ES2312216T3 - Un metodo para incrementar la permeabilidad de la madera. - Google Patents
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Abstract
Un método para incrementar la permeabilidad de la madera caracterizado porque el método somete la madera con contenidos de humedad, con base en el peso seco de por lo menos 15% a radiación con microondas a una frecuencia (f) en el rango desde 0.1 a 24 GHz con una intensidad de energía (p) de 10 W/cm 2 a 100 kW/cm 2 para una duración de desde 0.05 a 600 segundos para hacer que el agua de la madera se vaporice dando como resultado una presión interna en la madera de tal forma que la permeabilidad de la madera se incrementa por la destrucción parcial o completa del tejido de las células radiales, suavizamiento y desplazamiento de la resina de la madera, la formación de sendas en la dirección radial de la madera y/o al crear, sobre la base de los radios, cavidades destruidos, en la madera, dichas cavidades están principalmente en el plano radial-longitudinal de la madera, y en donde la integridad total de la madera se mantiene sustancialmente.
Description
Un método para incrementar la permeabilidad de
la madera.
La presente invención se relaciona con el
tratamiento de madera, y está particularmente relacionada con un
método para incrementar la permeabilidad de la madera, especialmente
la madera húmeda.
El tratamiento de la madera al impregnarla con
conservantes y otros agentes, tales como agentes a prueba de fuego,
es muy bien conocido. Uno de los problemas del tratamiento de
impregnación es asegurar que el agente ha impregnado la madera
completamente o por lo menos suficientemente.
También es conocido preparar la madera para
impregnación al utilizar vapor para elevar la temperatura y la
presión en la madera y descomponer algunas de las células de la
madera (después de que la presión se reduce rápidamente) y de esta
manera mejorar la permeabilidad natural de la madera. Las
especificaciones de vaporización actualizadas para, por ejemplo, el
acondicionamiento con vapor de manera redonda de pino radiata
recomendó el uso de vapor a una temperatura de 127ºC y presión de
138 kPa durante un período de desde 1.5 a 18 horas dependiendo del
grosor de la madera antes de que la presión se reduzca rápidamente.
Aunque este tratamiento no ayuda a mejorar el proceso de
impregnación, tiene varias desventajas, particularmente la duración
del tratamiento y el requisito por vapor a alta presión.
También se conoce secar madera para formar
fibras al destruir la estructura de la madera utilizando energía de
microondas. Es importante al secar la madera utilizar energía de
microondas no para dañar la madera y se han propuesto programas de
secado especiales para diferentes especies de madera. En todos estos
programas la intensidad de la radiación de microondas es muy baja,
por debajo de 5 a 10 W/cm^{2}, con el fin de evitar el daño a la
madera.
La destrucción de la madera utilizando energía
de microondas para formar las fibras se desarrolla a una intensidad
de radiación considerablemente mayor, por ejemplo hasta de 150
kW/cm^{2}, con el objeto de calentar la humedad en la madera para
formar vapor muy rápidamente y en una cantidad suficiente para
descomponer completamente la estructura de la madera.
La DE 3707042 se ocupa de una innovación que se
relaciona con un proceso para la preservación de madera utilizando
conservantes o impregnantes de madera. La madera se somete a un
tratamiento con microondas durante y/o después de la preservación o
impregnación y la madera se trata adicionalmente con microondas
inmediatamente antes de la preservación o impregnación.
La US 4 469 156 describe un método y aparato
para adecuar los materiales de madera en una configuración
predeterminada en donde el material de madera está sustancialmente
saturado con agua, calentado, conformado y secado, y en donde la
energía de microondas se utiliza para al menos la etapa de
calentamiento del método.
La presente invención suministra un método para
incrementar la permeabilidad de madera de acuerdo a la
reivindicación 1 y un material basado en madera de acuerdo con la
reivindicación 13.
De acuerdo con un aspecto de la presente
invención puede haber un método para incrementar la permeabilidad
de la madera que comprende someter la madera con un contenido de
humedad (con base en el peso seco) de por lo menos 15% a radiación
de microondas a una frecuencia (f) en el rango desde aproximadamente
0.1 a aproximadamente 24 GHz con una intensidad de potencia (p) de
aproximadamente 10 W/cm^{2} a aproximadamente 100 kW/cm^{2}
para una duración de desde aproximadamente 0.1 a aproximadamente 600
segundos para hacer que el agua en la madera se vaporice dando como
resultado una presión interna en la madera de tal forma que la
permeabilidad de la madera se incremente mediante la destrucción
parcial o completa del tejido celular de los radios, que suaviza y
desplaza la resina de la madera, la formación de sendas en la
dirección radial de la madera y/o al crear, sobre la base de los
radios destruidos, cavidades en la madera, dichas cavidades están
principalmente en los planos radial-longitudinal de
la madera, y en donde la integridad total de la madera se mantiene
de manera sustancial.
También se suministra madera cuando quiera que
se trate con el método descrito en el párrafo inmediatamente
precedente.
Utilizar el método de la invención, es posible
para tratar selectiva y aleatoriamente madera y producir madera que
tenga regiones de diferente permeabilidad. Por lo tanto, de acuerdo
con otro aspecto de la invención se puede suministrar madera que
tenga regiones de diferente permeabilidad, en donde por lo menos una
de dichas regiones se ha tratado para incrementar la permeabilidad
de ésta con relación a la madera no tratada.
El tratamiento con microondas de la presente
invención incrementa la permeabilidad de la madera típicamente al
vaporizar el contenido de agua en la madera para crear una presión
interna y una temperatura por encima de 100ºC que resulta en la
modificación de la estructura de la madera por una cualquiera o más
de la destrucción de las células radiales en la madera, suavizando
y movilizando la resina en la madera y reemplazándola al menos
parcialmente con poros abiertos, y la creación de grietas radiales
delgadas dando como resultado cavidades dispuestas principalmente
en los planos radial-longitudinal. Puede no haber
secado sustancial de la madera durante el proceso de la invención.
La presente invención puede facilitar el procesamiento en línea de
la madera tal como para impregnación o secado rápido. Esto es, las
grietas y cavidades radiales delgadas formadas mediante el método
de la presente invención pueden permitir una más efectiva
impregnación de ciertos agentes de tratamiento. Las grietas o
cavidades radiales delgadas también pueden permitir los tratamientos
de secado posteriores más rápidos que los comparados con las
técnicas de secado empleados convencionalmente en la ausencia del
tratamiento de la presente invención. Por ejemplo, las especies de
madera dura (es decir, las maderas refractarias), tales como el
eucalipto, pueden experimentar grietas internas y colapso luego del
secado rápido sin el tratamiento previo de la presente invención
debido a la excesiva presión generada dentro de la madera.
El tratamiento con microondas de la presente
invención no está necesariamente limitado a someter la madera a una
frecuencia de microondas o intensidad de potencia única. El método
puede comprender, por ejemplo, someter la madera a varias
frecuencias de microonda y a intensidades de potencia en un
tratamiento único. Preferiblemente, se utilizan la intensidad de
potencia, sea una intensidad de potencia única o un número de
diferentes intensidades de potencia, se mantiene en no menos de 10
W/cm^{2}. En una modalidad preferida, sin embargo, la intensidad
de potencia se mantiene por encima de 10 W/cm^{2}.
El tratamiento con microondas de la presente
invención también se puede utilizar para incrementar la
permeabilidad de una porción o porciones de la madera sea selectiva
o aleatoriamente. Por ejemplo, los impulsos de energía de duración
predeterminada y separada por un conjunto de intervalos de tiempo o
impulsos aleatorios se pueden utilizar para tratar la madera. De
manera alternativa, las microondas se pueden dirigir a una porción o
porciones de madera que se van a tratar. Si una pluralidad de
porciones se va a tratar, éstas se pueden seleccionar
aleatoriamente o de manera predeterminada con el uso propuesto del
producto final en mente. Esto es, dependiendo de la flexibilidad,
resistencia, permeabilidad y otras características requeridas del
producto. La madera producida por este tratamiento selectivo o
aleatorio comprende regiones de diferente permeabilidad en donde la
porción tratada de la madera constituye por lo menos una región y
una porción no tratada constituye otra región, y en donde la
porción tratada tiene mayor permeabilidad que la porción no
tratada.
El proceso de la presente invención se aplica
preferiblemente al tratamiento de madera húmeda. Como se utiliza
aquí y a través de la especificación el término "madera húmeda"
se refiere ampliamente a la madera que está "verde" después
del aserrado tal como lo entendería una persona experta en la
técnica. La cantidad de agua presente en la madera húmeda, por
supuesto, varía dependiendo de las especies de planta, pero se
considera que la madera húmeda tendrá en general un contenido de
humedad en el rango de desde aproximadamente 30 a aproximadamente
200% con base en el peso seco de la madera. El proceso de la
presente invención también es aplicable al tratamiento de madera
que tiene contenidos de humedad inferiores, tales como el 15% al
30%.
La madera es capaz de absorber cantidades muy
altas de energía de microonda. La energía de microonda origina que
el agua en las células de la madera se caliente y hierva, creando
presión de vapor en las células lo que resulta en la destrucción de
las paredes celulares. Las células de los radios tienen paredes más
delgadas que las células de otros tejidos de madera principales
(traqueidas, libriforme) y las células radiales se destruyen por la
energía de microondas antes que las células principales del tejido
de la madera. Las células radiales destruidas forman sendas en la
dirección radial para el fácil transporte de los líquidos y vapores
hacia dentro desde la superficie exterior. Las células radiales
forman desde aproximadamente el 5 a aproximadamente el 35% del
volumen de la madera, de tal forma que su destrucción puede
incrementar sustancialmente la permeabilidad de la madera.
El tratamiento, por lo tanto, da como resultado
ventajosamente la destrucción de las células radiales aunque
manteniendo sustancialmente la integridad total de la madera. Esto
es, la destrucción de las células radiales puede ocurrir sin la
destrucción significativa de las células de los tejidos de madera
principales (comúnmente denominados como granos o fibras de la
madera) dando como resultado madera tratada la cual, como se discute
posteriormente, tendrá generalmente una resistencia a la torsión
disminuida, pero no afecta sustancialmente la resistencia a la
flexión en la dirección radial. En un tratamiento de aproximadamente
cuatro segundos de duración, por ejemplo, una baja frecuencia (f)
de aproximadamente 0.4 GHz se utiliza preferiblemente con una
intensidad de energía (p) de aproximadamente 6 kW/cm^{2}. Una
mayor frecuencia de, por ejemplo, 10 GHz se utiliza preferiblemente
con una intensidad de potencia inferior de aproximadamente 0.24
kW/cm^{2}. Más preferiblemente, una frecuencia de desde
aproximadamente 1 a aproximadamente 2.4 GHz se utiliza con una
intensidad de potencia de aproximadamente 2.4 kW/cm^{2} a
aproximadamente 1 kW/cm^{2}.
Como se discutió anteriormente, incrementar la
intensidad de la energía de microondas suministrada a la madera
incrementa la presión de vapor allí en la proporción del volumen de
los radios que las paredes de las traqueidas (libriforme) comienzan
a romper. La resistencia a la tensión de la madera es dos a tres
veces menor en la dirección tangencial que en la dirección radial y
con una presión interna creciente, por ejemplo correspondiendo a la
intensidad creciente de la energía de microondas, la madera se puede
destruir junto con los tejidos principales de la madera. Esto da
como resultado grietas que se extienden en los planos
radial-longitudinal. Además, en la medida en que la
resistencia a la tensión de la madera en la dirección tangencial se
reduce, en la medida en que la temperatura (y la presión) se
incrementa, las grietas se pueden formar en la madera a
comparativamente bajas presiones. La madera tratada por lo tanto,
tendrá generalmente una resistencia a la torsión disminuida, pero
una resistencia a la flexión sustancialmente sin afectar en la
dirección radial.
Cuando se somete a la energía de microondas,
cualquier resina en la madera se suaviza antes de fundirse y
hervir. La presión del vapor en la madera fuerza la resina suave a
desplazarse desde los rayos, dejando los poros o cavidades en la
madera. Este es un medio particularmente efectivo de incrementar la
permeabilidad de la madera que tenga cantidades de resina
sustanciales.
Para el suavizamiento de la resina y su remoción
de, por ejemplo, el pino radiata en un tratamiento de
aproximadamente 12 segundos de duración, una frecuencia de
aproximadamente 0.4 GHz y una intensidad de potencia de
aproximadamente 2 kW/cm^{2} se utilizan de manera preferible. Si
una frecuencia mayor de aproximadamente 10 GHz se utiliza, la
intensidad de potencia es preferiblemente aproximadamente 0.08
kW/cm^{2}. Más preferiblemente una frecuencia desde
aproximadamente 1 a aproximadamente 6 GHz se utiliza con una
intensidad de potencia desde aproximadamente 0.08 a aproximadamente
0.13 kW/cm^{2}.
La presente invención mantiene sustancialmente
la integridad sobre la estructura total de la madera, pero
suministra una permeabilidad creciente que puede mejorar la
impregnación durante los tratamientos posteriores. El rango de las
frecuencias de microondas adecuadas para el tratamiento de la madera
está limitado a desde aproximadamente 0.1 GHz a aproximadamente 24
GHz. Es imposible a una frecuencia de menos de aproximadamente 0.1
GHz crear energía suficiente en la madera para destruir las paredes
celulares porque, a la densidad de energía requerida, tiene lugar
la descomposición eléctrica (punzonado) y la madera se carboniza. A
una frecuencia mayor de aproximadamente 24 GHz, la profundidad de
penetración de las microondas en la madera húmeda puede ser de
menos de aproximadamente 10 a 15 mm. Esto generalmente no permitirá
una distribución suficiente de energía (temperatura) para
suministrar los efectos deseados.
La intensidad de la energía deseada variará con
la frecuencia de microonda seleccionada. A una frecuencia de
aproximadamente 24 GHz, es suficiente para que la intensidad de la
microonda sea de aproximadamente 10 W/cm^{2}. Sin embargo, a una
frecuencia de microonda de aproximadamente 0.1 GHz, hasta de 100
kW/cm^{2}, preferiblemente hasta de 50 kW/cm^{2}, y más
preferiblemente hasta de 10 kW/cm^{2} se requiere para el
calentamiento y la rápida destrucción de las células de la madera.
Los rangos preferidos de la frecuencia de microondas (f) y la
intensidad de energía (p) son desde aproximadamente f=0.4 GHz y p=6
kW/cm^{2} a aproximadamente f=10 GHz y p=0.24 kW/cm^{2}, más
preferiblemente desde aproximadamente f=1 GHz y p=2.4 kW/cm^{2} a
aproximadamente f=6 GHz y p=0.4 kW/cm^{2}.
La duración del tratamiento con microondas
dentro de la frecuencia definida y unos rangos de intensidad de
potencia están en el rango de desde 0.05 a 600 segundos,
preferiblemente 0.1 a 600 segundos, y generalmente será menor de
250 segundos, preferiblemente menor de 100 segundos, más
preferiblemente desde aproximadamente 1 a aproximadamente 20
segundos. La duración mínima del tratamiento con microondas para
incrementar la permeabilidad de la madera se determina mediante la
energía del generador(es) de microondas utilizados. El
generador de capacidad máxima utilizado en la industria de la
madera aserrada es generalmente 500 KW. Los experimentos han
mostrado que la presión excesiva más alta en la madera para hacer
las grietas radiales-longitudinales debe ser de
aproximadamente 400 kPa, y desde un punto de vista práctico es
difícil crear condiciones para incrementar la permeabilidad de la
madera durante un período de menos de 0.05 segundos. Un tratamiento
de madera con microondas mayor de 600 segundos es probable que
produzca madera de buena calidad para impregnación, pero se pueden
utilizar períodos mayores con combinaciones de frecuencia e
intensidades de potencia de microondas muy bajas. Sin embargo,
comercialmente tales períodos largos no serán usualmente
aceptables.
Para lograr la modificación de la madera (por
ejemplo mejoras en la permeabilidad) en diferentes zonas en la
madera se utiliza ventajosamente radiación de microondas de
diferentes frecuencias. Por ejemplo, si la madera aserrada tiene
una sección transversal de 100 x 100 mm, la modificación de la
microonda se puede lograr utilizando una frecuencia de 2.4 GHz. La
madera se puede modificar sustancialmente a una profundidad de 20
mm en la cual la modificación se restringe a las células radiales.
Si se emplea una frecuencia de 0.915 GHz, la modificación en la
zona central de la madera se puede efectuar mediante la modificación
o la destrucción de las células radiales y la formación de un
número de cavidades en los planos
radial-longitudinal.
Las células de la madera tienen una absorción
máxima de energía de microondas si el vector de persistencia de
campo eléctrico E se orienta paralelo a la longitud de la célula.
Los radios están generalmente alineados en la dirección radial
(perpendiculares a los tejidos principales de la madera (traqueidas,
libriforme) de tal forma que las células radiales tendrán una
absorción de energía de microondas máxima cuando el vector E se
orienta en la dirección radial. Con la orientación del vector E
paralelo a los radios y perpendicular a los tejidos de madera
principales, las células radiales se calentarán más rápidamente que
los otros tejidos de la madera y absorberán más energía que les
permitirá la destrucción de las células radiales sin la destrucción
de los tejidos de madera principales. El presente proceso también
posibilita la reducción en el consumo de energía.
Las propiedades dieléctricas de la madera son
dependientes de la orientación del vector E con la dirección del
tejido principal de la madera. El factor de pérdida dieléctrica de
la madera húmeda cuando el vector E se orienta paralelo a los
tejidos principales de la madera tiene un valor de aproximadamente
1.6 a 2.2 veces mayor que cuando el vector E se orienta
perpendicular a los tejidos. Adicionalmente, la profundidad de
penetración de las microondas disminuye a aproximadamente 1.5 a 2
veces cuando la orientación del vector E se cambia desde la
perpendicular a los tejidos de madera principales con el paralelo a
los tejidos, y la capacidad de absorción de la madera se incrementa
correspondientemente. De acuerdo con esto, los efectos de aplicar la
energía de microondas a la madera se puede controlar al mover la
orientación del vector E entre la dirección perpendicular preferida
a los tejidos de la madera y paralelo a los tejidos de la
madera.
El uso de la energía de microondas para
incrementar la permeabilidad es más eficiente a temperatura elevada,
y ventajosamente el método de la invención se desarrolla a una
temperatura de la madera de aproximadamente 80 a aproximadamente
110ºC, preferiblemente aproximadamente 90 a aproximadamente 100ºC.
La madera se puede calentar mediante cualquier medio adecuado, por
ejemplo por convección, contacto o métodos
electro-conductivos. De manera ventajosa la madera
se calienta por medio de la energía de microondas, por ejemplo a un
rango de frecuencia de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 24 GHz
con una intensidad de potencia desde aproximadamente 0.1 a
aproximadamente 10 W/cm^{2}. El precalentamiento con microondas se
puede llevar a cabo durante cualquier período adecuado, por ejemplo
desde aproximadamente 20 a aproximadamente 600 segundos.
Con el fin de incrementar el efecto de la
influencia selectiva de la energía de microondas sobre la
destrucción de las células radiales o el suavizamiento de la
resina, puede ser ventajoso a temperaturas de madera por encima de
aproximadamente 100ºC utilizar impulsos de energía con densidad de
alta energía. Esto puede ayudar a evitar el sobrecalentamiento del
cuerpo de la madera.
Durante el tratamiento con microondas de alta
intensidad, la superficie de la madera aserrada se puede
sobrecalentar y carbonizar. Para aliviar esto es deseable enfriar
la superficie utilizando gas o flujo de aire, preferiblemente a
velocidades no menores de 1 m/seg, más preferiblemente no menos de 2
m/seg., aplicar gas o flujo de aire a la superficie de la madera
también puede remover ventajosamente los vapores, el polvo y la
humedad desde la zona de irradiación y también puede evitar la
condensación de la humedad en el aplicador de microondas.
Para la modificación uniforme, se puede remover
la madera a través de la zona de irradiación de microondas a una
velocidad constante con la irradiación de las microondas con
frecuencias particulares. En algunos casos, puede ser ventajoso
suministrar madera que tenga zonas tratadas y no tratadas, o zonas
que tengan grados variantes de tratamiento y, por lo tanto, con
permeabilidad variante. Para controlar la modificación de la madera,
sea uniforme o no uniformemente, la intensidad y la frecuencia de
la irradiación con microondas se puede alterar durante el
tratamiento según se requiera para suministrar el efecto deseado.
Esto se determinará fácilmente por aquellos expertos en la
técnica.
técnica.
De acuerdo con otro aspecto de la invención se
suministra un material basado en madera formado por un tratamiento
con microondas de una madera no tratada que tenga un contenido de
humedad (con base en el peso seco) de por lo menos 15%, el material
basado en madera tiene una multitud de cavidades principalmente en
los planos radial-longitudinal de éstos formado por
la destrucción completa o parcial de las células radiales y al
expandir los radios destruidos a las cavidades durante el
tratamiento con microondas de la madera no tratada, y que tiene una
permeabilidad en las direcciones radial y longitudinal que es de
por lo menos 5 veces aquella de la madera no tratada, en donde la
integridad total de la madera no tratada se mantiene sustancialmente
en el material basado en madera.
El material basado en madera puede ser uniforme
en la permeabilidad que tiene una multitud de cavidades espaciadas
homogéneamente a través del cuerpo del material. Sin embargo, en
otra modalidad, el material basado en madera tiene regiones que
tienen una alta densidad de cavidades que alternan con regiones que
tienen baja densidad de cavidades o que no incluyen ninguna de las
cavidades. Más particularmente, las regiones alternantes pueden
alternarse en las direcciones longitudinal, radial y/o tangencial
del material basado en madera. Adicionalmente, las regiones
alternantes se pueden formar selectivamente en el material basado en
madera, o pueden ser aleatorias. La disposición particular de estas
regiones dependerá generalmente del uso anticipado del producto
final.
El incremento en la permeabilidad del material
basado en madera comparado con la madera no tratada es muy marcado.
Como tal, la toma de la solución de tratamiento del material basado
en madera también se incrementa dramáticamente comparada con la
madera no tratada. En general, el material basado en madera tendrá
una toma de solución de tratamiento desde aproximadamente 120 a
aproximadamente 550 l/cm^{3}. Más particularmente, el material
basado en madera tendrá una toma de solución de
cobre-cromo-arsénico desde
aproximadamente 190 a aproximadamente l/cm^{3}. Adicionalmente,
el material basado en madera de acuerdo con la invención tiene
preferiblemente una buena toma de materiales de tratamiento como
tal, por ejemplo, creosota. Preferiblemente, después de 30 minutos
de inmersión en la creosota, el material basado en madera de acuerdo
con la invención tiene una toma desde aproximadamente 115 a
aproximadamente 220 kg/m^{3}.
La integridad total de la madera no tratada se
mantiene sustancialmente en el material basado en madera de acuerdo
con la invención. Esto es, como se discutió anteriormente, no existe
destrucción significativa de las células del tejido principal de la
madera en el material basado en madera. Sin embargo, habrá en
general una reducción de las propiedades mecánicas del material
basado en madera comparado con aquellas de la madera no tratada. En
particular, se puede esperar que el material basado en madera tenga
un módulo de elasticidad disminuido (MOE) y un módulo de ruptura
disminuido (MOR) comparado con la madera no tratada. Estos factores
se tomarán en consideración y se discutirán con mayor detalle en los
siguientes ejemplos.
La presente invención es adecuada para madera
redonda, madera cerrada, vigas y otra madera estructural y blancos
de diferentes formas. El método de incrementar la permeabilidad de
la madera se puede utilizar antes de cualquier secado de la madera.
El método es adecuado para cualquier especie de madera, pero es
especialmente adecuado para especies de secado difícil con un alto
volumen de células radiales, como el Roble inglés.
\newpage
La presente invención se describirá ahora
adicionalmente por vía de ejemplo solo con referencia a los dibujos
que la acompañan en los cuales:
La Figura 1 es una vista esquemática del aparato
para desarrollar el proceso de la invención.
La Figura 2 es una fotomicrografía con una
amplificación x 100 que ilustra las células radiales de la madera
de pino radiata en sección tangencial;
Las Figuras 3 y 4 son fotomicrografías con una
amplificación x 200 y 700, respectivamente, de pino radiata después
de tratamiento con microondas en sección tangencial; y
La Figura 5 es una fotomicrografía con una
amplificación x 20 de una sección transversal de madera después del
tratamiento con microondas.
\vskip1.000000\baselineskip
En relación a la Figura 1, el aparato 10
comprende un generador de microondas 12 que dirige la energía de
microondas a través de una guía de onda 14 perpendicular a una senda
de tratamiento 16 definida por los pares de rodillos
transportadores 18 y 20 respectivamente corriente arriba y corriente
abajo de la guía de onda 14.
La guía de onda 14 abre el lado superior de la
senda de tratamiento 16, y se conecta con una carga de agua 22 que
absorbe la energía de microondas que pasa a través de una longitud
24 de la madera estructural.
La longitud 24 de la madera estructural se
transporta a lo largo de la senda de tratamiento por el
transportador a una velocidad predeterminada para darle el tiempo
de tratamiento deseado opuesto a la guía de onda 14.
La guía de onda 14 dirige las microondas
perpendicularmente a la longitud de la madera estructural como se
muestra por las flechas 26. La resistencia del campo eléctrico del
vector E, por lo tanto, se orienta perpendicularmente a la longitud
de la madera estructural (es decir, con los tejidos principales de
la madera). La orientación del vector E se puede alterar para
hacerla paralela con los tejidos principales de la madera por medios
eléctricos o mecánicos, así como también se reconocerá por aquellos
expertos en la técnica.
En relación ahora a las Figuras 2 a 4, las
secciones tangencial-longitudinal de las
fotomicrografías ilustran claramente el grano de madera y las
fibras individuales (traqueidas) 28 que se extienden desde la
izquierda a la derecha en las Figuras 2 y 3 y desde la parte
superior e inferior en la Figura 4. También se muestra claramente
numerosos rayos 30 que se extienden aproximadamente de manera
transversal con la sección de las fotomicrografías. La Figura 2 es
una sección de pino radiata tomada antes del tratamiento con
microondas, y las células radiales individuales en cada radio son
claramente visibles.
En las Figuras 3 y 4 las secciones son de madera
que se han sometido a tratamiento con microondas en el aparato 10 a
una frecuencia de 2.45 GHz, una intensidad de potencia de microonda
de 250 W/cm^{2} para un tiempo de procesamiento de 7 segundos
para destruir las células radiales e incrementar de esta manera la
permeabilidad de la madera. También es claro de las Figuras 2 y 3
que se ha mantenido la estructura o la integridad total de la
madera.
Los canales resinosos que se extienden en los
planos radial-longitudinal de la madera tengan una
capacidad de absorción a las microondas alta con relación a la
madera circundante. Por lo tanto, en el tratamiento con microondas
las resinas se suavizan y se funden y, bajo presión de vapor, se
forza a la superficie de la madera a dejar los canales vacantes.
Por lo menos una porción de la resina también se desplaza a través
de los poros en las células de madera adyacentes. Los canales
vacantes incrementan sustancialmente de manera ventajosa la
permeabilidad de la madera y, por lo tanto, la susceptibilidad de la
madera a la penetración química.
En la sección transversal de la Figura 5, es
posible ver las grietas 32 que se forman en los planos
radial-longitudinal de la madera del pino radiata
después de que se ha sometido la madera a tratamiento con microondas
en el aparato 10 a una frecuencia de 2.4 GHz y una intensidad de
potencia de 500 W/cm^{2} para una duración de 8 segundos.
\vskip1.000000\baselineskip
La influencia del tratamiento con microondas
sobre el módulo de elasticidad (MOE) y la resistencia al doblez
máxima (módulo de ruptura - MOR) se investigaron sobre muestras de
pino Radiata y madera Messmate. Los siguientes resultados se
obtuvieron:
\newpage
El tratamiento con microondas para incrementar
la permeabilidad del pino Radiata con los parámetros del
proceso:
La orientación del vector E de resistencia de
campo eléctrico - perpendicular al grano
Se encontró que incrementar la intensidad de
microondas conduce a una reducción en el pino Radiata del MOE y el
MOR (%) como se representa por medio de la siguiente tabla:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
5 tratamientos con microondas para incrementar
la permeabilidad de la madera Messmate a con los parámetros del
proceso:
La orientación del vector E de resistencia de
campo eléctrico - perpendicular al grano
Se encontró que incrementar la intensidad de
microondas conduce a una reducción en la madera Messmate del MOE y
el MOR (%) como se representa por medio de la siguiente tabla:
\vskip1.000000\baselineskip
Después del tratamiento con microondas la
reducción mínima de las propiedades de resistencia (es decir, el
módulo de elasticidad - MOE y el módulo de ruptura - MOR) se
determinaron como siguie (%):
La permeabilidad de la madera Messmate antes y
después del tratamiento con microondas también se investigó y se
obtuvieron los siguientes resultados:
Messmate (contenido de humedad 12%, densidad de
secado al horno 740 kg/m^{3})
Coeficiente de permeabilidad al aire (cm^{3}
(aire)/cm atm):
La toma de varios tipos de madera se investigó
antes y después del tratamiento con microondas y se obtuvieron los
siguientes resultados:
La permeabilidad de la madera es muy variable y
por lo tanto la cantidad de toma de CCA (solución de
cobre-cromo-arsénico) se utilizó
como un índice para cambiar la permeabilidad después del tratamiento
con microondas:
Toma (1/m^{3}) después de la impregnación con
presión
Una troza de pino Radiata verde descortezada que
tiene un diámetro de 120 mm se prepara para impregnación con
conservante al someterla a tratamiento con microondas en el aparato
10. Se selecciona una frecuencia de microondas de 0.915 GHz con
propósitos industriales en la medida en que esta frecuencia asegura
la distribución uniforme de la temperatura en la sección
transversal de la troza.
La salida de energía de microondas del generador
12 se ajusta a 50 kW para dar una intensidad de energía de
420 W/cm^{2}, y el transportador se ajusta para dar un tiempo de procesamiento de 9 segundos, este es el tiempo para cada porción de la troza que pasa la guía de ondas del microondas 14.
420 W/cm^{2}, y el transportador se ajusta para dar un tiempo de procesamiento de 9 segundos, este es el tiempo para cada porción de la troza que pasa la guía de ondas del microondas 14.
Madera aserrada de pino Sapwood con una sección
transversal de 5 x 5 cm se prepara para impregnación utilizando el
aparato 10 de la Figura 1 a una frecuencia de 2.45 GHz, una salida
de energía de microonda de 20 kW dando una intensidad de energía de
800 W/cm^{2}, y un tiempo de procesamiento de 3 segundos.
En ambos Ejemplos 4 y 5, la permeabilidad de la
madera se incrementó sustancialmente sin deteriorar la estructura
total o la integridad de la madera.
Utilizando un tratamiento con microondas de la
presente invención puede ser posible incrementar la permeabilidad
de las muestras de madera hasta y por encima de 100 veces la
permeabilidad de la muestra antes de tratamiento. Por ejemplo, una
muestra de madera aserrada de pino tratada a una frecuencia de 2.4
GHz, intensidad de potencia de aproximadamente 10 W/cm^{2}
durante 35 segundos incrementa la temperatura a
95-100ºC. Después de un tratamiento de 3 segundos
adicional a una intensidad de potencia de aproximadamente 500
W/cm^{2}, las células radiales se destruyen y la resina se
suaviza y se remueve para formar poros abiertos y grietas y
cavidades radiales delgadas principalmente en los planos
radial-longitudinal de la muestra. La permeabilidad
de la muestra de madera en la dirección radial es de
aproximadamente 120 veces aquella de la muestra no tratada
original.
La densidad de la madera luego de tratamiento,
que corresponde a la densidad del material basado en madera se
encontró que disminuía dependiendo del programa de tratamiento con
microondas particular. Para pino Radiata, la reducción se encontró
que es del orden de 15% para el abeto Douglas, hasta de 9.4%, y para
el Messmate, hasta del 13.4%.
Así, es posible formar un producto de madera
novedoso, "Torgvin"; que tiene una multitud de cavidades
dispuestas en los planos radial-longitudinal de
ésta. Adicionalmente, los materiales se pueden producir habiendo
tratado las zonas no tratadas al irradiar las áreas seleccionadas
de la muestra, al utilizar irradiación intermitente o de pulsos.
Los materiales de acuerdo con la invención, o producidos por el
método de acuerdo con la invención, tienen ventajosamente una muy
alta permeabilidad, flexibilidad incrementada, después del
encogimiento alterado y las propiedades mecánicas y las densidades
inferiores comparadas con la madera natural.
A lo largo de esta especificación y
reivindicaciones que siguen, a menos que el contexto lo requiera de
otra manera, la palabra "comprende", o las variaciones tales
como "comprende" o "que comprende", se entenderá por
implicar la inclusión de un entero o grupo de enteros establecido
pero no la exclusión de ningún otro entero o grupo de enteros.
Aquellos expertos en la técnica apreciaran que
la invención descrita aquí es susceptible de variaciones y
modificaciones diferentes de aquellas específicamente descritas. Se
debe entender que la invención incluye todas las tales variaciones
y modificaciones que caen dentro de su espíritu y alcance. La
invención también incluye las etapas, características,
composiciones y compuestos referido o indicados en esta
especificación, individual o colectivamente, y cualquiera y todas
las combinaciones de cualquiera dos o más de dichas etapas o
características.
Claims (15)
1. Un método para incrementar la permeabilidad
de la madera caracterizado porque el método somete la madera
con contenidos de humedad, con base en el peso seco de por lo menos
15% a radiación con microondas a una frecuencia (f) en el rango
desde 0.1 a 24 GHz con una intensidad de energía (p) de 10
W/cm^{2} a 100 kW/cm^{2} para una duración de desde 0.05 a 600
segundos para hacer que el agua de la madera se vaporice dando como
resultado una presión interna en la madera de tal forma que la
permeabilidad de la madera se incrementa por la destrucción parcial
o completa del tejido de las células radiales, suavizamiento y
desplazamiento de la resina de la madera, la formación de sendas en
la dirección radial de la madera y/o al crear, sobre la base de los
radios, cavidades destruidos, en la madera, dichas cavidades están
principalmente en el plano radial-longitudinal de la
madera, y en donde la integridad total de la madera se mantiene
sustancialmente.
2. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde el vector E de resistencia de campo eléctricode dicha
radiación de microondas durante el tratamiento de la madera se
orienta perpendicularmente al grano de la madera y preferiblemente
paralela la dirección radial de la madera.
3. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde el vector E de resistencia de campo eléctrico de dicha
radiación de microondas durante el tratamiento de la madera se
alterna entre las orientaciones perpendicular y paralela con
relación al grano de la madera.
4. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde la madera se somete a más de una frecuencia de microondas
y/o la intensidad de potencia en un tratamiento único para
suministrar madera tratada tiene regiones de diferente o uniforme
permeabilidad.
5. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde la radiación de microondas se aplica a la madera como
impulsos de duración predeterminada y separadas por intervalos de
tiempo ajustados o como impulsos aleatorios para suministrar madera
tratada que tiene regiones tratadas y no tratadas.
6. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde la madera, antes de la irradiación, tiene un contenido de
humedad en el rango de desde 15% a 200% con base en el peso seco de
la madera.
7. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde la duración de la irradiación con microondas es de menos
de 250 segundos.
8. Un método de acuerdo a la reivindicación 7,
en donde la duración de la irradiación con microondas es de
aproximadamente 1 a 20 segundos.
9. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde la irradiación de la madera se desarrolla a una temperatura
de madera de 80 a 110ºC.
10. Un método de acuerdo a la reivindicación 9,
en donde la madera se calienta mediante métodos de convección, de
contacto o electro-conductivos, o por medio de
energía de microondas.
11. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
en donde durante la irradiación con microondas la superficie de la
madera se somete a un flujo de gas o aire a velocidades de por lo
menos 1 m/seg.
12. La madera cuando se trata por un método como
se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
13. Un material basado en madera
caracterizado porque el material basado en madera se forma
mediante tratamiento con microondas de una madera no tratada que
tiene un contenido de humedad, con base en el peso seco de por lo
menos 15%, dicho material basado en madera tiene una multitud de
cavidades principalmente en los planos
radial-longitudinal de éste formados por la
destrucción completa o parcial de las células radiales y al expandir
los radios destruidos a las cavidades durante dicho tratamiento con
microondas de la madera no tratada, y tener una permeabilidad en
las direcciones radial y longitudinal que es de por lo menos 5 veces
aquella de la madera no tratada, en donde la integridad total de la
madera no tratada se mantiene sustancialmente en el material basado
en madera.
14. Un material basado en madera de acuerdo con
la reivindicación 13, que tiene regiones que tienen una densidad
alta de dichas cavidades que alternan con regiones que tienen baja
densidad de dichas cavidades y que no incluyen ninguna de dichas
cavidades.
15. Un material basado en madera de acuerdo con
la reivindicación 14, en donde dichas regiones alternantes alternan
en las direcciones longitudinal, radial y/o tangencial de dicho
material basado en madera.
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