MODELIZACIÓN DEL EFECTO DE LA PRESIÓN DE PRENSADO EN LA ABSORCIÓN DE AGUA (WA) DE TABLEROS DE FIBRAS DE “ARUNDO DONAX L ” OBTENIDOS POR PROCESO SECO Y SIN ADHESIVOS AÑADIDOS Ramos Romero D

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12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

MODELIZACIÓN DEL EFECTO DE LA PRESIÓN DE PRENSADO EN LA

ABSORCIÓN DE AGUA (WA) DE TABLEROS DE FIBRAS DE "ARUNDO DONAX

L." OBTENIDOS POR PROCESO SECO Y SIN ADHESIVOS AÑADIDOS

Ramos Romero, D.1, Salvadó Rovira, J.2, Ferrando Piera, F.3

1Dpto. de Ingeniería Mecánica. Universidad Rovira i Virgili. diego.ramos@urv.cat 2Dpto. de Ingeniería Química. Universidad Rovira i Virgili. joan.salvado@urv.cat 3Dpto. de Ingeniería Mecánica. Universidad Rovira i Virgili. f.ferrando@urv.cat

RESUMEN

El Arundo donax L. es una caña de gran productividad, por lo que se está convirtiendo en una fuente de biomasa más a considerar, y un nuevo material lignocelulósico del que se pueden obtener tableros de fibras sin adhesivos añadidos.

Las características físicas y mecánicas de los tableros vienen condicionadas por factores como el material original, los posibles pretratamientos y las condiciones de conformación (presión y tiempo de prensado). Se han utilizado cañas secas a las que se les aplica un pretratamiento de explosión de vapor. Tras varias fases de acondicionado se realiza un preconformado en frío y un conformado en caliente a distintas presiones. Se han utilizado las normas EN para la definición de las características de los tableros y las metodologías de ensayo de las mismas.

Los usos a los que se puede destinar un tablero dependen de sus características físicas y mecánicas; una de las cuales es la absorción de agua. Es por ello importante conocer qué condiciones de conformación debemos aplicar para obtener un tipo concreto de tablero.

El principal objetivo de este estudio es la modelización del efecto de la presión de prensado (Pp) sobre la absorción de agua (WA) de los tableros obtenidos.

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INTRODUCCIÓN

La producción de tableros de fibras sin adhesivos añadidos es posible a partir de muy diferentes materiales lignocelulósicos [1] (Mancera, Ferrando, & Salvadó, 2008b) .

El auge en la producción de estos tableros se apoya en dos criterios básicos. Por un lado la no utilización de adhesivos sintéticos por sus efectos medioambientales y sobre la salud; y por otro, la revalorización de materiales agrícolas o agroindustriales, que de otra forma solo son utilizados fundamentalmente como combustible.

Las propiedades físicas y mecánicas de los tableros (densidad, MOE, MOR, hinchamiento y absorción de agua (WA) varían de unos tableros a otros en función de: materia prima, condiciones de pretratamiento y condiciones de conformación del tablero.

El material utilizado en las últimos años ha sido muy variado Cynara cardunculus [1], Miscanthus sinensis [2], [3], [4], Oil Palm [5], [6] y kenaf core [7], [8], [9], paja de trigo, paja de arroz, caña de azúcar y otros. En nuestro caso ha sido una especie no utilizada hasta ahora, el Arundo donax L.

El pretratamiento aplicado ha sido una explosión de vapor, y las variables en las que podemos actuar es la temperatura (o presión) en el reactor y el tiempo de reacción.

En el conformado podemos actuar sobre la temperatura de prensado (Tp) y sobre el tiempo de prensado (tp). Las características físicas y mecánicas adecuadas de un tablero dependen del uso al que vaya destinado, es por ello muy importante establecer las relaciones entre los factores de producción y las características de dichos tableros. De tal manera que tengamos la capacidad de predicción de estas características en función de las condiciones de producción aplicadas.

En este sentido, este estudio se centra en la modelización del efecto de la presión de prensado sobre la absorción de agua de los tableros de Arundo dónax L..

MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales

El material utilizado es la caña común (Arundo donax L.). Se trata de planta originaria de Asia pero que se ha acabado extendiendo por amplias zonas templadas de la tierra. Su uso ha sido variado, aunque limitado, a lo largo de la historia. Se ha utilizado como tutor para las plantaciones hortícolas, mangos para escobas, cerramientos para vallas, material de construcción o cañas para instrumentos de viento como el clarinete, saxofón y otros.

Posiblemente, el uso que más favoreció su expansión fue como tutor para hortícolas; ya que esto hizo que se mantuviese y cuidara en gran parte de las zonas de riego. Es habitual que encontremos esta especie en zonas abandonadas o no gestionadas, como son las orillas de ríos y arroyos; lo que, en muchos casos, se puede convertir en un problema de obturación de cauces, puentes, etc. Si se consigue darle un valor añadido a esta planta, ello puede facilitar una gestión adecuada a estas masas.

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Proceso de producción de los tableros

Figura 1: Esquema de producción de los tableros de Arundo donax L.

Preparación del material

Las cañas fueron obtenidas de las orillas de un cauce natural de un barranco en el Término Municipal de Riudecanyes, provincia de Tarragona (España). Son cañas de dos años de vida, que se han troceado con una astilladora GA 100 Black&Decker, dejando trozos de entre 3 y 8 Cm de largo y unos 2 Cm de grueso. El material troceado, para facilitar la transpiración y evitar fermentaciones anómalas, se ha mantenido en sacos porosos de yute en equilibrio con el ambiente hasta la realización del pretratamiento.

Pretratamiento: Explosión de vapor

Este pretratramiento ya ha sido utilizado para la preparación de biomasa en la obtención de materiales basados en biopolímeros [15], así como en la preparación de materiales lignocelulósicos para la obtención de tableros de otras especies [16], [17]. Las cañas troceadas, en tandas de 800 a 1000 gramos han sido

introducidas en un reactor discontinuo que se compone de dos partes, el reactor propiamente dicho y una cámara de descarga o expansión. El vapor procedente de una caldera Boreal de 380 V/82 KW de 42 bares ha sido inyectado en el reactor hasta alcanzar la temperatura o presión requerida. En este caso se ha inyectado vapor hasta los 200 ºC y se ha mantenido en estas condiciones durante 9,5 minutos. Trascurrido este tiempo se actúa sobre una válvula que comunica el reactor con la cámara de descarga o expansión (con diez veces más de

Caña común

(Arundo donax L.)

Pretratamiento a 200 ºC y 9.5 minutos

Lavado y secado

Molido

Prensado frío en seco Prensado frío en húmedo

Cámara climática 20 ºC y 65 % HR

Cámara climática 20 ºC y 65 % HR

Prensado doble en caliente en seco (MDF/HDF) Serie 11

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volumen), lo que provoca una súbita descompresión y una explosión del material. Se obtiene así un material descompuesto y con las fibras disgregadas. Estas fibras están cubiertas por lignina muy reactiva, lo que facilita la conformación de tableros mediante su prensado en caliente, sin añadirle adhesivos.

Las condiciones de pretratamiento se cuantifican utilizando el criterio de severidad propuesto por Overend y Chornet [18], con el que se valora de forma conjunta el efecto de temperatura y tiempo en la aplicación y transmisión de calor. Las propiedades físicas y mecánicas de los tableros se ven afectadas por la severidad del tratamiento. La severidad de este tratamiento se ha ajustado atendiendo a los resultados obtenidos para fibras similares en estudios previos con Miscanthus Sinensis [19], con el objetivo de obtener tableros de alta calidad según las normas EN [20].

Lavado, secado y molido del material pretratado

El material extraído de la cámara de descarga ha sido directamente depositado en un carro de lavado con un tamiz de acero inoxidable donde se ha lavado para eliminar parte de las hemicelulosas degradadas y que son solubles en agua. Con ello se pretende mejorar la conformación y estabilidad de los tableros.

Posteriormente, el material lavado se ha extendido en una cámara de secado donde se ha mantenido hasta conseguir su equilibrio con el ambiente. Una vez mantenido el peso constante durante varios días, el material ha sido embolsado hasta la siguiente fase (la molienda). La humedad remante de este material es de un 12 % aproximadamente.

El efecto de la molienda ha sido estudiada y recomendada por otros autores [3] por su efecto positivo sobre las características de los tableros obtenidos. Es por ello que el material pretratado, lavado y seco es pasado por un molino con un tamiz de 4 mm como fase previa al conformado en frío.

Prensado en frío y estabilización de HR y Tª constantes

El objetivo del prensado en frío ha sido la mejora de la uniformidad de los tableros. El prensado directamente en caliente implicaba una manipulación engorrosa y peligrosa. El prensado en frío nos permite un trabajo más cómodo y seguro, así como un mejor control sobre el reparto de material dentro del molde. Ello hace que mejore la uniformidad dentro de cada tablero y de los resultados entre tableros en los ensayos de sus distintas

propiedades físicas y mecánicas.

El tablero que se ha conformado es de 150x50x3 mm, por lo que en el molde se han introducido 28,5 gramos de material explosionado, lavado, secado y molido; que es la cantidad aproximada que nos lo permite obtener. Se han realizado dos series donde el prensado en frío se ha realizado de forma diferente en cada una de ellas. En la Serie 11 se introducen directamente los 28,5 gramos de material en el molde frío y se lleva a la prensa. En la serie 12, primero se diluyen los 28,5 gramos de material en 185 centímetros cúbicos de agua destilada, se agita hasta conseguir un fluido uniforme y después se introduce la mezcla en el molde frío. Se pretende con ello una mejora de la uniformidad del reparto. Finalmente se pasa por la prensa. En este caso, en la parte inferior del molde se ha colocado una malla que facilita la evacuación del agua sobrante.

El material del molde, en ambos casos, es prensado a 16 N/mm2. Se ha obtenido un tablero preconformado, de escasa consistencia que mantendremos en una cámara climática a 20 ºC y 65 % HR hasta peso constante y de manera indefinida hasta que se realice la fase siguiente.

Prensado en caliente y estabilización de HR y Tª constantes

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En la prensa se ha regulado la temperatura, la presión y el tiempo de prensado. En este caso se ha mantenido la temperatura a 205 ºC durante 7,5 minutos divididos en dos prensadas iguales con un minuto de descompresión entre ambas. La presión se ha ido variando para evaluar su efecto sobre las características de los tableros. Cuando los tableros se sacan de la prensa, se dejan enfriar y se trasladan a una cámara climática hasta el momento de realizar los ensayos de caracterización de los mismos. La condiciones en las que se mantienen es a 20ºC y 65 % de humedad relativa.

Caracterización de los tableros

En función del tipo de tablero y del uso que se pretenda dar al mismo, las características que las norma EN estipulan son variables. Las dimensiones de las probetas se han establecido siguiendo los criterios establecidos por la norma EN 325: 1993. La clasificación del tipo de tablero viene definida por la norma EN 316:1999. En este caso se pueden clasificar como tableros realizados por proceso seco (MDF) y, dentro de éstos, como HDF por tener una densidad superior a 800 kg/m3.

Para la determinación de la WA se parte de las probetas acondicionadas en la cámara climática a 20 ºC y 65 % HR hasta masa constante. Se considera masa constante cuando los resultados de dos pesadas consecutivas, realizadas en un intervalo de 24 h, se diferencian en menos del 0,1 % de la masa de la probeta.

Las probetas se sumergen en un baño de agua durante 24 h, después de haberlas pesado. Se sumergen en posición vertical, en agua limpia, en reposo y con un pH de 7± 1 y una temperatura de 20 ± 1 ºC. Estas condiciones se mantendrán durante todo el ensayo. Trascurridas las 24 h se sacan del agua, se le elimina el exceso de agua y se vuelven a pesar. La balanza debe tener una precisión mínima de 0,01 gramos. En este caso se ha utilizado una balanza HM-120. La WA se definirá como el agua absorbida, en estas condiciones, en porcentaje respecto al peso de la probeta seca original.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El análisis estadístico del efecto de la Pp en la WA se ha realizado con el programa informático Statgraphics Plus 5.1, mediante el cual se han aplicado los resultados de los ensayos a diferentes modelos matemáticos y se han analizado los resultados. El modelo al que mejor se ajustan los resultados coincide para las dos series y se expone a continuación.

Tabla 1 : Análisis de Regresión de la WA en función de la Pp

Serie Modelo Ecuac.Tipo Modelo Ajustado

11 Recíproco en X Y = a + b/X WA = 16,4503 + 14,8255/Pp 12 Recíproco en X Y = a + b/X WA = 17,5579 + 9,41089/Pp

Tabla 2 :Resultados del Análisis de Regresión y de Varianza para la WA en función de la Pp

Serie Fuente variación T F P-Valor Coef.

Correlac.

Coef.Determ (R2 en %)

Error estándar

11 Ordenada 24,43 <0,0001

Pendiente 14,41 <0,0001

Modelo 207,67 <0,0001 0,9593 92,02 2,74

12 Ordenada 31,52 <0,0001

Pendiente 11,65 <0,0001

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El modelo que mejor se ajusta a las dos variantes del proceso de producción es el Recíproco en X. En la Serie 11 el análisis de regresión nos da muy alta correlación (0.96) y un coeficiente de determinación también muy alto. El caso de la Serie 12 es muy similar aunque con valores ligeramente inferiores, con una correlación del 0.94 y un coeficiente de determinación del 89,5 %. Estos resultados dejan patente el claro efecto de la presión de prensado en la absorción de agua de los tableros y nos permite una cuantificación muy acertada con estos modelos.

Tabla 3: Parámetros de prensado en caliente de los tableros y sus características

Serie 11 Serie 12

Tpr Pp tp WA Tpr Pp tp WA

ºC N/mm2 min <30% ºC N/mm2 min <30%

205 5 3,75 25 205 5 3,75 19,77

205 5 3,75 17,39 205 5 3,75 17,78

205 0,35 3,75 58,24 205 0,35 3,75 44,09

205 5 3,75 20,22 205 5 3,75 21,43

205 5 3,75 22,22 205 5 3,75 19,77

205 5 3,75 18,89 205 5 3,75 18,82

205 5 3,75 18,68 205 5 3,75 25

205 9,6 3,75 14,61 205 9,6 3,75 18,82

205 5 3,75 24,44 205 5 3,75 19,54

205 5 3,75 22,73 205 5 3,75 21,59

205 10 3,75 20,65 205 10 3,75 18,6

205 12,5 3,75 16,13 205 12,5 3,75 13,95

205 15 3,75 18,6 205 15 3,75 17,72

205 15 3,75 15,73 205 12,5 3,75 16,85

205 12,5 3,75 15,22 205 12,5 3,75 17,58

205 12,5 3,75 14,44 205 12,5 3,75 17,5

205 12,5 3,75 17,78 205 10 3,75 16,35

205 10 3,75 14,94 205 10 3,75 20,27

205 10 3,75 16,13

205 10 3,75 17,24

CONCLUSIONES

Se ha demostrado que el Arundo donax L. es una especie vegetal adecuada para la producción de tableros de fibra sin aporte de adhesivos aplicando la Explosión de vapor como pretratamiento y posterior prensado. La WA se ve muy significativamente determinada por la Pp. En todos los casos, al aumentar la Pp obtenemos tableros con menor WA.

Se ha comprobado que el modelo Recíproco en X es el más adecuado para la modelización de las propiedades mecánicas estudiadas, en función de la Pp y para los procesos de producción utilizados en este caso: Prensado en frío seco y Prensado en frío húmedo.

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WA = 16,4503 + 14,8255/Pp WA = 17,5579 + 9,41089/Pp

WA en %; Pp en N/mm2

Figura 2: Serie 11. WA en función de la Pp

WA en %; Pp en N/mm2

Figura 3: Serie 12. WA en función de la Pp

AGRADECIMIENTOS

A la Agència de Gestió d'Ajuts Universitaris i de Recerca (AGAUR), por el soporte financiero otorgado a través del programa de ayudas para potenciar los grupos de investigación de calidad.

A la Agencia Catalana del Agua (ACA) por su apoyo institucional y concesión de permisos para la obtención de

Arundo donax L. en el T.M de Riudecanyes.

REFERENCIAS

1. C. Mancera, F. Ferrando y J. Salvadó, «Cynara cardunculus as raw material for the production of binderless fiberboards: Optimization of pretreatment and pressing conditions,» Journal of Wood Chemistry and

Technology, 28(3), pp. 207-226, 2008b.

2. J. Salvadó , J. Velásquez y F. Ferrando , «Binderless fiberboard from steam exploded miscanthus sinensis: Optimization of pressing and pretreatment conditions.,» Wood Science and Technology, 37(3-4), pp. 279-286, 2003.

3. J. A. Velásquez, F. Ferrando y J. Salvadó, «Binderless fiberboard from steam exploted miscanthus sinensis: The effect of a grinding process,» Holz Als Roh-Und werkstoff, 60(4), pp. 297-302, 2002b.

4. J. Velásquez, F. Ferrando, X. Farriol y J. Salvadó, «Binderless Fiberboard from Steam Exploded Miscanthus Sinensis,» Wood Science and Technology Vol.37 (3-4), pp. 269-278, 2003.

5. N. Laemsak y M. Okuma, «Development of boards made from oil palm frond II: Properties of binderless boards from steam-exploded fibers of oil palm frond.,» Journal of Wood Science, 46(4), pp. 322-326, 2000. 6. R. Hashim, W. N. Aidawati Wan Nadhari, O. Sulaiman y M. Sato, «Properties of binderless particleboard

panels manufactured from oil palm biomass,» bioresources.com, pp. 1352-1365, 2012.

7. S. Kawai, «Development of high-performance kenaf bast oriented fiberboard and kenaf core binderless particleboard,» Sustainable Humanosphere, (1), p. 12, 2005.

8. N. Okuda y M. Sato , «Manufacture and mechanical properties of binderless boards from kenaf core,»

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9. N. Okuda y M. Sato, «Bond durability of kenaf core binderless boards II: outdoor exposure test.,» Journal of

Wood Science, 54, pp. 36-44, 2008.

10. S. Caparros, J. Ariza, M. Díaz y F. López, «Optimizing cellulosic paper obtained from Arundo donax L. Under hydrothermal treatment,» Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 13 (3):, pp. 465-473, 2007.

11. H. Pereira y A. Shatalov, «Influence of stem morphology on pulp and paper properties of Arundo donax L. reed,» Industrial Crops and Products 15, p. 77–83, 2002.

12. A. Monti, N. Di Virgilio y G. Venturi, «Mineral composition and ash content of six major,» Biomass and

Bioenergy 32, pp. 216-223, 2008.

13. A. Shatalov y H. Pereira, «Ethanol-Enhanced Alkaline Pulping of Arundo donax L. Reed: Influence of Solvent on Pulp Yield and Quality,» Holzforschung 56, pp. 507-512, 2002.

14. O. Faix, D. Meier y O. Beinhoff, «Analysis of Lignocelluloses and Lignins from Arundo donax L. and Miscanthus sinensis Anderss., and Hydroliquefaction of Miscanthus,» Biomass 18, pp. 109-126, 1989. 15. B. Focher, A. Marzetti, P. Beltrame y P. Avella, «Steam exploded biomass for the preparation of

conventional and advanced biopolymer- based materials,» Biomass Bioenerg., 14, pp. 187- 194, 1998. 16. M. Anglés, F. Ferrando, X. Farriol y J. Salvadó, «Suitabillity of steam exploded residual sofwood for the

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Bioenergy 21, p. 211, 2001.

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18. R. Overend y E. Chornet, «Fractionation of lignocellulosis by steam-aqueous pre-treatment,» Phil. Trans.

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19. J. A. Velásquez, Producción de tableros de fibras a partir de Miscanthus sinensis. Tesis doctoral URV, Tarragona: URV, 2002a.

20. EN 622-2:2004/AC , « Tableros de fibras. Especificaciones. Parte 2: Requisitos para tableros de fibras duros,» AENOR, 2006.

UNIDADES Y NOMENCLATURA

EN norma europea F F de Fisher

HDF tableros de fibras de densidad superior a 800 kg/m3 HR humedad relativa

MDF tableros de fibras elaborados por proceso seco

MOE módulo de elasticidad en flexión o módulo de Young (N/mm2) MOR resistencia a la flexión en N/mm2

Pp Presión de prensado en MPa STEX explosión de vapor

T t de Student

Tp temperatura de prensado en ºC tp tiempo de prensado

Figure

Figura 1: Esquema de producción de los tableros de Arundo donax L.

Figura 1:

Esquema de producción de los tableros de Arundo donax L. p.3
Tabla 1 : Análisis de Regresión de la WA en función de la Pp

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Tabla 3: Parámetros de prensado en caliente de los tableros  y sus características

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Parámetros de prensado en caliente de los tableros y sus características p.6
Figura 2: Serie 11. WA en función de la Pp

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Serie 11. WA en función de la Pp p.7
Figura 3: Serie 12. WA en función de la Pp

Figura 3:

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Referencias

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