceite o cera como un moderador de la polimerización y un repelente del agua para el compuesto.

2. Compuesto de madera-polímero según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos monómeros son estireno, para-metil estireno, butil estireno terciario y combinaciones de los mismos.

3. Compuesto de madera-polímero según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos tres iniciadores son al menos un iniciador de baja temperatura seleccionado a partir de un grupo que consiste en 2,2'-azobis (2-metil butano nitrilo), peróxido de benzoilo, 2,2'-azobis (2,4-dimetil pentanitrilo), y 2,2'-azobis (2-metil propanonitrilo); al menos un iniciador de temperatura media seleccionado a partir de un grupo que consiste en 1,1'-azobis (ciclohexano carbonitrilo) y 1,1'-azobis (ciano ciclohexano carbonitrilo); y al menos un iniciador de alta temperatura seleccionado a partir de un grupo que consiste en butil perbenzoato terciario y di-butil peróxido terciario.

4. Compuesto de madera-polímero según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos monómeros polimerizable presentes en el compuesto como monómeros polimerizables se distribuyen a lo largo de todo dicho compuesto.

5. Compuesto de madera-polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dichos monómeros polimerizables presentes en el compuesto como monómeros polimerizados se distribuyen dentro de los límites de una corteza que se extiende desde una profundidad de 2 mm por debajo de las superficies exteriores del compuesto a una profundidad mayor.

6. Compuesto de madera-polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicho compuesto que contiene dichos monómeros polimerizados tienen una densidad de entre aproximadamente 0,8 g/cc hasta aproximadamente 1,2 g/cc.

7. Compuesto de madera-polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicho compuesto antes de ser impregnado con dichos monómeros polimerizables tiene un contenido de humedad promedio de entre aproximadamente 3 hasta aproximadamente 90% y después de ser impregnado con dichos monómeros polimerizables tiene un contenido de humedad promedio de entre 0 hasta aproximadamente 50%.

8. Compuesto de madera-polímero según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que dicho compuesto es un producto de madera redondo, serrado o laminado.

9. Compuesto de madera-polímero según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el producto de madera es un durmiente de ferrocarril, especialmente un durmiente de ferrocarril ecológicamente compatible.

10. Compuesto de madera-polímero según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que el producto de madera es un poste, especialmente un poste ecológicamente compatible.

11. Procedimiento para preparar un compuesto madera-polímero por medio de la impregnación de un material de madera y/o un material con base de madera, caracterizado por medio de las etapas de:

Proporcionar un material de madera que tiene un contenido de humedad de entre aproximadamente 15 hasta aproximadamente 35% en base peso de dicho material de madera; impregnando dicho material de madera con una composición que comprende monómeros polimerizables seleccionados a partir de un grupo que consiste en estireno, metil estireno y butil estireno terciario que se han polimerizado en la madera, siendo iniciada la polimerización con al menos tres iniciadores; estando dichos monómeros reticulados con divinil benceno, etilen glicol dimetacrilato, 1,3 butilen glicol dimetacrilato, etilen glicol trimetacrilato o trimetilol propano trimetacrilato; y curando dicho material de madera impregnado con calor hasta una temperatura suficiente para polimerizar y reticular los monómeros.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el material de madera se impregna bajo vacío.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el material de madera se impregna bajo presión.

14. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el material de madera se cura en un horno de aire caliente, con vapor o con aceite caliente.

15. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el contenido de humedad es de aproximadamente 25%.

16. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que dicho curado se produce en un horno de aire caliente y dicha temperatura de dicho aire caliente es entre aproximadamente 70 hasta aproximadamente 140ºC.

17. Procedimiento según la reivindicación 16, caracterizado por el hecho de que la temperatura es de aproximadamente 70ºC.

18. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que dicha polimerización se inicia con tres iniciadores seleccionados entre iniciadores de baja, media y alta temperatura, donde al menos se selecciona un iniciador de baja temperatura a partir de un grupo que consiste en 2,2'-azobis (2 metil butano nitrilo), benzoil peróxido, 2,2'-azobis (2,4 dimetil pentanitrilo), y 2,2'-azobis (2 metil propanonitrilo), donde al menos un iniciador de temperatura media se selección a partir de un grupo que consiste en 1,1'-azobis (ciclohexano carbonitrilo) y 1,1'-azobis (ciano ciclohexano carbonitrilo) y donde al menos un iniciador de alta temperatura se selecciona a partir de un grupo que consiste en butil perbenzoato terciario y butil peróxido di-terciario.

19. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el tiempo de impregnación es de entre aproximadamente 15 hasta aproximadamente 45 minutos.

20. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el tiempo de curado es de entre aproximadamente 2 hasta aproximadamente 12 horas.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, caracterizado por el hecho de que el tiempo de curado es aproximadamente de 8 horas.

22. Utilización del compuesto de madera-polímero según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 o fabricado según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 21, como umbral de puerta, laminado de puerta, suelo, asa, tablero de construcción, plataforma, madera acústica, mobiliario de exterior, mobiliario de interior, suelo de contenedor, aparatos de juego, cubierta de bancos, material de cubierta exterior, material de escalera y barandilla, cercos, estacas, o tablones.

23. Utilización según la reivindicación 22, en la cual el tablón es un durmiente de ferrocarril, especialmente un durmiente de ferrocarril ecológicamente compatible.

24. Utilización según la reivindicación 23, en la cual el tablón es un poste, especialmente un poste ecológicamente compatible.