ES2611460T3 - Procedimiento para acetilación de madera - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para la acetilación de madera que comprende las etapas: (a) sumergir la madera en un recipiente de reacción a presión que tiene un contenido de humedad de 6% a 20% en peso en un fluido de acetilación a una temperatura de 10°C a 120°C (b) aumentar la presión en el recipiente de 2 a 20 bares por un periodo de 10 minutos a 300 minutos (c) eliminar el exceso de fluido de acetilación del recipiente (d) introducir en el recipiente un fluido inerte gaseoso que no reacciona con anhídrido acético o ácido acético, que circula y calienta el fluido hasta que la temperatura interna de la madera empieza a mostrar un desprendimiento de calor, que controla el suministro de calor a la madera hasta que se completa el desprendimiento de calor y que mantiene la temperatura interna de la madera debajo de 170°C (e) calentar el fluido circulante a una temperatura de 85°C a 150°C por un tiempo de 10 a 30 minutos para iniciar una segunda reacción exotérmica, que controla el suministro de calor a la madera hasta que se completa el desprendimiento de calor y que mantiene la temperatura interna de la madera debajo de 170°C (f) eliminar el fluido circulante y permitir a la madera acetilada enfriarse a temperatura ambiente.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para acetilacion de madera
La presente invention se relaciona con la modification de componentes de madera, y en particular la modification de especies de maderas solidas, no durables por acetilacion, para mejorar caracterlsticas deseables tales como durabilidad, estabilidad dimensional, estabilidad a la luz ultravioleta y conductividad termica. Se consideran generalmente las especies de maderas no durables como la madera blanda derivada de arboles conlferos, y maderas duras no durables tales como son descritas en las clases 4 y 5 de durabilidad BRE (vease abajo).
Los beneficios de la acetilacion de maderas blandas solidas, maderas duras solidas no durables y chapas de madera (de aqul en adelante denominadas colectivamente como madera) han sido estudiadas extensivamente en una escala de laboratorio y documentadas en publicaciones academicas y comerciales. Definida de forma amplia, la acetilacion de madera resulta en la conversion de grupos hidroxilo en componentes de madera a grupos acetilo. De esta forma esta modificacion qulmica tiene efecto de convertir grupos hidroxilo hidrofllicos a grupos acetilo hidrofobos.
La documentation de la tecnica anterior se ha centrado principalmente en las mejoras en la durabilidad y estabilidad dimensional de pequenas piezas de madera primariamente para investigaciones de laboratorio y son de significancia comercial pequena. La durabilidad es esencialmente la resistencia de la madera a procesos naturales de pudricion, tales como los provocados por hongos, mientras se puede describir la estabilidad dimensional como una reduction en el hinchamiento y encogimiento cuando se somete la madera a ciclos de hinchamiento por agua, o por humedad, seguida por secado.
En trabajos anteriores de acetilacion de madera (Forest Products Journal, Feb 1964, pagina 6, Goldstein, Dreher y Cramer), se disolvio anhldrido acetico en diluentes, tales como xileno y tolueno, para asistir la penetration de pino ponderosa, arce de azucar y roble blanco. La capacidad de aplicacion de esta tecnica no esta dirigida a tamanos usados comercialmente de madera, donde la penetracion del grano cruzado es esencial en terminos de durabilidad y estabilidad dimensional. Adicionalmente, las corrientes de subproductos eran mezclas de mezclas diflciles de separar de anhldrido acetico, acido acetico y xileno.
El procedimiento descrito en el documento europeo 213 252 esta dirigido principalmente a la acetilacion de fibras de madera y virutas, y no a tamanos comerciales de madera. Los ejemplos dados para madera solida son de la aplicacion del procedimiento en una escala de laboratorio a tamanos muy pequenos.
El documento europeo 680810 intenta dirigir la acetilacion de madera solida de dimensiones comerciales, pero al hacerlo se basa en una impregnation por anhldrido acetico en la ausencia de control efectivo sobre el calor de reaction que es generado en la madera. Las temperaturas en la madera pueden por lo tanto elevar los niveles que pueden causar rompimiento interno y carbonization, que reducen significativamente la resistencia de la madera acetilada. El documento EP 680810 tambien se basa en el paso de caracterizacion de postratamiento de la madera acetilada con vapor. Los solicitantes han encontrado que esto es ineficaz en gran medida en eliminar, acido acetico residual.
El documento internacional WO 2005/077626 se ocupa casi exclusivamente de la acetilacion de madera secada en horno, lo que significa que esta libre de toda, excepto trazas de humedad. Mientras este procedimiento puede ser aplicable a longitudes cortas de madera usadas en los experimentos reportados, la madera secada en horno es esencialmente desconocida en el mundo comercial, debido primariamente al dano causado por secado severo de longitudes comerciales, por ejemplo 2 a 4 metros. La aplicacion del fluido de acetilacion supercalentado a tamanos de madera comerciales, tlpicamente que contiene 12 a 20% de humedad, resulta en una generation rapida de calor que aumenta adicionalmente la temperatura alta del fluido de acetilacion y que dirige la temperatura total dentro de la madera a niveles que pueden causar rompimiento y carbonizacion de la estructura interna de la madera.
El documento US 3094431 se relaciona con la acetilacion de madera para mejorar sus propiedades con respecto a estabilidad dimensional y resistencia a la desintegracion mientras que mantiene las otras cualidades inherentes de la madera. La acetilacion implica impregnar la madera con anhldrido acetico en un solvente de no hinchamiento inerte bajo presion a una temperatura elevada, y despues secar la madera a un peso constante. El solvente usado es un solvente que no hincha madera aromatica o solvente hidrocarburo alifatico clorado inferior sustancialmente inmiscible con agua, miscible con anhldrido acetico, que tiene un punto de ebullition de por lo menos aproximadamente 80 °C.
Una deficiencia especlfica de la tecnica anterior generalmente es llamada 'tratamiento de sobre'. Esto es ilustrado en "Acceptance Criteria for Acetylated Wood Preservative Systems" - Documento No AC297 publicado por ICC Evaluation Services el 1 de marzo de 2005. El tratamiento de sobre es la acetilacion de madera cerca de su superficie, dejando el interior de la madera en un nivel inefectivo de acetilacion o sin acetilacion en absoluto. Se puede exponer directamente la madera acetilada a una profundidad inefectiva a la humedad cuando la pieza acetilada esta cepillada, perfilada o cortada transversalmente. La madera acetilada permite que la humedad pase dentro y fuera de toda la section transversal. En las partes acetiladas apropiadamente, la humedad encuentra paredes celulares protegidas y no pueden ser usadas para soportar el crecimiento de hongos. En partes pobremente
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acetiladas o no acetiladas, la humedad se adhiere a las paredes celulares donde ayuda a los hongos podridos de madera. El resultado neto de la humedad que alcanza tales partes es que la madera se pudre desde el interior hacia afuera.
Otros tratamientos de preservacion de madera comunes implican el uso de arsenato de cobre cromado (CCA), sales de cobre cuaternarias, pentaclorofenol, y creosota, pero a diferencia de la acetilacion, estos tratamientos son llevados a cabo a temperatura ambiente y no implican reacciones exotermicas.
Las publicaciones sobre acetilacion de madera generalmente se ocupan de la qulmica fundamental y las propiedades de la madera obtenida: estas publicaciones proporcionan poca orientacion en como lograr eficiencia volumetrica en la reaccion de acetilacion de madera, poca gula en como iniciar la reaccion excepto por la aplicacion cruda de calor, poca orientacion en como disipar el calor generado por la reacciones exotermicas y ninguna orientacion en como perfilar la temperatura alrededor de una multiplicidad de piezas de madera apiladas en un reactor de manera que se obtenga la acetilacion uniforme en cada pieza, y a traves de cada pieza, y para cada pieza en el reactor.
La mayorla del trabajo que aparece en la literatura y en documentos de patentes anteriores es relevante solamente para la durabilidad y estabilidad dimensional de muestras pequenas, preparadas de laboratorio de madera. Estos estudios son esencialmente silenciosos en la incorporacion, o el logro, de estas propiedades deseables cuando son acetiladas piezas de madera mas grandes, tal como serla comunmente usado en la industria de la construccion y comercios.
De esta forma, el problema tecnico que va a ser solucionado es la penetracion uniforme de piezas de madera de tamanos comerciales por anhldrido acetico que usa unicamente la penetracion lograda perpendicular al grano, y el manejo del calor de reaccion. La falla en el manejo de calor dentro de la madera, especialmente en el nucleo, como mlnimo, resultara en reducciones de resistencia en la madera acetilada o en acetilacion parcial. El peor de los casos, resultara en la carbonizacion directa de la madera debido al calor de reaccion no liberado. No solamente debe aplicarse el manejo de calor uniformemente a traves de la seccion transversal de cada pieza de madera, se debe aplicar uniformemente a la longitud completa de cada pieza e igualmente a cada pieza en un reactor.
La durabilidad de la madera se logra mediante la proteccion de la pared celular del crecimiento de hongos, que, a su vez, requiere la conversion de grupos hidroxilo a grupos acetilo. Esto se debe hacer en una manera uniforme a traves de la pieza de madera completa.
La estabilidad dimensional se logra mediante el hinchamiento de la madera secada al horno de nuevo a su volumen verde sin exceder los llmites elasticos de la pared celular. Nuevamente, esto se debe hacer uniformemente a traves de la pieza de madera completa.
De esta forma, la presente invencion proporciona un procedimiento para la hace acetilacion de madera que comprende los pasos:
(a) sumergir la madera en un recipiente de reaccion a presion que tiene un contenido de humedad de 6% a 20% en peso en un fluido de acetilacion a una temperatura de 10°C a 120°C
(b) aumentar la presion en el recipiente de 2 a 20 bares por un periodo de 10 a 300 minutos
(c) eliminar el exceso de fluido de acetilacion del recipiente
(d) introducir en el recipiente un fluido inerte gaseoso que no reacciona con anhldrido acetico o acido acetico, que circula y calienta el fluido hasta que la temperatura interna de la madera empieza a mostrar un desprendimiento de calor, que controla el suministro de calor a la madera hasta que se completa el desprendimiento de calor y que mantiene la temperatura interna de la madera debajo de 170°C
(e) calentar el fluido circulante a una temperatura de 85°C a 150°C por un tiempo de 10 a 30 minutos para iniciar una segunda reaccion exotermica, que controla el suministro de calor a la madera hasta que se completa el desprendimiento de calor y que mantiene la temperatura interna de la madera debajo de 170°C
(f) eliminar el fluido circulante y permitir a la madera acetilada enfriarse a temperatura ambiente.
En (a) el contenido de humedad de la madera es preferiblemente menos de 12% en peso, y deseablemente menos de 8% en peso. El fluido de acetilacion puede comprender 60% a 95% en volumen de anhldrido acetico y 5% a 40% en volumen de acido acetico. Preferiblemente, el fluido comprende 80% a 92% en volumen de anhldrido acetico y 8% a 20% en volumen de acido acetico. Deseablemente, el fluido de acetilacion esta a una temperatura de 35°C a 55°C.
En (b) se aumenta preferiblemente la presion en el recipiente de 10 a 15 bar por 30 a 90 minutos, que depende de la permeabilidad y dimensiones de la madera que va a ser tratada. Se prefiere la presurizacion con nitrogeno, pero tambien se pueden usar otros gases inertes, tal como dioxido de carbono.
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En (c) por exceso se indica el fluido de acetilacion que no ha impregnado la madera. Puede ser eliminado del recipiente de presion mediante el uso de presion de salida dentro del recipiente, por ejemplo gas de nitrogeno, para forzar el fluido dentro de un recipiente de almacenamiento, o bombeando el fluido hacia fuera mientras se mantiene una presion de nitrogeno en el recipiente.
En (d) el fluido inerte (es decir un fluido que no reacciona con anhldrido acetico o acido acetico) es tlpicamente nitrogeno gaseoso, oxido de carbono gaseoso o gas de combustion, que es calentado a una temperatura desde 20°C hasta 120°C. El inicio, duracion y terminacion del desprendimiento de calor se detecta y monitorea mediante termopares ubicados en la madera. En algunas instancias, el fluido gaseoso, por ejemplo nitrogeno, puede ser saturado parcialmente o completamente con anhldrido acetico no inerte y/o acido acetico. Esto puede variar desde 20% hasta saturacion completa (100%).
En (d) y (e) puede ser necesario enfriar el fluido circulante para evitar que la temperatura interna de la madera (detectada por termopares) exceda 170°C, preferiblemente que no exceda 155°C.
En (e) la temperatura del fluido circulante preferida es 100°C a 135°C, y el tiempo preferido 10 a 15 minutos.
Durante el enfriamiento de la madera acetilada, pueden eliminarse el anhldrido acetico y el subproducto acido acetico residuales, por ejemplo, por evaporacion bajo vaclo.
En algunas circunstancias se prefiere reducir el contenido de humedad de la madera que va a ser acetilada, introduciendo primero la madera en el recipiente de presion y reduciendo la presion en este a, por ejemplo, 0.05 a 0.5 bares por 10 a 300 minutos, preferiblemente 30 a 120 minutos, que dependen de la permeabilidad de la madera, antes de sumergir la madera "secada" en un fluido de acetilacion. Se libera convenientemente el vaclo permitiendo al fluido de acetilacion entrar al recipiente de reaccion.
La presente invencion es de particular valor en la acetilacion de piezas de madera de tamano comercial, que resulta en madera acetilada con propiedades uniformes y predecibles. La invencion es especialmente aplicable a piezas de madera que van a ser acetiladas hasta al menos 14% en peso de acetilo en su centro geometrico que tienen un ancho desde 2 cm hasta 30 cm, un espesor desde 2 cm hasta 16 cm, y una longitud desde 1.5 metros a 6.0 metros. Preferiblemente, las piezas de madera tienen un ancho desde 2 cm hasta 10 cm, un espesor desde 2 cm hasta 10 cm, y una longitud desde 1.5 metros hasta 4.0 metros.
Es una caracterlstica importante de la madera acetilada obtenida de acuerdo con el procedimiento de la presente invencion que retiene esencialmente toda su resistencia original y apariencia. Es comun para el procedimiento de acetilacion de madera descrito en la tecnica anterior que resulte en madera tratada que tiene una superficie oscurecida o decolorada, que puede perjudicar significativamente la apariencia estetica del producto. En la presente invencion, tal resultado es una ocurrencia rara, y en caso que ocurra, puede ser eliminada facilmente mediante cepillado, lijado o perfilado. Otros beneficios que han sido reconocidos son la rigidez humeda superior, estabilidad dimensional y capacidad de trabajo de la maquina.
En casos donde la madera que va a ser acetilada tiene un contenido de humedad alto, una permeabilidad baja, una intensidad alta, puede ser necesario una segunda impregnacion con un fluido de destilacion seguido por una segunda acetilacion, para lograr los niveles de acetilo deseados (pasos (a) a (f) -pagina 4). En tales casos, la madera acetilada parcialmente de acuerdo con la presente invencion, todavla parcialmente humeda con anhldrido acetico y acido acetico, se encontrado que usa mas fluido de acetilacion de lo esperado, y puede hacerlo sin la accion de diluentes de hidrocarburo para asistir la penetracion o actuar como un fluido portador.
[0028] Se puede usar la presente invencion para obtener madera acetilada que tenga propiedades unicas, es decir no conocidas hasta el momento o alcanzables, rigidez humeda (modulo de elasticidad) y resistencia en humedo (modular de ruptura). En el caso del pino radiata, se encontro que las muestras no acetiladas tienen una rigidez en seco de aproximadamente 10540 N/mm2 y una rigidez humeda del orden de 6760 N/mm2, es decir una perdida de 36% en rigidez en seco, mientras para el mismo pino despues de las acetilacion los resultados correspondientes para la rigidez fueron 10602 N/mm2 y 9690 N/mm2, una perdida de rigidez de menos de 10%, es decir 8.6% (referencia BS EN 408:2006 - British Standards Institute - BSI). Tambien, la madera acetilada puede tener estabilidad dimensional mejorada significativamente en terminos de encogimiento radial y tangencial, con se compara con madera no acetilada (estan bien documentados los metodos para la medicion del encogimiento radial y tangencial en madera). Vease la Tabla 1 abajo, donde ha ocurrido encogimiento muy pequeno en las muestras acetiladas.
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Tabla 1
Muestra de Madera
Encogimiento Radial* Hi R! Encogimiento Tangencial* I2 Ti
Pino Radiata
no acetilado
R11.2 0.33 T12.2 0.32
acetilado 20%
R20.4 T20.7
Pino Silvestre
no acetilado
R11.0 0.30 T12.4 0.29
acetilado 20%
R20.3 T20.7
Haya
no acetilado
R1 1.2 0.58 T1 2.5 0.44
acetilado 20%
R2 0.7 T2 1.1
* a 60% a 90% de humedad relativa
Preferiblemente, las piezas de madera acetiladas tienen un ancho de inicio de 2 cm a 30 cm, un espesor de 2 cm a 16 cm, una longitud de 1.5 metros a 6.0 metros. Deseablemente, las piezas de madera tienen un ancho de inicio de 2 cm a 10 cm, un espesor de 2 cm a 10 cm, una longitud de 1.5 metros a 4.0 metros.
La presente invencion tambien ofrece la perspectiva unica de la mejora simultanea de cantidades grandes de tamanos de madera comerciales que tienen una clase 4 o clase 5 de durabilidad natural a clase 1 o clase 2 de durabilidad. Hacer referencia a la clasificacion de durabilidad de especies de madera de “cinco niveles” ampliamente conocida e ideada por el Building Research Establishment Ltd, Garston, Reino Unido, y publicada en BRE Digest 296,1985 (reemplazada por Digest 429, 1998):-
• La Clase 1 es denominada como "muy durable", es decir 25 anos, o mas, de contacto en el suelo con perdida minima de resistencia o masa. Ejemplo: teca, robinia
• La Clase 2 es denominada como "durable", es mayor de 15 anos pero menor de 25 anos de contacto en el suelo con perdida minima en resistencia o masa. Ejemplo: Roble blanco americano, cedro rojo occidental.
• La Clase 3 es denominada como "durable moderadamente", es mayor de 10 anos pero menor de 15 anos de contacto en el suelo con perdida minima de resistencia o masa. Ejemplo: Alerce europeo, sapele.
• La Clase 4 es denominada como "no durable", es mayor de 5 anos pero menor de 10 anos de contacto en el suelo con perdida minima de resistencia o masa. Ejemplo: pino radiata, pino amarillo, abeto Douglas.
• La Clase 5 es denominada como "perecedero", es decir hasta 5 anos de contacto en el suelo con perdida minima de resistencia o masa. Ejemplo: alamo, haya comun.
Mediante el mejoramiento de la durabilidad de las maderas blandas crecidas de plantacion, la madera acetilada de la presente invencion puede ser sustituida por madera tropical, y para madera tratada con quimicos toxicos tales como arsenico, cobre, cromo y pentaclorofenol. Adicionalmente a las ventajas comerciales, los beneficios para el medio ambiente son evidentes, es decir, una reduccion en el uso de maderas duras tropicales nativas y evitar tratamientos que emplean sustancias quimicas toxicas.
Una ventaja significativa de la presente invencion es el secado de la madera acetilada que usa el mismo fluido inerte circulante usado en la reaccion de acetilacion. El fluido (cuando es gaseoso) es pasado a traves de condensadores donde se puede eliminar una mezcla de subproducto de acido acetico y anhidrido acetico residual.
Otra ventaja significativa de la presente invencion es que la mezcla liquida condensada a partir del fluido inerte circulante es libre de agua, extractos y escombros de madera de punto de ebullicion alto, que evitan de esta forma la necesidad de un procedimiento de recuperacion costoso.
Estan disponibles al menos dos opciones para reciclar la mezcla liquida recuperada. Una es para destilar rapidamente el liquido para efectuar una separacion cruda del acido acetico del anhidrido. El acido acetico recuperado puede entonces ser alimentado a un quebrador de cetena, y el anhidrido acetico recuperado retornado al procedimiento de acetilacion de madera.
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Una segunda opcion es destilar acido acetico del llquido recuperado, y venderlo como acido de grado tecnico. El anhldrido acetico no usado recogido en el condensado es entonces retornado al procedimiento de acetilacion de madera.
La presente invencion usa cromatografla llquida de alta presion (HPLC) para cuantificar la concentracion de ion de acetato que resulta de la saponificacion de los grupos acetilo. Esto da una medicion directa del contenido de acetilo en lugar de la ganancia de peso general de los grupos acetilo. Y, puede ser aplicada en areas pequenas de cada pieza acetilada. Adicionalmente, se pueden usar los espectrofotometros infrarrojos por transformadas de Fourier (FTIR) calibrados y espectrofotometros infrarrojos cercanos (FTNIR) para medir el contenido de acetilo de tajadas de madera que son de 2 mm en espesor y 4 mm x 2 mm en area. Esto permite la confirmacion de la acetilacion en puntos de tamano pequeno y permite ver el gradiente de acetilacion a traves de piezas individuales.
Los siguientes ejemplos pretenden unicamente ilustrar la presente invencion. No deben tomarse como limitantes de la invencion en ninguna manera.
Ejemplo 1
Aproximadamente 0.4 M3 de tableros de pino de radiata, aperos-aserrados de Chile, con 11 % de humedad, se separaron con adhesivos de 15 mm verticalmente y horizontalmente. Los tableros tenlan 3.9 metros de largo x 55 mm de espesor por 130 mm de ancho y consistla en gran parte de alba con algunos de duramen. Se cargo la madera en un recipiente de presion de reaccion de capacidad llquida de 2.5 metros cubicos. El recipiente estaba equipado con un bucle de circulacion de gas.
Opcionalmente, se aplico un vaclo a los tableros. En el presente ejemplo el vaclo fue 0.1 a 0.2 bares absolutos, y se aplico por 30 minutos. Se uso el fluido de acetilacion (90% de anhldrido acetico y 10% de acido acetico a temperatura ambiente) para liberar el vaclo y sumergir cada tablero. Se uso nitrogeno para incrementar la presion a 10 bares absolutos y se mantuvo por 90 minutos. El llquido libre se dreno dejando los tableros saturados que contenlan 1.5 a 1.7 kilogramos de llquido por kilogramo de madera.
Se uso el gas de nitrogeno, saturado con anhldrido acetico, como el medio de calentamiento para la reaccion de acetilacion. El proposito de saturar el gas con anhldrido acetico es evitar la evaporacion del fluido de acetilacion en la superficie de la madera antes y durante uno la acetilacion. El bucle de circulacion tiene un volumen de cuatro metros cubicos, que cuando se combina con el volumen del reactor, suministro aproximadamente seis metros cubicos de gas por 0.4 M3 de madera. Durante el ciclo de acetilacion, la presion en el bucle de circulacion de gas vario entre 1.1 a 1.9 bares absolutos.
Cuando la temperatura del gas circulante alcanzo aproximadamente 60°C, inicio la reaccion entre el anhldrido acetico y la humedad en la madera, y la acetilacion de la madera. Esto fue evidenciado por un aumento cada vez mas rapido de la temperatura medida por los termopares insertados en varios de los tableros. El calor generado por esta reaccion ademas de algo de calentamiento adicional por el nitrogeno circulante, aumento la temperatura dentro de la madera a 130°C a 140°C, donde inicio la reaccion entre los grupos hidroxilo de madera y el anhldrido acetico.
Durante el periodo de acetilacion de aproximadamente 90 minutos, fue necesario condensar algo del acido acetico- vapor de anhldrido acetico para controlar la presion y temperatura del gas circulante. El llquido recuperado tiene una composition de aproximadamente 5% de anhldrido acetico y 95% de acido acetico.
Al final del periodo de acetilacion, se condenso mas del anhldrido acetico no usado y del acido acetico del subproducto a partir del gas circulante. Se incremento la temperatura de manera gradual a aproximadamente 130°C. Se combinaron estas acciones para dirigir materiales volatiles a la superficie de los tableros y evaporarlos en la corriente de gas. El llquido recuperado estuvo totalmente libre de agua y estuvo compuesto de 3% a 4% de anhldrido acetico 96% a 97% de acido acetico.
Finalmente, se secaron los tableros a un punto donde estos contenlan aproximadamente 15 gramos a 30 gramos de acido acetico por kilogramo de madera. Se elimino cualquier imperfection de la superficie mediante cepillado, lijado, o perfilado.
El anhldrido acetico no usado estuvo disponible para recuperation debido a que no se anadio agua al sistema.
Se encontro que los tableros acetilados tenlan contenidos de acetilo de 20 a 21% en la superficie y 18 a 20% en el nucleo.
Ejemplo 2
Aproximadamente 0.4 M3 de tableros de pino amarillo del sur, aperos-aserrados, que contienen 12% de humedad, se separaron con adhesivos de 15 mm verticalmente y horizontalmente. Los tableros tenlan 3.9 metros de largo x 40 mm de espesor por 140 mm de ancho y compuestos de albura con algunos de duramen. Se cargo la madera en un recipiente de presion de reaccion de capacidad llquida de 2.5 M3. El recipiente estaba equipado con un bucle de circulacion de gas.
5
10
15
20
25
30
35
40
Opcionalmente, se aplico un vaclo a los tableros. En el presente ejemplo el vaclo fue 0.1 a 0.2 bares absolutos, y se aplico por 30 minutos. Se uso el fluido de acetilacion (92% de anhldrido acetico y 8% de acido acetico a temperatura ambiente) para liberar el vaclo y sumergir cada tablero. Se uso nitrogeno para incrementar la presion a 10 bares absolutos y se mantuvo por 60 minutos. El llquido libre se dreno dejando los tableros saturados que contenlan 1.0 a 1.2 kilogramos de llquido por kilogramo de madera.
Se uso el gas de nitrogeno, saturado con anhldrido acetico, como el medio de calentamiento para la reaccion de acetilacion. El proposito de saturar el gas con anhldrido acetico es evitar la evaporacion del fluido de acetilacion en la superficie de la madera antes y durante la acetilacion. El bucle de circulation tiene un volumen de 4 M3, que cuando se combina con el volumen del reactor, suministro aproximadamente 6 M3 de gas por 0.4 M3 de madera. Durante el ciclo de acetilacion, la presion en el bucle de circulacion de gas vario entre 1.1 a 1.9 bares absolutos.
Cuando la temperatura del gas circulante alcanzo aproximadamente 80°C, inicio la reaccion entre el anhldrido acetico y la humedad en la madera. Esto fue evidenciado por un aumento cada vez mas rapido de la temperatura medida por los termopares insertados en varios de los tableros. Inicio un segundo desprendimiento de calor a partir de la acetilacion de madera a aproximadamente 120°C. Durante este primer perlodo de acetilacion, aproximadamente 60 minutos, fueron necesarios para condensar algo de los vapores de acido acetico y anhldrido acetico para controlar la presion del gas y la temperatura del gas circulante. El llquido recuperado tiene una composition de aproximadamente 10% de anhldrido acetico y 90% de acido acetico.
Al final del primer periodo de acetilacion de madera, se condenso algo del anhldrido acetico no usado y del acido acetico del subproducto a partir del gas circulante. Se aplico vaclo al reactor para extraer fluido de acetilacion gastado de la madera. Se bombeo este fluido fuera del reactor y se aplico vaclo una segunda vez.
Se uso una carga fresca del fluido de acetilacion para aliviar el vaclo, sumergir cada tablero e impregnar la madera por una segunda vez. La composicion fue 91% de anhldrido acetico, en peso, y el balance fue acido acetico. Se aplico la presion de nitrogeno a aproximadamente 10 bares absolutos. Despues de un periodo de presion de 60 minutos, se bombeo el exceso de fluido del reactor y la circulacion del nitrogeno suturado con anhldrido acetico inicio a una presion de aproximadamente un bar absoluto. La temperatura del nitrogeno suturado se incremento a aproximadamente 90°C.
Despues que la segunda acetilacion de madera estaba en marcha, como lo demuestra el aumento de la presion en el gas circulante y temperaturas incrementales medidas por termopares en el nucleo de diferentes tableros, no se aplico calor adicional al gas circulante. A medida que la presion aumentaba a 1,5 hasta 1,8 bares absolutos, se condensaba fluido del gas circulante para reducir la presion y/o reducir la temperatura. La composicion del fluido condensado fue 30% a 40% de anhldrido acetico con el balance que es acido acetico.
Despues del segundo periodo de acetilacion de madera de aproximadamente 60 minutos, la temperatura del gas circulante fue incrementada gradualmente a 130°C y se condenso el llquido desde una corriente lateral del gas circulante.
Se combinaron estas acciones para dirigir materiales volatiles a la superficie de los tableros y evaporarlos en la corriente de gas.
Se formo el contenido de acetilo de los tableros para variar desde 20 hasta 22% en la superficie a aproximadamente 15 a 17% en el nucleo.
Se detallan cinco ejemplos adicionales en la siguiente tabla:-
Especies
Pino Radiata Pino Amarillo Meridional Haya Alamo Pino Mason
Espesor, mm
100 38 25 40 38
Ancho, mm
150 145 120 140 145
Longitud, mm
4,000 3,000 2,000 4,000 3,000
No. Tableros en el reactor
616 2,287 4,687 1,704 2,287
Espacio horizontal, mm
50 20 15 15 20
Espacio vertical, mm
15 15 15 15 15
Densidad, kg/m3
470 505 540 430 540
Contenido de humedad,% en
10 7 8 7 9
peso
Tiempo de vaclo, minutos a 0,2 bares (paso opcional)
90 45 60 35 90
Especies
Pino Radiata Pino Amarillo Meridional Haya Alamo Pino Mason
Peso del fluido de acetilacion entregado al reactor, MT
120 a 125 120 a 125 124 a 128 120 a 125 120 a 125
Temperatura del fluido de acetilacion en el tiempo de
25 28 28 25 30
entrega, °C
Concentration de anhldrido
acetico en el fluido de acetilacion, % en peso
91 86 92 92 88
Concentracion de acido acetico en el fluido de acetilacion, % en
9 14 8 8 12
peso
Tiempo de acetilacion, minutos
120 90 100 60 100
Presion de acetilacion, bar
11 15 12 12 10
Temperatura en tableros en la iniciacion de reaccion de agua, °C (primer desprendimiento de calor)
50 a 60 60 a 65 60 a 65 55 a 65 55 a 65
Temperatura en tableros en la iniciacion de reaccion de agua, °C (segundo desprendimiento de
120 a 130 115 a 135 120 a 130 115 a 135 120
calor)
Contenido de acetilo logrado, % en peso
20 a 22 17 a 20 17 a 19 16 a 18 14*
Uso final
Marcos de ventana Decoration Recubrimiento Recubrimiento del Canal Decoracion
* una segunda impregnacion, similar a la primera, aumento el contenido de acetilo a 20.5%.
En los dos ejemplos que usan 0.4 M3 de madera y en cinco ejemplos que usan 37 a 40 M3 de madera acetilada, se obtuvo la madera que tiene la durabilidad de la Clase 1 como se midio de acuerdo con BS EN 350-1: 1994 (BSI).
En cada uno de los siete ejemplos la madera acetilada exhibio mejoras en la estabilidad dimensional de al menos 5 70%, medida por eficiencia de antiencogimiento, cuando se hicieron ciclos de las muestras entre el horno seco y
90% de humedad.
En cada uno de los siete ejemplos, la estabilidad de UV de la madera acetilada no mostro degradation medible en la prueba de laboratorio acelerada de 16 semanas descrita en BS EN 927-6 (BSI) o en pruebas de exposition exterior de un ano en BS EN 927 - 3:2000 (BSI).
10 En cada uno de los siete ejemplos, se redujo la actividad termica de la madera acetilada en aproximadamente 40% cuando se midio ya sea en paralelo al grano o perpendicular al grano.

Claims (16)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    Reivindicaciones
    1. Un procedimiento para la acetilacion de madera que comprende las etapas:
    (a) sumergir la madera en un recipiente de reaccion a presion que tiene un contenido de humedad de 6% a 20% en peso en un fluido de acetilacion a una temperatura de 10°C a 120°C
    (b) aumentar la presion en el recipiente de 2 a 20 bares por un periodo de 10 minutos a 300 minutos
    (c) eliminar el exceso de fluido de acetilacion del recipiente
    (d) introducir en el recipiente un fluido inerte gaseoso que no reacciona con anhldrido acetico o acido acetico, que circula y calienta el fluido hasta que la temperatura interna de la madera empieza a mostrar un desprendimiento de calor, que controla el suministro de calor a la madera hasta que se completa el desprendimiento de calor y que mantiene la temperatura interna de la madera debajo de 170°C
    (e) calentar el fluido circulante a una temperatura de 85°C a 150°C por un tiempo de 10 a 30 minutos para iniciar una segunda reaccion exotermica, que controla el suministro de calor a la madera hasta que se completa el desprendimiento de calor y que mantiene la temperatura interna de la madera debajo de 170°C
    (f) eliminar el fluido circulante y permitir a la madera acetilada enfriarse a temperatura ambiente.
  2. 2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el contenido de humedad de la madera es menos de 12% en peso, y preferiblemente es menos de 8% en peso.
  3. 3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que el fluido de acetilacion comprende 60% a 95% en volumen de anhldrido acetico y 5% a 40% en volumen de acido acetico y preferiblemente comprende 80% a 92% en volumen de anhldrido acetico y 8 a 20% en volumen de acido acetico.
  4. 4. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido de acetilacion se introduce a una temperatura de 35°C a 55°C.
  5. 5. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la presion en el recipiente de reaccion es de 10 a 15 bares por un periodo de 30 minutos a 90 minutos.
  6. 6. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el exceso de fluido de acetilacion se elimina del recipiente de presion por presurizacion con gas de nitrogeno o bombeando mientras se mantiene una presion de gas de nitrogeno en el recipiente.
  7. 7. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido inerte gaseoso en la etapa (d) es seleccionado entre nitrogeno gaseoso, dioxido de carbono gaseoso o gas de combustion.
  8. 8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 7, en el que el fluido inerte gaseoso se calienta a una temperatura de 20°C a 120 °.
  9. 9. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que los desprendimientos de calor son detectados y monitoreados por parejas termicas localizadas en la madera.
  10. 10. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido inerte gaseoso circulante se enfria para evitar que la temperatura interna de la madera exceda 170°C y preferiblemente se enfria para evitar que la temperatura interna de la madera exceda 155°C.
  11. 11. Un procedimiento de acuerdo con una cualquier de las reivindicaciones 7 a 10, en el que el nitrogeno gaseoso esta saturado parcial o totalmente con anhldrido acetico no inerte y/o acido acetico.
  12. 12. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que durante el enfriamiento de la madera acetilada el anhldrido acetico residual y el subproducto de acido acetico se eliminan por evaporacion bajo vacio.
  13. 13. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el contenido de humedad de la madera se reduce antes de sumergirse en fluido de acetilacion, preferiblemente sometiendo la madera a una presion de 0,05 a 0,5 bar por 10 a 300 minutos, preferiblemente durante 30 a 120 minutos.
  14. 14. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la madera esta acetilada a al menos 14% en peso de acetilo en su centro geometrico.
  15. 15. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que hay una segunda impregnacion con fluido de acetilacion seguida por una segunda acetilacion.
  16. 16. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para la acetilacion de piezas de madera que tienen un ancho de 2 cm a 30 cm, un espesor de 2 cm a 16 cm y una longitud de 1,5 metros a 6,0 metros y preferentemente que tienen un ancho de 2 cm a 10 cm, un espesor de 2 cm a 10 cm y una longitud de 1,5 metros a 4,0 metros.
    5 17. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la madera
    acetilada se seca usando el fluido inerte gaseoso circulante.
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