Resina de impregnación

Las resinas de impregnación son líquidos orgánicos ligeramente viscosos que se utilizan en la industria de productos forestales para la modificación de la madera . Por lo general, contienen formaldehído y están compuestas por dímeros y trímeros de la molécula principal. Estas pueden convertirse en soluciones poliméricas al curarse dentro de un sustrato de madera, lo que les confiere propiedades estabilizadoras. La impregnación de estas resinas implica un procedimiento en cámara de vacío que dispersa completamente la resina en la madera. Una vez dentro de la madera, la resina puede difundirse en la pared celular y mejorar aún más la resistencia física de la madera. ^[1]

Las resinas de impregnación fueron diseñadas para ser utilizadas en la industria de productos forestales para modificar la madera y mejorar sus propiedades naturales. Las resinas de impregnación de madera generalmente están diseñadas para terminar dentro de las paredes celulares de la madera , donde generalmente aumentan la resistencia, la dureza, la estabilidad dimensional y la resistencia a la descomposición . ^[2] En los últimos años, el interés en la madera, o la madera aserrada, ha aumentado porque se necesita menos energía para convertir los árboles en madera que la que requieren otros materiales de construcción. ^[3] Aunque la madera tiene ventajas sobre otros materiales de construcción, también tiene desventajas importantes. La madera se hincha con alta humedad y se encoge cuando el aire está seco . ^[4] También puede descomponerse si se deja permanecer húmeda durante períodos prolongados y tiene propiedades variables de una tabla a otra. La impregnación de resina puede mejorar todas estas propiedades. La impregnación de resinas en el sustrato de madera implica un proceso de tratamiento al vacío que dispersa una solución de monómero en las estructuras más finas dentro de la madera. La polimerización de la resina se logra curando con calor, fijando la resina de impregnación en un estado de sustancia sólida. La impregnación de la madera con resina seguida de un curado aumenta el volumen de la pared celular de la madera y le confiere propiedades mejoradas. ^[1] La demanda de resinas de impregnación está proliferando en todo el mundo debido a la mayor eficiencia en el proceso general de aislamiento eléctrico de piezas automotrices y electrónicas.

Si bien no existen nuevos desarrollos comerciales con resinas de impregnación para la modificación de la madera, se descubren constantemente innovaciones en la industria y en los institutos de investigación. ^[5]

Las resinas de fenol-formaldehído (PF) fueron las primeras resinas de impregnación comercialmente relevantes, fabricadas mediante la reacción de fenol y formaldehído, creando una red de polímero dentro de la madera al curarse . ^[7] El fenol puede reaccionar con el formaldehído en las posiciones orto y para, generando mono, di y trimetilolfenol como productos de reacción. ^[6] Además de ser los primeros polímeros sintéticos en comercializarse, ^[7] los estudios muestran que las resinas PF tienen un rendimiento superior al de otras resinas en términos de impartir resistencia, estabilidad y resistencia a la descomposición al sustrato de madera. ^[1] La estabilidad dimensional mostrada por las muestras de madera impregnadas con resinas PF es principalmente una función de la masa de resina dentro de la pared celular de la madera. ^{[8] [9] [10]} La madera impregnada con PF a veces se denomina impreg. Antes del curado, las resinas PF actúan como plastificante de la pared celular, lo que permite comprimir la madera más fácilmente. Después del curado, el PF evita que la madera recupere su forma original. Esto se ha utilizado para fabricar productos de madera muy dura y de alta densidad, conocidos como “compreg” o “staybwood”. ^[11] El aumento tanto de la resistencia como de la estabilidad de la madera se debe a la reticulación de los componentes de la resina y a la capacidad de la resina para dar volumen a la pared celular. El PF es negro, lo que oculta cualquier color natural de la madera.

Las resinas de urea-formaldehído (UF) son una clase de resinas de impregnación para la modificación de la madera que se obtienen mediante la reacción de la urea con el formaldehído. Esta resina se puede polimerizar después de la impregnación en el sustrato de madera mediante el curado en horno. Las resinas UF se están empezando a utilizar menos en la industria de la modificación de la madera debido a que son menos duraderas que otras resinas de impregnación y no resisten bien las duras condiciones climáticas. ^[13] Cuando se exponen al agua, las resinas UF pueden hidrolizarse para liberar formaldehído del sustrato de madera. ^[14] Por este motivo, se utilizan principalmente como resinas de impregnación cuando el sustrato de madera se va a utilizar para usos interiores. ^[13] La madera se modifica para su uso en exteriores para mejorar la estabilidad frente a las condiciones climáticas, por lo que las resinas PF son más adecuadas para este fin. ^[1]

Las resinas de melamina formaldehído (MF) son una clase de resinas de impregnación para la modificación de la madera que se fabrican mediante la reacción de melamina con formaldehído en una condensación de estos dos monómeros. Las resinas de melamina formaldehído son únicas porque tienen propiedades resistentes al calor y al fuego que agregarían una mejora adicional a los sustratos de madera además de los beneficios normales de la resina de impregnación. También son transparentes, lo que permite que el producto terminado tenga cualquier color o patrón. Esto ha llevado a su uso generalizado, por ejemplo en encimeras bajo el nombre comercial formica . Las propiedades resistentes al fuego se derivan del nitrógeno contenido en la melamina, que se libera como gas cuando se expone a altas temperaturas y puede extinguir una llama. ^[15] La melamina también es un disipador de calor, y esto es beneficioso porque puede absorber una gran cantidad de energía en forma de calor. Además, ayuda a las propiedades resistentes al fuego porque una vez expuesta a la llama, la melamina forma una capa de carbón sobre el sustrato de madera y esto protege los grupos más combustibles de la madera y el polímero. ^[16] Aunque las resinas MF tienen este beneficio adicional, es difícil usarlas para resinas de impregnación debido al alto contenido de formaldehído libre. ^[1] En la industria, existen regulaciones estrictas para mantener la cantidad de formaldehído libre en cualquier producto determinado por debajo de un cierto límite detectable. Estas regulaciones ayudan a mantener a las personas y los animales que entran en contacto con estos productos a salvo porque el formaldehído es un irritante y puede ser dañino en niveles más altos. ^[17] Se ha demostrado que agregar urea a las resinas MF reduce la cantidad de formaldehído libre por debajo del límite legal y a menudo se usa para este propósito. ^[1] Otra complicación con las resinas MF es la baja solubilidad de la melamina en agua. ^[16] Debido a esto y al contenido de formaldehído libre, las resinas MF no se usan tan comúnmente en el campo de la modificación de la madera.

Se requiere que las resinas de impregnación tengan las siguientes propiedades para tener éxito en la modificación de la madera: ^[1]

La condición ideal para la modificación por impregnación es que la resina fluya profundamente en la estructura de la madera y acceda a todas las células. ^[18] La mayoría de las células de la madera tienen forma de pajitas huecas, de milímetros de largo y decenas de micrones de ancho, con un centro hueco. ^[19] La resina fluye a través de la red de lúmenes y fosas, idealmente obteniendo acceso a todas las células, y luego idealmente la resina ingresa a las paredes celulares por difusión. Para fluir profundamente en la madera, es necesaria una resina de baja viscosidad sin partículas debido al largo y tortuoso camino con muchos puntos estrechos. Incluso con una resina ideal, las fosas se pueden aspirar del secado, manteniendo toda la resina fuera de una celda. ^[20]

Incluso en las paredes celulares de la madera saturadas de agua hay muy poco volumen libre, por lo que las moléculas grandes, como la mayoría de las resinas, incluso con un peso molecular de solo 1000 (~ 5 monómeros), no pueden ingresar. ^[21] Cuanto más pequeña sea la molécula de impregnación, más masa de resina se puede cargar en la pared celular. Tener un peso molecular bajo también mantiene baja la viscosidad, lo que mejora el flujo a través de la estructura del lumen y la fosa. ^[22]

Las resinas de impregnación deben ser solubles en disolventes polares porque a menudo se diluyen con agua durante el procedimiento. Este también es un factor clave porque los disolventes polares ayudan a hinchar la pared celular de la madera y facilitan la difusión de la resina en el interior de la pared. Las propias moléculas de resina también deben ser lo suficientemente polares como para tener afinidad con la pared celular y sus componentes. ^[1] Los principales componentes de la pared celular de la madera son la celulosa , la hemicelulosa y la lignina , todos los cuales tienen componentes polares que pueden tener afinidad por una resina de impregnación polar.

El método más utilizado para saturar la madera con resinas de impregnación es mediante un proceso de tratamiento al vacío. ^[23] Este proceso utiliza un recipiente sellable para contener las muestras de madera mientras están en tratamiento. Después de que las muestras se hayan secado en horno y se hayan colocado en el recipiente, se aplica un vacío hasta una determinada presión por pulgada cuadrada según el procedimiento. Luego, la resina elegida se introduce en el recipiente mediante un proceso de relleno y permanece en un estado de vacío durante el tiempo que dicta el procedimiento. Una vez que las muestras han estado al vacío durante un tiempo suficiente para que la resina entre en la madera, se libera el vacío y las muestras permanecen en la solución de resina para permitir que se produzca la difusión. ^[24] La difusión no está controlada por la etapa de vacío del proceso, sino puramente por el tiempo. ^[1] Si la resina cumple con todas las especificaciones requeridas, se difundirá en la pared celular y se completará el proceso de impregnación. ^[1]

• Conservación de la madera