Materiales Industriales - FIUBA
Introducción Material compuesto Excelente material estructural; su uso supera el tonelaje sumado del acero y el hormigón. Usos: carpintería - construcción de casas - edificios y puentes Fabricación de materiales compuestos: terciados, aglomerados y papel. El suministro forestal más importante es el rollizo, que se destina a: Aserrado (piezas cortadas longitudinalmente - listones, tablas, tirantes, varillas -, para uso en muebles, cajones y embalajes, viviendas, embarcaciones, carrocerías para camiones, otros) Triturado (celulosa, aglomerados, tableros de fibras) Debobinado (terciados, paneles multilaminados, etc..) Extracto de quebracho (extracto tánico)
Principales especies de árboles de regiones de nuestro país MISIONES Blandas: pino paraná, cedro; duras: guatambú, peteribí, grapia, incienso- CHACO Duras: algarrobo, quebracho colorado y blanco DELTA DEL PARANA Salicáceas: sauce, álamo, etc. (blandas) ENTRE RIOS FORMOSA MENDOZA RIO NEGRO BUENOS AIRES SALTA CORRIENTES TIERRA DEL FUEGO CHUBUT JUJUY SANTA FE Eucalipto (blandas) Duras: quebracho colorado y blanco, viraró, lapacho, urunday Salicáceas: sauce, álamo, etc. (blandas) Salicáceas: sauce, álamo, etc. (blandas) Eucalipto (blandas) Blandas: Palo am arillo, cedro; duras: quebracho blanco Pino y eucalipto (blandas) Blandas: alerce, lenga (roble fueguino) y coihue Ciprés y lenga (blandas) Cedro, palo am arillo, pino del cerro (blandas) Eucalipto y sauce (blandas)
Algunas maderas importadas usualmente CHILE Pino insigne, araucaria PARAGUAY Cedro, viraró, peteriby, lapacho BRASIL Pino Brasil
Clasificación de las maderas MADERAS BLANDAS MADERAS DURAS La diferencia fundamental entre las dos categorías es que las primeras son plantas perennes, con hojas aguzadas y frutos expuestos. Los árboles de maderas duras pierden sus hojas todos los años, y tienen frutos encapsulados (ej. nueces).
Propiedades de las maderas: el peso específico El contenido de agua y el tipo de árbol controlan el peso específico de la madera, el cual a su vez controla las propiedades mecánicas. Maderas duras pesos específicos más altos (0,7 < PE < 1,1 gr/cm3) que las maderas blandas (0,4 < PE < 0,7). El peso específico (aparente) : Cociente entre el peso y el volumen sin vacíos; si pulverizáramos la madera obtendríamos el mismo valor para todas las especies, de aproximadamente 1,5 gr/cm3. La mejor madera es la que tiene la mejor resistencia con menor peso específico. Mientras que un árbol vivo contiene grandes cantidades de agua, cuando el árbol es talado, su contenido de humedad dependerá de la humedad relativa ambiente. Cuanto más alta sea esta humedad, más agua permanecerá dentro de la madera muerta.
Conservación de las maderas Eliminar la humedad, condiciones de máxima estabilidad dimensional y de máxima durabilidad para evitar el ataque de hongos y la putrefacción. La durabilidad de una madera es su capacidad para resistir el ataque de hongos e insectos, y el desgaste mecánico y la acción de los agentes atmosféricos. Las maderas que se usarán en ambientes permanentemente secos, se lavan, secan y estacionan. Las maderas a usar en ambientes húmedos, además de lo anterior se pintan al aceite para preservarlas de la humedad.
La estabilidad dimensional es función de la humedad Variación de volumen: Límite de saturación de la fibra 10-15 % en sentido transversal 1% en sentido longitudinal volumen Al secarse la madera se produce contracción de su volumen. 30 % 60 % h %
La resistencia mecánica varía con la humedad σ Al recibir una madera ésta no debe tener más de 15 % de humedad límite de saturación paredes reticuladas saturadas 30% h % Cuando la madera se está secando, prácticamente no se observan cambios en su resistencia hasta que el contenido de agua cae por debajo del 30 %.
Las propiedades mecánicas de la madera Dirección longitudinal La madera puede soportar diferentes cargas según sea la dirección (comportamiento anisotrópico); puede soportar una carga mucho mayor en la dirección longitudinal del grano, que la que puede soportar en las direcciones radial o tangencial, contra o a través del grano. Dirección tangencial Dirección radial
Ejemplo de condiciones de carga Perpendicular al grano Paralela al grano Compresión Tracción La madera ofrece menor resistencia La madera ofrece mayor resistencia
Las propiedades mecánicas de la madera son anisotrópicas
Los tipos de cortes Transversal Acuchillado Hendido menor desperdicio menor superficie cubierta por nudos Por cuartos a 45º ó 90º desgaste uniforme mayor superficie cubierta por nudos
Las propiedades mecánicas dependen de los defectos de las maderas. Algunos defectos son: Resquebrajamientos: Contrafibra Nudos Planos de separación que corren a través de anillos El grano no es paralelo a la sección longitudinal Intersección de una rama en el tronco Bolsas de resina Venteaduras Alabeo Huecos en el anillo de crecimiento anual llenos de resina Huecos en el anillo de crecimiento anual (sin resina) Desviación en la línea de superficie de la tabla
La Macroestructura de la madera La sección transversal de un árbol típico permite distinguir capas: La capa de corteza exterior: Constituida por tejido muerto y seco, y confiere protección al árbol La capa de corteza interior: Es húmeda y blanda y lleva alimento a todas las partes en crecimiento del árbol La capa de cambium está entre la corteza y el tronco: Contiene células nuevas en crecimiento, y es la fuente de las células de la corteza y la madera. Cada año el cambium origina nuevas células de madera y nuevas células de corteza que permiten desarrollarse al árbol. Así se crean los anillos anuales. La parte exterior del tronco es la albura o madera de savia, contiene algunas células vivas que almacenan alimento y conducen la savia El corazón o duramen es la región interna del tronco más antigua, y está compuesta por células muertas; proporciona resistencia al árbol
Macro estructura de la madera
La Macroestructura de la madera La médula es el tejido blando situado en el centro del árbol, alrededor del cual tiene lugar el primer crecimiento de la madera. Debido a que el árbol crece verticalmente y también en forma horizontal, la médula se encuentra a todo lo largo de la longitud del árbol. Los rayos de la madera son canales radiales horizontales que conectan las diferentes capas desde el centro hasta la corteza, su función es almacenar y transferir el alimento.
La Microestructura de la madera La madera tiene una microestructura compuesta polimérica, con una matriz reforzada por fibras. El núcleo está formado por fibras, celdas largas tubulares, de paredes finas, llamadas microfibrillas o traqueidas, de celulosa -un polímero termoplástico natural-, y alineadas unidireccionalmente. La matriz que rodea los manojos de traqueidas está formada por moléculas de celulosa ramificadas más cortas, la hemicelulosa; y por la lignina, adhesivo orgánico que une los manojos. Envuelve al núcleo anterior una pared primaria de celulosa que consiste en más microfibrillas orientadas al azar. Además existen árboles que contienen substancias químicas muy apreciadas, destacándose el quebracho colorado por su contenido de tanino, utilizado en curtiembres.
Estructura Celular Pared Primaria: Pared celular inicial que se forma durante la división celular en el período de crecimiento. Pared Secundaria: Las paredes primarias aumentan de espesor en las direcciones transversal y longitudinal hasta un máximo tamaño. Celulosa: Constituye entre un 45 y un 50% del material sólido Madera. Es un polimero lineal compuesto de glucosa con grado de polimerización entre 5000 y 10000 Hemicelulosa: Constituye entre un 20 y un 25% del material sólido Madera. Es una molécula amorfa ramificada formada por varios tipos de unidades de azúcar con grado de polimerización entre 150 y 200. Materiales Industriales I / LP 19
Estructura Celular Lignina: Polímero aromático que forma parte de los tejidos de sostén de los vegetales; suele estar asociada a la celulosa. Constituye del 20 al 30 % de la madera seca. Son materiales Poliméricos tridimensionales con entrecruzamientos formado a partir de unidades fenolicas (aglomerante de celdas). Microfibrillas: La Pared celular consta principalmente de microfibrillas unidas por un cemento de lignina. Son núcleos cristalinos de celulosa rodeado por una región amorfa de hemicelulosa y lignina. Albura: Capa clara situada debajo de la corteza de un árbol. Duramen: Parte interna del tronco, formada por leño muerto, inútil para el transporte de sustancias, de consistencia dura y color oscuro Materiales Industriales I / LP 20
La madera terciada: ej. de compuesto laminado Un buen método para reducir el comportamiento anisotrópico de la madera es utilizar madera terciada. Se disponen tres o más finas capas de madera una sobre otra, alineando los granos de cada una de las capas perpendicularmente entre sí, con el fin de distribuir la resistencia longitudinal de la madera y compensar la deformación. Las vetas se orientan en la dirección de la dimensión mayor de la pieza. Las maderas más usadas: el pino paraná, el guatambú blanco y el cedro Como adhesivo o cola se unta una resina fenólica termoestable entre las capas, las que luego se prensan. Usos: viviendas de madera, galpones, silos, y también para encofrados y tabiques.
La madera terciada. Se emplea siempre un número impar de láminas de manera de que las dos capas exteriores posean la misma apariencia exterior. También se lo denomina madera compensada simple y se lo usa para estructuras resistentes, ya que la rigidez y la resistencia de este material permite que el esqueleto de soporte sea considerablemente más liviano comparados con los requeridos para la madera maciza (por ejemplo, en planeadores). Hay algunos tipos de madera compensado con cara de metal o con recubrimiento metálico (que se usa en tabiques de hospitales), con recubrimientos de plástico (para fines decorativos), con tratamientos refractarios y con hojas intermedias de amianto como mamparas aisladoras para la producción naval. Materiales Industriales I / LP 22
Madera aglomerada El tablero de partículas aglomeradas reemplaza a los terciados; se fabrica con partículas u otros materiales lignocelulósicos, aglomerados en forma de chapa con aglutinantes orgánicos usando uno o más de los siguientes agentes: calor, presión, humedad, catalizadores, etc.. Se fabrican con distintas medidas y densidades; las maderas más usadas son el sauce, el álamo y el eucalipto; y la resina más usual en nuestro país es la urea formaldehído. El tablero es isótropo y no necesita estacionamiento Los tableros de baja densidad se usan generalmente como absorbentes de ruidos y/o aislante térmico en tabiques, y también como alma de piezas a fin de reducir su peso. Los tableros de densidad media se usan en mueblería, y construcciones varias, son los más difundidos. Los tableros de alta densidad se usan en escritorios, armarios, y otros usos en carpintería.
Los tableros de fibras Se fabrican en base a fibras de madera cuyo entrelazamiento produce planchas; los tableros prensados (hardboard) tienen variadas aplicaciones en la industria de la mueblería, revestimientos de paredes, etc. y en nuestro mercado se los conoce como chapadur o eucatex y -pintado- como corlok. Los tableros de fibras no prensados (softboard) se usan como aislantes del sonido y térmicos, compitiendo por ejemplo con los poliuretanos expandidos. Son resistentes al fuego y a la humedad, los insectos y la putrefacción. La madera más usada es la de eucaliptos
La pasta celulósica La celulosa es el principal componente de la pared celular de todas las maderas, pajas y cañas. Material fibroso y muy resistente. Por la longitud de las fibras se clasifican en pastas de fibras cortas (aprox. 1 mm), obtenida de árboles de copa frondosa: sauce, eucalipto, álamo, etc.. Y en pastas de fibras largas (aprox. 2,5 mm), obtenida de las coníferas: pinos, araucarias, etc.. Se las obtiene por desintegración mecánica de la madera, por tratamiento químico de la madera, o por una combinación de ambas técnicas. Se las utiliza en la elaboración de papeles.
Dureza de la madera. Ensayos. La dureza de la madera se mide mediante el método de Brinell. Se las clasifica en muy duras, duras, semiduras, blandas y muy blandas (se emplea una bolilla de diámetro de 10mm durante 30 segundos con cargas variables entre 100kgf y 500kgf). Otro ensayo muy usado es el Janka, el cual mide la dureza por la carga que requiere un penetrador esférico de acero para introducirse hasta su sección media o sea hasta obtener una flecha igual a su radio (se expresa en Kgf/cm2). Un tercer ensayo es el de Chalais Meudon, en el cual se carga la probeta mediante un cilindro de acero de 30mm de diámetro, con una carga de 100Kg por cada centímetro de ancho de la probeta. Se mide la penetración f en mm y la dureza viene dada por la inversa de la penetración en mm Materiales Industriales I / LP 26