Madera transparente y otros avances en la ciencia de la madera

Versátil, neutral en carbono, renovable. No, este no es el eslogan de marketing de un nuevo material especial que se acaba de desarrollar, sino tres de las características clave de un material muy familiar, la madera, un material que hasta el día de hoy todavía nos sorprende con su adaptabilidad y sigue siendo a la vanguardia del desarrollo de materiales. En este artículo, me sumergiré en algunos de estos interesantes desarrollos, desde la madera transparente hasta los compuestos de madera carbonizada.

En primer lugar, un repaso rápido sobre la madera. La madera es un compuesto natural de fibras de celulosa incrustadas dentro de una matriz de lignina. La celulosa actúa como largas barras a lo largo del tronco y le da a la madera su resistencia a la tracción, mientras que la matriz de lignina le otorga a la madera su resistencia a la compresión.

Figura 1:Microestructura básica de la madera.

Este artículo se centra en tres ejemplos que mejoran las propiedades de la madera y amplían sus usos, a saber, madera densificada, madera transparente y nanorrevestimiento para madera. También exploraremos la madera como fuente de carbono de alta calidad con una estructura ventajosa.

Madera densificada

La madera es un material estructural ampliamente utilizado debido a su alto módulo específico, alta resistencia, bajo costo y naturaleza renovable [1]. Sin embargo, el uso más amplio en la actualidad se ve obstaculizado por la gran variación en sus propiedades [1]. Esto se debe a la amplia gama de condiciones de crecimiento que puede experimentar un árbol (p. ej., tipo de suelo, disponibilidad de agua y nutrientes), lo que lleva a una diferencia en las estructuras y variaciones en la pendiente del grano, el ancho del anillo y la prevalencia de nudos [1][2 ].

Para superar estas variaciones naturales, los científicos e ingenieros han desarrollado productos de madera de ingeniería, incluida la madera contralaminada y la madera laminada encolada (glulam) [1]. Estos han mejorado mucho las propiedades de la madera y se han convertido en alternativas ambientalmente viables al acero y al hormigón [2]. Sin embargo, los productos de madera de ingeniería actuales requieren grandes cantidades de adhesivos y sujetadores metálicos, lo que reduce su sustentabilidad y reciclabilidad, especialmente cuando se usan ciertos adhesivos que emiten gases tóxicos (por ejemplo, formaldehído y compuestos orgánicos volátiles) [1].

Como resultado, la investigación se ha centrado en una variedad de alternativas y, en particular, en la madera densificada. Aquí es donde se incrementa la densidad de la madera:

• Densificación a granel: En todo el volumen de la madera [1] [2]
• Densificación superficial: Solo en la capa superficial de la madera [2]
• Densificación de infiltraciones: En todo su volumen mediante la impregnación de huecos con metales fundidos/azufre o polímeros [3]

Esta mayor densidad conduce a mejores propiedades mecánicas (Tabla 1) y amplía los tipos de madera que se pueden usar, ya que las especies de madera de baja densidad ahora se pueden procesar en materiales estructurales viables [1]. Los tres métodos son prometedores.

Especies	Resistencia a la tracción longitudinal [MPa]
	Sin comprimir	Comprimido (80%)
Roble (Quercus)	115,3	584.3
Álamo (Populus)	55,6	431,5
cedro rojo occidental (Thuja plicata)	46,5	550.1
Pino blanco del este (Pinus strobus)	70.2	536,9
Tilo (Tilia)	52,0	587.0

Tabla 1:Resistencia a la tracción longitudinal de la madera antes y después de la compresión.[1]

Uno de los factores limitantes para la densificación a granel son las paredes celulares de la madera (lignina), que dificultan la densificación y no tienen una contribución general significativa a las propiedades de la madera densificada [3]. Al mismo tiempo, hay investigaciones en curso sobre la descomposición de la madera a nanoescala y el uso del material de nanocelulosa delignificado, que tiene excelentes propiedades materiales [3]. Pero la investigación ha tenido problemas para escalar/ensamblar esto usando impresión 3D o 4D [3].

Una solución parcial es cambiar de un enfoque de abajo hacia arriba a un enfoque de arriba hacia abajo deslignificando y densificando completamente la madera. Efectivamente, esto agrega un paso preliminar al proceso de densificación y ayuda a formar un nuevo material a granel de celulosa con propiedades mecánicas mejoradas en comparación con la madera densificada (módulo elástico ≈ 40 GPa y resistencia a la tracción ≈ 270 MPa) [3]. Además, se puede moldear fácilmente en formas complejas [3], abriendo aplicaciones más allá de las aplicaciones estructurales y tal vez anunciando un nuevo tipo de biocompuestos reforzados con fibra.

Figura 2:Los materiales a granel de celulosa se pueden moldear fácilmente en una variedad de formas geométricas. [3]

Madera transparente

Como habrás notado, la madera en la figura 2 es casi translúcida. Bueno, resulta que la madera transparente es actualmente un área bajo investigación y el primer paso en el proceso es la deslignificación. A esto le sigue la infiltración con un polímero con un índice de refracción coincidente, creando así una madera casi transparente [4] con cierta dispersión residual debido a unos pocos espacios que resultan de la contracción del polímero durante la polimerización [4]. Aún así, dado que la infiltración de polímeros es una forma de densificación, esto conduce a una madera fuerte y transparente. La infiltración de polímeros también reduce la naturaleza anisotrópica de la madera hasta en un factor de cinco [5]. Esto se debe a que el polímero mejora la dirección transversal débil de la madera, lo que suprime la flexión de la pared celular, el mecanismo de falla dominante en esta dirección [5].

Figura 3:Imágenes de antes y después de una muestra de madera que ha sufrido deslignificación e infiltraciones de polímeros.[4]

Además de ser un material fascinante, tiene una gran cantidad de usos potenciales, incluidos techos transparentes, ventanas y cubiertas de paneles solares. Los techos, secciones y ventanas transparentes pueden reemplazar el vidrio con sus propiedades mecánicas superiores y aislamiento térmico. El alto valor de neblina (medida de dispersión de la luz) de la madera transparente también significa que proporciona una luz más suave y difusa que el vidrio tradicional. Esta difusión de la luz lo convierte también en una cubierta de panel solar muy eficaz, lo que aumenta la trayectoria de la luz en la célula solar y permite más tiempo para extraer energía, lo que conduce a una mayor eficiencia [4].

Nano-revestimiento para madera

Aquí, analizamos casos más allá de la alteración de las propiedades de la madera, donde recubrirla con nanomateriales puede ayudar a superar algunas de las debilidades de la madera y mejorar sus propiedades mecánicas [6]. Estas debilidades incluyen la inflamabilidad, la fotodegradación y la absorción de agua.

El nanorrecubrimiento de la madera se puede realizar de dos maneras:se agregan nanopartículas al recubrimiento para mejorar sus propiedades antes de la aplicación, o se depositan nanopartículas directamente sobre la madera [6].

El segundo método se ha utilizado para reducir la inflamabilidad de la madera mediante la deposición de partículas de TiO2/ZnO. Primero se mezclan en una solución con etanol y luego la madera cubierta con la solución se sella en un autoclave. Esto conduce a la formación de nanopartículas con tamaños que oscilan entre 80 y 200 nm en la superficie, lo que aumenta cuatro veces el tiempo de ignición [7].

La fotodegradación se produce cuando la radiación UV absorbida conduce a la fotooxidación, lo que provoca la decoloración de la superficie y una reducción importante de las propiedades mecánicas. Aquí, depositar una capa de ZnO genera una capa de nanopartículas que reduce el envejecimiento inducido por los rayos UV y el crecimiento de agentes fúngicos y microbianos. Esta resistencia al envejecimiento UV se debe a que el ZnO absorbe preferentemente la radiación UV y protege la madera subyacente [8]. Cuando se trata de mejorar las propiedades mecánicas, se utiliza nanosílice. Las partículas de nanosílice poseen una gran dureza y propiedades térmicas. Pueden reaccionar cuando se usan reacciones sol-gel con polímeros para formar estructuras de red reticulada que se pueden aplicar en maderas [6].

Compositos de madera carbonizada/cerámica

Esta aplicación utiliza posiblemente el material sintético más antiguo, el carbón vegetal. El carbón vegetal es material celular carbonizado producido por pirólisis. Se utilizó en la creación de dibujos rupestres [9]. Hoy en día, todavía usamos carbón vegetal para una variedad de aplicaciones, incluidas bioplantillas para cerámicas y compuestos avanzados y barbacoas. La carbonización de la madera implica un proceso de dos pasos [9].

• El paso 1 es la descomposición de un material bioorgánico (a menudo madera, pero también fibras naturales y papel) en una plantilla de carbono.
• El paso 2 es convertir la plantilla de carbono mediante transformación o sustitución en estructuras cerámicas o compuestas.

Ambos métodos requieren infiltraciones de la plantilla de carbono por un material elegido ya que este es, por naturaleza, un medio poroso. El material debe estar en estado gaseoso, líquido o en forma de nanopartículas [9].
La transformación implica mezclar la plantilla de carbono con Si o Ti en diferentes formas, incluido gas, fundido o sol-gel [ 9][10]. La sustitución es cuando un óxido cerámico se deposita sobre la plantilla como sol-gel o nanopartícula y luego se sinteriza [9][10].

Ambas vías pueden generar materiales porosos o densos con una morfología microcelular basada en la de la madera inicial [10]. Esta forma de procesamiento abre una gran cantidad de opciones de diseño, ya que la geometría del compuesto ahora se puede modificar fácilmente dando a la plantilla de madera la forma requerida, un proceso mucho más fácil que dar forma o mecanizar el producto final. También existe la opción de adaptar la morfología de los materiales mediante la elección de la madera para la plantilla. Por ejemplo, la madera blanda ofrece una distribución de poros monomodal, mientras que algunas maderas duras ofrecen una distribución de poros multimodal [10].

Figura 4:Imagen SEM de cristales de TiC que se han formado sobre un sustrato de madera carbonizada. [9]

Estos compuestos de madera carbonizada aún no han llegado al mercado masivo, pero se están considerando para una gran cantidad de aplicaciones, donde su alta porosidad (filtros, intercambiadores de calor y estructuras de soporte de catalizadores) y su formabilidad (tubos de cerámica y materiales resistentes al desgaste) podrían resultar ventajosos. para muchas aplicaciones [9][10][11].

Fibras de carbono de la madera

Las fibras de carbono (CF) tienen una excelente relación resistencia-peso que, cuando se combina con plásticos reforzados, las convierte en compuestos livianos extremadamente efectivos. Sin embargo, debido a su costo relativamente alto, están restringidos principalmente a aplicaciones de alta gama, como palas de turbinas eólicas, autos de Fórmula 1 y piezas aeroespaciales. Todavía tienen que entrar en uso generalizado en aplicaciones automotrices, el sector energético y la construcción [12], donde su aplicación podría resultar en mejoras significativas en la eficiencia energética y reducciones en las emisiones de CO2. Por ejemplo, una reducción del peso del 10 % en un automóvil puede mejorar la eficiencia del combustible en aproximadamente un 7 % [12].

El alto costo de los CF se debe a que se fabrican predominantemente (>96 %) con poliacrilonitrilo (PAN) de origen fósil [12][13], un material relativamente costoso. Se procesa en fibras de carbono mediante hilado en solución, una serie de tratamientos térmicos (200-350 ºC) y carbonización (> 1000 ºC) [12]. Para superar este problema de precio, la investigación ha buscado encontrar materiales precursores de bajo costo, preferiblemente de fuente renovable, evitando así el uso de combustibles fósiles.

Han surgido dos materiales como candidatos viables, la lignina y la celulosa [12][13].

La lignina se usa por su alto contenido de carbono, lo que permite un alto rendimiento de CF después de la conversión [12]. La celulosa se utiliza por su estructura molecular beneficiosa, que otorga la capacidad de generar CF con propiedades mecánicas equivalentes a PAN CF [13]. Ambos materiales, sin embargo, tienen problemas, ya que la heterogeneidad estructural de la lignina significa que el CF producido tiene propiedades mecánicas inferiores, y el bajo contenido de carbono de la celulosa significa que tiene un bajo rendimiento de conversión (10-30 %) [12][13].

Como puede ver, la desventaja de uno es la ventaja del otro. Por lo tanto, los investigadores combinaron ambos materiales utilizando mezclas 70:30 de lignina kraft de madera blanda y pulpas kraft (celulosa) [12], que se convirtió en filamentos mediante hilatura húmeda con chorro seco y luego FC mediante oxidación y carbonización (1000 ºC) [ 13].

Propiedades	Materiales precursores
	PAN estándar e intermedio [14][15]	Celulosa [12]	Lignina [12]	70:30 mezcla de lignina y celulosa [12]
Módulo de tracción (GPa)	200-400	500>	30-60	76 - 77
Resistencia a la tracción (MPa)	4000 - 6000	2500>	400-550	1070 - 1170
Rendimiento (% en peso)	40-55	10-30	40-55	38-40

Tabla 2:Propiedades de CF formadas a partir de diferentes materiales precursores.[1]

En la tabla 2, vemos que esta mezcla mejora las propiedades mecánicas en comparación con la lignina y mejora el rendimiento en comparación con la celulosa. Sin embargo, sus propiedades mecánicas y su rendimiento siguen siendo inferiores a los del PAN CF. Esta no es una barrera importante ya que las aplicaciones previstas en energía, construcción y automoción no requieren una resistencia a la tracción> 3GPa que ofrece el CF basado en PAN. Por lo tanto, la mezcla podría cumplir adecuadamente con estos requisitos.
Todavía hay algunos problemas antes de que entre en la fabricación en masa, como la tensión dinámica durante la fabricación y el cambio de fabricación de lote a continuo. Todavía estamos a años de la producción a nivel comercial [13]. Sin embargo, la clave para el mercado masivo de fibra de carbono puede ser la madera.

Conclusión

Con suerte, este artículo ha demostrado que la madera todavía tiene un potencial sin explotar como material estructural/funcional y como base para el procesamiento en materiales novedosos. Este artículo cubre un mínimo de los avances actuales en el campo, y cualquiera de estos temas merece su propio artículo, incluidos los materiales de madera híbridos o los nanorrellenos para madera. Para enfatizar aún más el potencial sin explotar de la madera, la Universidad de Kyoto está investigando activamente para enviar un satélite de madera al espacio. Esto es solo el comienzo para intentar alcanzar todo el potencial de la madera.