ES2230473T3 - Madera impregnada de polimero de furano. - Google Patents

Abstract

Madera impregnada con un polímero de furano, caracterizada por madera impregnada con una solución de monómero de alcohol furfural polimerizable, que contiene agua, estabilizadores de bórax y sales sódicas de ácidos lignosulfónicos, alcohol furfurilo, y al menos un compuesto adicional seleccionado de entre el anhídrido maleico, el anhídrido ftálico, el ácido maleico, el ácido málico, el ácido ftálico, y combinaciones de los mismos.

Description

Madera impregnada de polímero de furano.

La invención descrita en ésta se refiere a una madera impregnada de polímero de furano, la cual es uniforme en color y densidad en todas partes de la zona tratada. Con objeto de obtener la madera impregnada en polímero, se ha impregnado una madera de partida con una solución de monómero de alcohol furfural polimerizable que contiene agua, estabilizadores, alcohol furfurilo, y al menos un compuesto adicional. La invención se refiere también a un procedimiento para preparar una madera impregnada con polímero de furano y a los usos de la misma.

Actualmente, la madera se conserva (protege del biodeterioro) químicamente, principalmente usando conservantes tóxicos. La mayoría de estos conservantes también tienen toxicidad para otros organismos en el entorno, incluyendo los humanos. Incluso si están bien fijados en la madera, su presencia representa un problema para su uso final. Las dos estrategias que se han diseñado para usar compuestos químicos más respetuosos con el medio ambiente son i) uso de sales solubles en agua, las cuales tienen una toxicidad menor, y ii) uso de compuestos químicos no tóxicos, los cuales reaccionan con y alteran las paredes de las células de la madera, haciéndolas menos susceptibles al biodeterioro.

La estrategia i) tienen el inconveniente de que tales sales usualmente se filtran desde la madera en contacto con el agua, limitando su utilidad. Se han usado compuestos de boro y cobre de esta forma. Estos tienen la ventaja de que algunas de tales sales actúan como retardante del fuego, así como reductoras del biodeterioro.

Un ejemplo de la estrategia ii) es el sujeto de la previa invención descubierta por Schenider (NO-A-20.005.137) basada en formulaciones de tratamiento de alcohol furfurilo (FA). Esta invención previa usaba una solución de tratamiento no diluida, y trataba la madera hasta niveles de retención elevados. Para madera con una gravedad específica cercana a 0,30 (tales como la de pino), la retención del compuesto químico podría aproximarse al 200% del peso de la madera seca. Para maderas más densas (aproximadamente 0,60 de gravedad específica, tales como la de arce y haya) la retención puede estar en el rango del 100%. Se ha observado que este nivel de retención proporciona una protección excelente frente al biodeterioro, una estabilidad dimensional elevada en condiciones de humedad cambiante, y un incremento en la mayoría de las propiedades mecánicas, particularmente en la dureza. La principal desventaja con este tratamiento es la gran cantidad de compuesto químico usado y el coste resultante.

El alcohol furfurilo es altamente soluble en agua y, por tanto, forma fácilmente una solución uniforme con agua, la cual puede usarse para impregnar la madera. Por tanto, fácilmente se preparan soluciones de impregnación de FA contienen diferentes cantidades de agua. No obstante, hay aspectos que deben superarse antes de que pueda prepararse un compuesto de polímero y madera útil. Primero, después de impregnarse en la madera, la solución debe polimerizarse para ser útil. Segundo, la polimerización debe ocurrir en madera húmeda o seca. Tercero, la polimerización debe ocurrir a temperaturas bastante bajas.

Por tanto, deben añadirse iniciadores químicos a la FA para hacer que polimerice en el rango de temperaturas deseado, y en madera húmeda o seca. Desde NO-A-20.005.137 se conoce como iniciar el FA y hacer que polimerice en el rango de temperatura deseado. Sin embargo, el FA inicial a partir de esa tecnología no se mezcla bien con el agua. Su combinación causa que las mezclas se separen en dos componentes que no se pueden impregnar uniformemente en la madera.

Un objeto de la invención es proporcionar una madera impregnada con polímero de furano mediante la alteración de las paredes celulares de la madera con el mismo monómero químico que se descubrió en NO-A-20.005.137, pero usando cantidades más pequeñas del compuesto químico.

Otro objeto de la invención es proporcionar una distribución uniforme de los compuestos químicos en la madera impregnada con polímero de furano, la cual causa un color y densidad uniformes en todas las partes de la zona tratada, pero usando el agua como un diluyente respetuoso con el medio ambiente y que no perjudica la producción, la cual permite una retención baja pero uniforme del compuesto químico activo en la zona tratada de la madera.

Aún otro objeto de la invención es proporcionar una madera impregnada de polímero de furano que tiene propiedades mejoradas en relación a su estabilidad dimensional, resistencia a la putrefacción, i.a. (in absentia)

De acuerdo con la presente invención, los objetos precedentes, y otros, se consiguen mediante un producto, procedimiento, y usos de los mismos, tal como se descubre en las reivindicaciones de la patente.

En una realización de esta invención, se proporciona una madera impregnada de polímero de furano, caracterizada por una madera impregnada con una solución de monómero de alcohol furfural polimerizable que contiene agua, estabilizadores de borax y sales sódicas de ácidos lignosulfónicos, alcohol furfurilo, y al menos un compuesto adicional seleccionado de entre el anhídrido maleico, el anhídrido ftálico, el ácido maleico, el ácido ftálico, y combinaciones de los mismos.

En otra realización de esta invención, se proporciona un procedimiento para preparar una madera impregnada con polímero de furano, caracterizado en que la madera se impregna mediante un paso de impregnación con la solución de monómero de alcohol furfural polimerizable que contiene agua, estabilizadores de borax y sales sódicas de ácidos lignosulfónicos, alcohol furfurilo, y al menos un compuesto adicional seleccionado de entre el grupo consistente en los anhídridos y ácidos mencionados más arriba, y combinaciones de los mismos, seguido por un paso de curado.

En todavía otra realización de la invención, se proporciona el uso de una madera impregnada de polímero de furano de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 6, o tal como se ha fabricado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11.

Dos claves de la invención son 1) el uso de uno o más compuestos químicos que actúan como iniciadores, y 2) el uso de estabilizadores que permiten que el monómero iniciado sea soluble en agua. Los iniciadores tienen una afinidad similar por la madera que el alcohol furfurilo, y, por tanto, penetran en la madera y permanecen en solución tan profundo como penetran. Dondequiera que penetra la solución, ésta es polimerizable. Los iniciadores se seleccionan de entre el grupo del anhídrido maleico, anhídrido ftálico, ácido maleico, ácido málico, y ácido ftálico. No obstante, preferiblemente se usan un compuesto seleccionado de entre el anhídrido maleico, anhídrido ftálico, y combinaciones de los mismos. Los estabilizadores son el borax y los ácidos lignosulfónicos. Para preparar una solución de tratamiento, al menos uno de los iniciadores, preferiblemente sólo uno de estos iniciadores, y ambos estabilizadores se disuelven en agua. A continuación se añade el alcohol furfurilo, formándose una solución que tiene una vida útil de varios meses a temperatura ambiente.

Si se necesita una impregnación de superficie limitada o una penetración a contrahilo, pueden usarse el cepillado, laminado, pulverización, o empapamiento.

Para maderas fácilmente impregnables, cuando se necesita una penetración profunda, podría usarse sólo el vacío. Para una penetración profunda y uniforme, hay tres opciones: a) presión sola (1 a 10 bares), b) vacío seguido por presión (proceso a célula llena), c) presión atmosférica o baja (1 bar) seguida por presión y a continuación el vacío final (proceso a célula vacía).

Para maderas difíciles de penetrar, como la de pícea, podría usarse el procedimiento de la presión oscilante.

El tiempo para la totalidad de estos procesos depende de muchos factores, incluyendo la capacidad de la maquinaria, el tamaño de la madera, la especie de madera, y la penetración deseada.

El procedimiento de impregnación usado generalmente (proceso a célula llena) de acuerdo con la presente invención dependerá de la carga de tratamiento deseada, tal como sigue:

i)

cargar el contenedor con la madera y asegurar la carga para que no flote (si de usar presión de aire, es decir, si no se usa un sistema de bombeo de presión de fluido),

ii)

cerrar la puerta y aspirar un vacío parcial apropiado,

iii)

llenar el contenedor con la solución de tratamiento,

iv)

presurizar la madera sumergida hasta un presión en el rango de 7 a 10 bares (100-150 psi) dependiendo de la especie de madera y de otros factores. Presurizar durante 30 a 60 minutos,

v)

transcurrido el tiempo suficiente bajo presión, reducir la presión a 2 ó 3 bares, y expulsar el fluido de tratamiento con la presión restante,

vi)

aspirar un vacío completo en el contenedor de tratamiento y mantenerlo durante aproximadamente 15 minutos,

vii)

liberar el vacío y presurizar hasta 2 bares,

viii)

expulsar el fluido de tratamiento (el cual fue retirado de la luz de las células en el paso iv),

ix)

liberar toda presión, abrir la puerta y retirar la madera tratada hacia el área de curado.

El contenido en humedad de la madera debe estar por debajo del punto de saturación de la fibra (aproximadamente el 30% MC) en la zona a ser tratada. Cuanto más por debajo, más compuesto químico podrá impregnarse. Si se requiere una cantidad objetivo específica, deben tomarse en consideración el contenido en humedad de la madera y la cantidad de solución impregnada, y ajustarse en consecuencia la concentración del compuesto químico de tratamiento.

La solución de tratamiento se mezcla, y podría contener, en base al peso de una determinada cantidad de agua: bórax (30%), anhídrido maleico (2,3%), sal sódica del ácido lignosulfónico (5,5%), y alcohol furfurilo (30,0%).

La operación de mezclado se inicia mediante calentando el agua hasta aproximadamente 60ºC para facilitar la adición del bórax, el anhídrido maleico, y los componentes del ácido lignosulfónico. Cuando estos aditivos sólidos están completamente disueltos en el agua, se enfría la solución a 20-25ºC, y a continuación se mezcla el alcohol furfurilo con agitación, y se almacena a una temperatura de 15-20ºC.

El curado puede tener lugar a un rango de temperaturas, empezando a desde 25ºC hasta aproximadamente 140ºC. Las temperaturas más bajas (por debajo de 40ºC) requieren un largo período para curar (días o semanas). Desde aproximadamente 70ºC hasta 100ºC, el tiempo de curado es de horas. Por encima de 100ºC hace el período aún más corto, pero las condiciones son difíciles puesto que puede ocurrir el secado rápido y romperse la madera.

De acuerdo con la presente invención, el curado con vapor, o aire húmedo, seco, en el rango de temperaturas de aproximadamente 70-100ºC funciona bien a una temperatura fija dentro del rango. También, la temperatura puede incrementarse a medida que progresa el curado y secado. Esencialmente, esta es una operación de secado en secadero a temperatura convencional. El curado y secado en aceite caliente también funciona bien a temperaturas desde 70 hasta 120ºC, bien a temperatura fija dentro del rango, o incrementando la temperatura dentro del rango a medida que progresa el curado y secado. El alcohol furfurilo curará fácilmente en este rango de temperaturas con la proporción de alcohol furfurilo/iniciador usada. El material de 10 a 20 mm de grosor curará en sólo dos o tres horas, pero el secado hasta el contenido de humedad final tarda más.

El material de partida es un material de madera, usualmente maderos, lo que incluye los tablones (maderos gruesos), pero también puede ser materiales compuestos de madera, tales como tableros de fibras orientadas y tableros de partículas. Pueden utilizarse materiales de madera de cualesquiera dimensiones.

La longitud de los materiales de madera es importante puesto que las soluciones de tratamiento viajan muy rápidamente a lo largo de la longitud, pero muy lentamente a través de la sección transversal. Con maderas permeables como la de haya y la de abedul, la uniformidad del tratamiento está determinada por cuan bien permanece uniforme la solución de tratamiento a medida que viaja a lo largo de la longitud. Cuando la impregnación es completa, el material de madera permeable formado mediante este procedimiento tiene propiedades uniformes en todas partes. El color, la resistencia a la humedad y al deterioro, y las propiedades mecánicas son consistentes en todas partes. Las propiedades y color de las piezas individuales de maderos tratados de esta forma dependen de la carga de polímero alcanzada. Especies de maderas diferentes, e incluso tableros diferentes de la misma especie, podrían impregnarse de forma diferente. No obstante, la resistencia a la humedad y al deterioro se ven poco afectadas por la carga.

El material de madera, incluyendo los tipos baratos y el material de deshecho, puede usarse para producir productos de madera noble tales como imitaciones de teka, mahogany, y otros, y también para proporcionarlos con nuevas propiedades como la resistencia al agua y requisitos de mantenimiento más simples y reducidos.

Los siguientes ejemplos ilustrarán aún más la invención.

Se hicieron intentos para cambiar los tipos y cantidades de iniciadores para obtener una combinación que resultara en un mezcla soluble al agua, curable, con una vida en almacenamiento útil. Después de muchos ensayos, varias cosas se hicieron evidentes:

1.

El anhídrido maleico (MA) fue el mejor iniciador de la polimerización. Es también un componente deseable puesto que se cree que actúa como un agente de unión a la madera.

2.

Se necesitaron estabilizadores para mantener la mezcla uniforme. De otra forma, se separaba en dos componentes u uno se depositó en el fondo.

3.

El pH debe estar cerca del neutro para que se forme y mantenga una mezcla uniforme, estable.

4.

El pH debe estar en el lado ácido para que tenga lugar el curado.

Se ensayaron tensioactivos y compatibilizadores como estabilizadores. El bórax (tetraborato sódico decahidrato) resultó en mezclas homogéneas que penetraban bien la madera, y, por tanto, pasó a ser uno de los estabilizadores elegidos. En algunas mezclas, un tamponado más fuerte, para controlar el pH, usando otros compuestos, tales como el hidróxido sódico, ayudó a mantener una mezcla uniforme. Tales compuestos deben mantener su capacidad tamponante hasta que la madera está impregnada. Entonces, es necesario que el pH descienda para facilitar el curado.

Los efectos, de variar el iniciador de MA y el estabilizador de bórax en la mezcla, sobre algunas propiedades físicas de la madera tratada con ellos se proporcionan en la Tabla 1.

TABLA 1 Concentraciones de mezcla de monómero y efectos sobre las propiedades de la madera

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1

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\vskip1.000000\baselineskip

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{145mm}  Nota: los valores en cursiva se
han interpolado o se han calculado a partir de los valores
interpolados. El porcentaje de hinchamiento es el hinchamiento que
permanece después del curado. El porcentaje de incremento del peso
es después del curado. El hinchamiento por agua es el hinchamiento
máximo en agua líquida a 23ºC, y el ASE es la eficiencia
anti-hinchamiento o porcentaje de retardo del
hinchamiento del material curado en agua líquida (basado en los
datos de hinchamiento por
agua). \end{minipage} \cr}

Para ser útil, la mezcla debe impregnar y curarse a continuación en todas partes de la madera, proporcionando un producto uniforme. Se seleccionó la mezcla de monómero que contiene el 23,1% de FA, y el 5,1% de cada uno de MA y bórax, para un ensayo de uniformidad de tratamiento. Los resultados se proporcionan en la Tabla
2.

\newpage

TABLA 2 Resultados de tratar las muestras para uniformidad

Muestras de pino escocés

2

Muestra de haya

3

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
  \begin{minipage}[t]{110mm}  Nota: El peso está en gramos,
 soln  es solución (mientras todavía es líquida),  poly 
es polímero (después del curado), y el porcentaje de sólidos es la
solución convertida a
polímero. \end{minipage} \cr}

El estudio de la concentración mostró que la solución introducida en la madera a concentraciones entre aproximadamente el 8% y el 39% progresivamente incrementa las dimensiones de la madera en impregnación, carga de polímero, y eficiencia anti-hinchamiento. Los valores para la concentración escogidos para el trabajo adicional (37%) y la concentración más elevada en agua ensayada (39%) se comparan en la Tabla 3 con valores para no diluida, iniciada con FA.

TABLA 3 Relación entre los valores máximos (solución con el 94% de FA) y los valores diluidos (solución con el 31% y 39%) de las propiedades de la madera

Porcentaje del máximo (94% de FA)

5

Estos resultados muestran que para aproximadamente el 30% de la cantidad de polímero en madera que proporcionaría una carga completa, resulta en un material que tienen el 60% de la resistencia al hinchamiento para un madera de menor densidad (pino) y aproximadamente el 50% para una madera de densidad más elevada (haya). Por tanto, el polímero presente en la madera es más efectivo para prevenir el hinchamiento de lo que su cantidad sugeriría a primera vista.

Resistencia a la pudrición

La principal razón para tratar la madera con esta tecnología es hacerla resistente al biodeterioro, especialmente a la pudrición causada por hongos que pudren la madera. Para ensayar la resistencia a la pudrición, se trataron muestras de 50 mm de longitud y una sección transversal de 15 mm por 25 mm con una solución con concentración del 23,1% de FA, y 5,1% de cada uno de MA y bórax. A continuación se expusieron a varios hongos pudridores marrones y blancos de acuerdo con el Estándar Europeo EN113. Los resultados del ensayo se proporcionan en la Tabla 4.

TABLA 4 Resultados del ensayo de pudrición

Muestras de pino

6

Muestras de haya

8

Los valores de pérdida de peso para cada hongo y ambas especies permiten que las maderas tratadas sean clasificadas como "altamente resistentes" a la pudrición de acuerdo con el Estándar EN113.

No se halló que la solución a aproximadamente el 30% de concentración proporcionara a la madera protección frente a la humedad y la pudrición. No obstante, otras concentraciones proporcionarán también propiedades mejoradas. Para proteger los rangos que se espera sean útiles, se sugieren los siguientes límites para los porcentajes de solución en agua:

FA MA Bórax NaOH Inferior Superior Inferior Superior Inferior Superior Inferior Superior 2 90 2 5 1 5 1 5

Claims (12)

1. Madera impregnada con un polímero de furano, caracterizada por madera impregnada con una solución de monómero de alcohol furfural polimerizable, que contiene agua, estabilizadores de bórax y sales sódicas de ácidos lignosulfónicos, alcohol furfurilo, y al menos un compuesto adicional seleccionado de entre el anhídrido maleico, el anhídrido ftálico, el ácido maleico, el ácido málico, el ácido ftálico, y combinaciones de los mismos.

2. Madera impregnada de polímero de furano de la reivindicación 1, caracterizada en que dicho compuesto adicional es el anhídrido maleico.

3. Madera impregnada de polímero de furano de la reivindicación 1, caracterizada en que dicho compuesto adicional es anhídrido ftálico.

4. Madera impregnada de polímero de furano de la reivindicación 1, caracterizada en que dicho compuesto adicional es ácido maleico.

5. Madera impregnada de polímero de furano de la reivindicación 1, caracterizada en que dicho compuesto adicional es ácido málico.

6. Madera impregnada de polímero de furano de la reivindicación 1, caracterizada en que dicho compuesto adicional es ácido ftálico.

7. Procedimiento para preparar una madera impregnada con polímero de furano, caracterizado en que la madera se impregna mediante un paso de impregnación con una solución de monómero de alcohol furfural polimerizable que contiene agua, estabilizadores de bórax y sales sódicas de ácidos lignosulfónicos, alcohol furfurilo, y al menos un compuesto adicional seleccionado de entre el anhídrido maleico, el anhídrido ftálico, el ácido maleico, el ácido málico, el ácido ftálico, y combinaciones de los mismos, seguido por un paso de curado.

8. Procedimiento de la reivindicación 7, caracterizado en que dicho curado se realiza mediante el uso de una temperatura en el rango de aproximadamente 70 a aproximadamente 140ºC.

9. Procedimiento de la reivindicación 8, caracterizado en que dicho curado requiere el secado en un secadero convencional usando el programa de temperaturas normal para secar maderos verdes, sin tratar, del mismo tamaño y especie que el material impregnado, con temperaturas al inicio del curado de aproximadamente 70ºC y al final de aproximadamente 80ºC, con un paso final de post-curado de 100 a 120ºC para material con la máxima dureza y sequedad.

10. Procedimiento de la reivindicación 9, caracterizado en que dicho curado y secado puede conseguirse usando programas de secadero de alta temperatura en el rango de temperaturas de 80 a 120ºC.

11. Procedimiento de la reivindicación 10, caracterizado en que el curado se realiza sumergiendo el material tratado en aceite caliente, preferiblemente de 80 a 120ºC, con la temperatura fija o comenzando por debajo del rango e incrementando a medida que progresan el curado y secado.

12. Utilización de madera impregnada con polímero de furano, preparada según las reivindicaciones 7 a 11, como partes de construcción (tableros, cornisas, cerramientos, antepechos, armazones, carpintería prefabricada), partes de barcos (armazones, piso de tablas, cubiertas), objetos marinos (muelles, embarcaderos, trampas para langostas, perchas de rebasaderos), objetos exteriores (mobiliario, cubiertas, barandas y escaleras, pasarelas, entablados, equipamiento recreativo), partes de puentes (vigas, barandas, plataformas), traviesas de vías de tren, listones de toalleros, perchas de servicio, vigas gruesas, postes de vallas, estacas, objetos de autopistas (postes de pretiles, rampas de pretiles, postes de señales, mástiles de luces), y contenedores (tanques, cubos).