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En casi todos los productos de madera de ingeniería (EWP, Engineered Wood Products) se emplean adhesivos. Pero desde una perspectiva biofílica, algunos anhelan construir su casa sin emplear adhesivos a causa por la preocupación suscitada por los formaldehídos. Pero, ¿qué sabemos sobre los adhesivos que se emplean actualmente?, y, ¿qué nos espera el futuro inmediato en cuanto a los adhesivos de base biológica? Y una nota final sobre el proyecto Wood2new sobre la calidad del aire interior en las casas de madera.

 Primero debemos conocer cuáles y cómo son los adhesivos empleados en la construcción en madera. En este post, la madera de ingeniería que más se tratará es la madera contralaminada (CLT).

Los adhesivos para madera juegan un papel clave en la construcción en madera. Los adhesivos ayudan a ahorrar madera, y pueden ser usados para construir estructuras ligeras pero fuertes y para moderar la expansión y contracción debida a la retención de humedad inherente de la madera. Los modernos adhesivos para madera han sido diseñados para satisfacer las necesidades de la industria de la madera y están en constante evolución.

Los adhesivos se utilizan bajo condiciones controladas en la producción de los productos de madera de ingeniería (EWP) estructurales.  Estos productos incluyen madera aserrada unida por entalladuras (KVH), madera laminada encolada (MLE), tablones laminados (DUO, TRIO), madera contralaminada (CLT), madera contrachapada y madera microlaminada (LVL).

 

1. Tipos de adhesivos habituales:

Los tipos de adhesivos más comunes son el fenol-formaldehído (PF), el fenol-resorcinol-formaldehído (PRF), el adhesivo resorcinol-formaldehído (RF), el adhesivo a base de amino resinas (adhesivo melamínico-urea-formaldehído (MUF)), el adhesivo de poliuretano (PU o PUR) y el adhesivo de emulsión de polímero isocianato (EPI). En cada caso, las necesidades del producto final, la clase de servicio en obra (1, 2 ó 3) y el tipo de línea de producción influyen en la selección.

  • Los adhesivos a base de fenol, como el fenol formaldehído (PF), se utilizan principalmente en la producción de madera contrachapada estructural y madera microlaminada (LVL). El PF es la clase más antigua de adhesivos sintéticos. Es muy fuerte y duradero en condiciones secas y húmedas y presenta una gran adherencia a la madera. Son muy fáciles de manejar y el tiempo de vida de la mezcla puede ajustarse fácilmente mediante pequeños cambios de formulación. Los adhesivos de fenol tienen dos o tres componentes, se curan a altas temperaturas, sin endurecedor, y crean una junta adhesiva oscura duradera, frente a la humedad, pero visible. Han sido utilizados y probados para la producción de paneles composites de madera durante muchos años. El contenido de formaldehído libre emitido por el adhesivo PF en los productos de madera de ingeniería es menor que el emitido por los adhesivos MUF y UF (urea formaldehído). Son baratos.
  • Los adhesivos de urea-formaldehído (UF) son los más utilizados en la actualidad. Se emplean desde hace más de 60 años. Estos adhesivos de bajo costo son fáciles de usar en una amplia variedad de condiciones, se curan a bajas temperaturas, tienen excelentes propiedades térmicas y la resina curada no da ningún cambio de color a los paneles terminados.Los adhesivos UF liberan formaldehído en el ambiente interior a tasas más altas que otros adhesivos debido a su reducida resistencia a la humedad, especialmente cuando la temperatura ambiente aumenta. Estas condiciones resultan en la hidrólisis del enlace UF, que aumenta la tasa de emisiones de formaldehído. Como resultado, los adhesivos UF se encuentran con mayor frecuencia en productos utilizados en interiores de edificios, donde hay menos exposición a la humedad.
  • Los adhesivos de melamina urea formaldehído (MUF), o adhesivos de dos componentes melamínico-urea-formaldehído, se utilizan en la producción de muchos productos estructurales de madera, particularmente en la producción de tablones KVH (madera encolada por las testas mediante finger-joint y de madera laminada encolada (MLE). Llevan en el mercado más de 40 años. La MUF se cura a altas temperaturas y crea una junta adhesiva incolora. La melamina proporciona mayor resistencia y durabilidad al adhesivo, a la vez que reduce la tasa de hidrólisis, lo que ayuda a reducir las emisiones de formaldehído del adhesivo. En producción, las juntas de cola MUF aún no endurecidas contienen formaldehído libre, que puede emitirse durante el proceso de endurecimiento. Pero endurecidas las juntas de pegamento son completamente inofensivas. Es bastante caro.
  • Los adhesivos monocomponentes de poliuretano (PUR) se utilizan en la producción de finger joints, madera laminada encolada, troncos laminados y madera contralaminada (CLT) y madera laminada. El adhesivo de poliuretano también se utiliza para unir capas de láminas LVL (face bonding). Los adhesivos de poliuretano para madera se curan cuando se exponen a la humedad a temperatura ambiente (curado en frío) y crean una junta adhesiva incolora. Se preparan utilizando una reacción de poliol e isocianato, que crea enlaces de uretano. La ventaja del adhesivo PU es la reacción de los isocianatos con el hidrógeno activo en la superficie, el substrato o el aire, haciendo posible el encolado de superficies con diferentes contenidos de humedad. El tiempo de curado es relativamente corto, de 3 a 4 horas, lo que da como resultado una unión fuerte y duradera al agua. Durante el proceso de curado, se crea y emite una baja cantidad de CO2. Es fácil de manipular y apenas ensucia las máquinas de encolado y prensado. Las desventajas de los adhesivos de PU son las emisiones de isocianato y la mayor presión necesaria para la fijación.El PUR es un adhesivo libre de formaldehídos.Es bastante caro.
  • Los adhesivos de polímero de emulsión de isocianato (EPI) están hechos de adhesivos de dispersión y curados con isocianato. La línea de cola es de curado en frío, tiene alta flexibilidad, baja fluencia, no contiene formaldehído, no introduce un exceso de humedad en la madera y ofrece una excelente resistencia al agua, tanto en agua fría como en agua hirviendo. Los adhesivos EPI proporcionan una muy buena adherencia y por ello son muy adecuados para el encolado de maderas difíciles como la madera dura, que es un recurso con un gran potencial. Los adhesivos de EPI también se pueden utilizar para pegar madera a metal. Los adhesivos EPI se utilizan más comúnmente fuera de Europa en la producción de finger-joint de pequeñas dimensiones, madera laminada encolada y troncos laminados. Más caro que los basados en formaldehídos.

 

2. Los adhesivos y el fuego:

Los requisitos para la fabricación de la madera contralaminada (CLT) y la madera laminada encolada (MLE) son considerablemente diferentes entre países y, en consecuencia, influyen en su comportamiento frente al fuego. Se ha comprobado que la principal diferencia en los requisitos que influyen en la seguridad contra incendios son las diversas especificaciones de los adhesivos, mientras que otros factores no están suficientemente cuantificados o no varían mucho entre jurisdicciones. En los EE. UU. y Canadá, los adhesivos para la MLE deben pasar la prueba de calificación a una temperatura de 220 °C y una prueba de llama a pequeña escala. En el caso del CLT, esto se ha complementado en 2018 con el requisito de pasar una prueba de llama a pequeña escala y un exhaustivo método de prueba de compartimentos a gran escala para evitar que el carbón se desprenda (delaminación por calor) en caso de fuego. En Europa, Australia, Nueva Zelanda y Japón, los requisitos de adhesivo se elaboran teniendo en cuenta la delaminación inducida por el ciclo caliente-frío y húmedo-seco y, por lo tanto, no tienen en cuenta explícitamente los incendios, lo que aumenta el riesgo de un incendio prolongado dentro de un compartimento de madera (aunque en Australia y Nueva Zelanda es poco probable que esto suceda, ya que los requisitos estructurales sólo permiten adhesivos que no sean sensibles al calor).Se puede decir que, con respecto al comportamiento del adhesivo en el caso de incendio, Norteamérica es actualmente el país que presenta los requisitos más desarrollados y exigentes para la fabricación de CLT.

Algunos fabricantes tienen en cuenta el rendimiento del PUR de los CLT frente al fuego:

Las preocupaciones sobre la resistencia al fuego de los sistemas PUR son infundadas. Aquí, puede hacer fácilmente adaptaciones en los cálculos aumentando la tasa de carbonización. Sabemos que hay discusiones sobre estos aspectos, pero no los consideramos un gran problema“, dice Daniel Wilded, product manager de Martinsons.

Cuando el fuego llega a la junta adhesiva, las altas temperaturas pueden destruirla. Existe la posibilidad de que la capa de madera carbonizada aislante, que se forma en el proceso, se desprenda, aumentando así la carbonización. Este es un fenómeno relativamente raro que se puede tener en cuenta calculando una tasa de carbonización más alta“, explica Christian Lehringer, director de Engineered Wood Europe de Henkel, y añade: “Estudios científicos realizados por la ETH Zurich han demostrado que, en caso de incendio, las dimensiones de la madera contralaminada no son esenciales para las situaciones habituales, independientemente del sistema de adhesión certificado utilizado“.

 

 

3. Evaluación del ciclo de vida de los adhesivos utilizados en las construcciones de madera

Estudios recientes muestran que el adhesivo para madera es un punto caliente del ciclo de vida de los productos de madera de ingeniería. Se han encontrado contribuciones significativas a las siguientes categorías de impacto: calentamiento global, formación de oxidantes fotoquímicos, acidificación, eutrofización, toxicidad. Para todos los adhesivos, la producción de materia prima constituyó el mayor impacto en el resultado final de la producción debido a su alto consumo de materia prima fósil y al uso de energía.

Para la producción de CLT, el adhesivo de PUR de un componente tiene el menor impacto ambiental en comparación con otros adhesivos para las otras etapas del Análisis del Ciclo de Vida (aplicación, fase de uso y eliminación final), excepto para la eliminación final, en la que se observó un impacto similar al adhesivo MUF. El bajo impacto del PUR se debe, principalmente, a una baja cantidad de adhesivo y a que no se requiere ningún endurecedor adicional.

Para todos los adhesivos, la fase de uso tiene un mayor impacto en la toxicidad humana que la producción. En el caso de la MUF, la aplicación también tiene un mayor impacto que la producción (debido principalmente a la emisión de formaldehído).

El impacto de la eliminación final de los adhesivos fue menor en comparación con la producción de los mismos.

Desde que en los últimos años se inició la tendencia a la construcción de edificios modernos herméticos, ha aumentado el problema de las emisiones de formaldehído de los productos de madera en el ambiente interior.

En general, se considera que las emisiones de los productos de madera de ingeniería utilizados en la construcción, como el CLT, son muy inferiores a las de los productos compuestos de madera, como los tableros de partículas. Por lo tanto, para los productos de madera utilizados en la construcción, se espera que las emisiones sean mayores durante el proceso de fabricación que en la fase de uso.

A continuación, se describen el impacto en la salud y el valor umbral de los formaldehídos y los isocianatos emitidos por los adhesivos:

1. El formaldehído es un COV (Compuesto Orgánico Volátil), que se sospecha que causa irritación en los ojos, la nariz y la garganta. Se caracteriza por ser un carcinógeno humano causante de cáncer de nariz y garganta (según la IARC, Agencia Internacional de investigación sobre el Cáncer). La principal área de preocupación medioambiental con respecto a los adhesivos ha sido la emisión de formaldehído procedente de los productos encolados durante la producción y el uso, principalmente los que utilizan adhesivos UF (Urea Formaldehído). Los productos encolados con adhesivos a base de UF, como la madera contrachapada, el MDF y los tableros de partículas, se utilizan a menudo, por ejemplo, en carpintería de cocina y muebles, por lo que pueden provocar un aumento del nivel de formaldehído en el aire interior.

Los organismos reguladores y los consumidores han tomado mayor conciencia de los peligros del formaldehído y se han establecido niveles de emisión en todo el mundo con niveles que se considera que disminuyen de forma aceptable con el paso de los años. La más estricta hasta la fecha (2016) es la tasa de emisión japonesa (F****) de 0,04 ppm, que se está acercando al nivel de fondo del formaldehído. Según la OMS (Organización mundial de la Salud) y el Estándar Europeo E1, el nivel tiene que ser inferior a 0,10 ppm.

La concentración máxima en el lugar de trabajo (MAK) ha sido definida para tener un límite de umbral de 0,37mg/m3. La cantidad de emisiones de formaldehído emitidas por los adhesivos para madera (MUF, PF y PRF) depende del tipo de adhesivo. En el caso de MUF, se observaron emisiones más altas que en el caso de los adhesivos PRF y PF.

El debate sobre los formaldehídos se intensificó de nuevo a raíz de la última normativa europea CLP (clasificación, etiquetado y envasado), que entró en vigor en 2016 y que clasifica el formaldehído como un compuesto carcinógeno de categoría 1B.

No obstante, los fabricantes de tableros están utilizando adhesivos con muy baja emisión e incluso por el uso de otro tipo de adhesivos. La emisión de formaldehído se determina entre otros mediante el análisis de arrastre de gas en cámaras climáticas de acuerdo con la norma EN 717-2. La normativa de clasificación de tableros los clasifica como E1 (inferior a 3,5 mg/m2h) o E2 (superior a 3,5 mg/m2h e inferior a 8 mg/m2h) en función de los miligramos de formaldehído emitido por hora y por metro cuadrado de tablero. Actualmente el uso de tableros con baja emisión o E1 está generalizado, e incluso la tendencia es a minimizar aún más estos valores.

Las emisiones de formaldehído de los principales fabricantes de CLT según EN 717-1 o ISO 16000-3 están entre 0,01 y 0,04 ppm. Las emisiones de formaldehído son, por tanto, significativamente inferiores al límite de 0,1 ppm del Estándar Europeo E1.

La madera maciza emite, de forma natural, formaldehído. La madera de abeto, la habitual en el CLT, emite 0,0055 ppm, según EN 717-1, lo cual es inofensivo.

 

2. Los isocianatos son una familia de productos químicos altamente reactivos con bajo peso molecular. Los compuestos más utilizados son los diisocianatos, como el MDI (diisocianato de metileno difenil), el más empleado, y el HDI, que también se utilizan en los adhesivos PUR. El contacto directo con altas emisiones de isocianato puede causar irritación de las vías respiratorias y de los ojos. El contacto directo con la piel puede causar una inflamación marcada, y hay evidencia de que tanto la piel como la exposición respiratoria pueden llevar a la sensibilización de los trabajadores.

El peligro de exposición está directamente relacionado con la volatilidad y el peso molecular de los isocianatos. Los diisocianatos tienen un mayor peso molecular que otros isocianatos, y su volatilidad, presión de vapor y toxicidad es por lo tanto mucho menor que la de otros isocianatos. Se sospecha que el grupo NCO altamente reactivo de la molécula del isocianato tiene un impacto en la salud humana. Para determinar la calidad del aire se mide la concentración total del grupo NCO. La concentración máxima definida en el lugar de trabajo (MAK) del grupo NCO es de 0,02mg/m3.

Está bien documentado que los adhesivos a base de isocianato liberan monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno y gases de cianuro de hidrógeno durante la exposición al fuego.

Isocianatos y CLT:

Los paneles CTL suelen ser muy gruesos y no es posible curar su adhesivo de forma económica en una prensa caliente. Por lo tanto, deben fabricarse con adhesivos para madera de fraguado en frío.

Muchos fabricantes de CLT usan los adhesivos PUR de un componente, representando menos del 1 % del peso de producto final, y usan los compuestos de isocianatos menos tóxicos, el MDI y el pMDI (polímero de MDI).

Porcentaje de adhesivos con respecto al peso de producto final de los CLT de los principales fabricantes, según sus declaraciones ambientales de producto (EPD):

  • El CLT EGO de Egoin: 0,63 % de cola PUR.
  • El CLT de Binder Holz: 0,985 % de cola PUR y un 0,03 % de MUF.
  • El CLT de Stora Enso: 1 % de cola PUR y EPI.
  • El CLT de KLH: 0,6 % de cola PUR, un 1,5 % de MUF y un 0,1 % de.

 

4. Los adhesivos de base biológica

El primer objetivo de la investigación fue encontrar un reemplazo seguro para los adhesivos a base de formaldehído. Actualmente, los isocianatos se están usando como reemplazo, pero presentan riesgos similares para la salud.

Los cambios en la legislación sobre el formaldehído y las certificaciones voluntarios y el interés de los consumidores por los productos sanos y sostenibles son actualmente los factores que impulsan la investigación sobre los adhesivos de base de biológica. Sin embargo, sufren de varios problemas diferentes que dificultan su uso industrialmente. Estos adhesivos son:

  • Taninos:

Proporciona una buena adherencia y mayor tolerancia a la humedad. Como el tanino es altamente reactivo con una vida útil corta, se están desarrollando nuevos reticulantes para ser menos reactivos que el formaldehído. Incluso si se desarrollan métodos de extracción, las tasas de extracción de taninos no son económicamente rentables para la mayoría de las especies de madera porque los taninos no están disponibles en todo el mundo para uso industrial. Además, los taninos tienen una alta viscosidad, un color oscuro y una composición variable que depende de la especie, las condiciones de crecimiento y el momento de la cosecha. Las modificaciones de los taninos se centran en disminuir la viscosidad para facilitar el manejo, aumentar la vida útil de la mezcla y crear un mejor entrecruzamiento (cross-linking). En regiones donde el tanino está fácilmente disponible, el tanino proporciona una alternativa industrialmente viable para los adhesivos sintéticos para composites de madera.

El tanino ha sido utilizado como adhesivo en la producción de tableros de partículas y MDF, así como en la producción de laminados y de unión de finger-joints.

Pruebas de resistencia con adhesivos de taninos

  • Lignina:

El principal problema es su extremadamente baja reactividad, lo que conlleva largos tiempos de prensado (y mayores presiones) y, por tanto, mayores costes de producción en la fabricación de EWP. Su éxito industrial ha sido por lo tanto pequeño, aunque la lignina ha sido probablemente la materia prima más investigada para aplicaciones de adhesivos para madera. La mayor parte de la investigación se ha realizado sobre la lignina industrial procedente de los procesos de fabricación de pasta en procesos de despulpado. Los mejores resultados se han logrado reemplazando, hasta un 30 %, el fenol en las resinas PF. Se ha intentado aumentar el porcentaje de lignina industrial en la resina final a través de diferentes modificaciones. Se tiene noticia del uso de una combinación de tanino/lignina para reemplazar el fenol y de diferentes reticulantes para reemplazar el formaldehído. La lignina de los procesos de biorrefinería ha sido menos investigada. Estos tipos de lignina son típicamente más cercanos a su forma natural que los de los procesos de despulpado. Hay muchas modificaciones inexploradas y formas de usarlas como adhesivos. Sin embargo, los métodos actuales no son lo suficientemente fuertes para aumentar la reactividad de la lignina al nivel que necesita para funcionar como un adhesivo para madera.

  • Almidón:

Los adhesivos a base de almidón proporcionan muchas ventajas para las industrias de madera maciza y madera contrachapada, ya que son fáciles de manejar, son de bajo costo y tienen bajas emisiones de formaldehído. Sin embargo, la falta de reactividad, la resistencia de adhesión, la estabilidad de almacenamiento y la tolerancia al agua de los adhesivos a base de almidón los convierten en un reto cuando se consideran las aplicaciones de los paneles industriales.

  • Soja:

Los adhesivos de proteína de soja, por otro lado, tienen un futuro prometedor. El desarrollo de nuevos reticulantes y agentes de curado ha permitido que las proteínas de soja estén disponibles comercialmente en el mercado norteamericano. Unos ejemplos son:  SoyStrong y PureBond. Aunque hasta ahora sólo se utilizan paneles “verdes” premium de mayor coste, existe un mayor potencial debido al precio relativamente bajo y a la amplia disponibilidad de la proteína de soja como subproducto. Son respetuosos con el medio ambiente, relativamente fáciles de manejar, y tienen bajas temperaturas de prensado que permiten reducir los costos de producción. Sin embargo, el uso de adhesivos de soja ha estado limitado durante mucho tiempo por su baja resistencia al agua, su sensibilidad a la degradación biológica y una relativamente baja resistencia mecánica de los composites de madera que se fabrican empleando dichos adhesivos.

No obstante, Yahya Mousavi ha desarrollado un adhesivo para madera de fraguado en frío sin formaldehído e isocianato utilizando proteína de soja. Los paneles unidos con este novedoso adhesivo pasaron la prueba de ebullición de dos ciclos, que es el requisito industrial para la producción de paneles de madera para exteriores.

Conclusiones:

Los bio-adhesivos también son más respetuosos con el medio ambiente que los que contienen formaldehído. Un análisis de la cuna a la tumba realizado por un equipo de Scion, que consideró los insumos directos e indirectos y la eliminación final, encontró que incluso con sólo un 10% de contenido de adhesivo, el MDF fabricado en Nueva Zelanda con el  bio-adhesivo Ligate tuvo un impacto ambiental un 22% menor a lo largo de su ciclo de vida, en comparación con el MDF fabricado con adhesivo petroquímico. La diferencia se debió en gran medida a que el bio-adhesivo utiliza menos petróleo crudo y tiene menos emisiones de transporte asociadas con su producción, y está asociado con menos impactos en la salud humana.

Los adhesivos de base biológica que están disponibles y son asequibles para la industria de la madera sufren tres problemas principales: baja resistencia a la humedad, baja reactividad (a excepción del tanino con su alta reactividad) y bajas propiedades adhesivas, y en muchos casos son caros.

Para los adhesivos como la lignina, el almidón y la soja, parece existir un problema común hallado en toda la investigación realizada hasta ahora: la falta de reticulantes de base biológica y económicamente viables para estos adhesivos que aumenten la reactividad, las propiedades mecánicas y la estabilidad a la humedad. Entre los reticulantes sintéticos potenciales, los isocianatos parecen ser los más populares para aplicaciones basadas en la biotecnología cercanas a la comercialización, pero deben descartarse. Por lo tanto, parece que, para encontrar soluciones industrialmente viables basadas en la biotecnología, la investigación sobre adhesivos debe centrarse más en el desarrollo de nuevos reticulantes reactivos.

La resistencia al agua es un área que es particularmente desafiante; el carácter hidrófilo general inherente a la mayoría de los biopolímeros tiene que ser alterado de tal manera que la unión adhesiva final sea capaz de resistir tanto la humedad como el agua de manera suficiente.

Ya existen sistemas adhesivos híbridos (por ejemplo, colas de proteína-PF de la empresa Dynea), compuestos en parte de polímeros de base biológica, que sugieren que la transición a sistemas adhesivos más ecológicos se producirá gradualmente. La transición de la industria a adhesivos para madera totalmente ecológicos, probablemente se prolongará durante bastante tiempo. Tal vez durante 10 años.

Sin embargo, la investigación sobre adhesivos sostenibles se está expandiendo definitivamente y, a medida que surjan nuevas mejoras, su uso industrial aumentará.

 

5. Pero la madera, de manera natural, emite formaldehídos …

La madera natural contiene formaldehído detectable. Los niveles de emisión de formaldehído dependen de factores como la especie de madera, el contenido de humedad, la temperatura exterior y el tiempo de almacenamiento. Las investigaciones muestran que el formaldehído de la madera seca variaba hasta 4 veces entre las especies de coníferas y maderas duras comerciales, pero se mantenía en bajas concentraciones por debajo de 1 mg/100 g. Generalmente, las maderas blandas tienen un contenido más alto de formaldehído que las maderas duras. Mientras que las diferentes calidades de madera no parecen tener ningún efecto sobre el contenido de formaldehído, las diferencias entre la madera juvenil y la adulta se manifestaron de forma mucho más clara. El contenido más bajo de formaldehído se encontró en la madera juvenil de haya (menos de 0,15 mg/100 g) y el más alto en la madera madura de pino (alrededor de 0,70 mg/100 g). La emisión de formaldehído de la madera aumenta durante su transformación como madera aserrada y como paneles de madera (por ejemplo, tableros de partículas y tableros de fibra). Este aumento de emisiones puede atribuirse al procedimiento de procesamiento de la madera, que incluye el secado, el prensado y la termo hidrólisis (ruptura de la lignina y la celulosa con tratamiento de calor y presión). El formaldehído se emite a partir de la madera en condiciones de calor muy intenso y no se espera que sea una fuente significativa de las emisiones de los productos de madera compuesta durante el servicio normal. Los datos presentados son importantes porque los consumidores necesitan entender que las emisiones de formaldehído se producen a través de procesos de degradación natural. Por lo tanto, los productos de madera de “emisión cero” simplemente no son alcanzables con las técnicas de procesamiento actuales.

Se ha demostrado que la emisión de formaldehído de la madera maciza es transitoria, y disminuye rápidamente a niveles inferiores a los establecidos por las normas EN 717-1 (Tableros derivados de la madera. Determinación de la emisión de formaldehído. Parte 1: Emisión de formaldehído por el método de la cámara) y EN 717-2 (Tableros derivados de la madera. Determinación de la emisión de formaldehído. Parte 2: emisión de formaldehído por el método de análisis de gas).

 

6. Wood2new – Calidad del aire interior

En el marco de del proyecto Wood2new, “Competitive wood-based interior materials and systems for modern wood construction”, ya finalizado, Holzforschung Austria recopiló datos sobre el aire interior y parámetros específicos relacionados con la salud en 13 casas prefabricadas de madera recién construidas (6 construcciones de madera maciza, 6 de entramado ligero de madera y una de hormigón, representando ésta una referencia no maderera) y ocupadas a largo plazo.  Se consideraron varios tipos de construcción y ventilación (9 con ventilación mecánica).  Los parámetros observados del aire interior incluían la emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV) y formaldehído, microorganismos transportados por el aire como levaduras y moho, partículas y datos climáticos.  Los datos médicos incluían la presión arterial y el pulso, la función pulmonar y la frecuencia de parpadeo de los ojos.  Las mediciones experimentales se completaron con una encuesta médica centrada en parámetros como la calidad del sueño, las reacciones dermatológicas, la percepción del dolor, la presión mental, la calidad de vida y el bienestar general.

La toma de muestras se realizaba siempre en los dormitorios de las casas. La primera toma de muestras tuvo lugar en la construcción de los edificios y sirvió como medida de referencia para las emisiones de los productos de la construcción.   Los muestreos subsiguientes se llevaron a cabo alrededor del momento de la mudanza y a partir de entonces a intervalos regulares (mensuales).

Todos los datos se evaluaron con respecto a la calidad del aire en interiores. La evaluación cuantitativa de las concentraciones de COV detectadas se basó en la directriz austriaca para la evaluación de la calidad del aire interior (BMLFUW 2005).

Conclusiones:

Las emisiones de COV en casas de madera recién construidas y ocupadas fueron inicialmente elevadas, independientemente del tipo de construcción y ventilación. Sin embargo, después de un período de 6 a 8 meses, las emisiones disminuyeron en su mayoría hasta un nivel medio o ligeramente elevado.  Comparando el desarrollo de TVOC de los tipos de construcción investigados, no se pudieron encontrar diferencias significativas entre la madera maciza y el entramado de madera, a pesar de que las construcciones de madera maciza resultaron en una liberación claramente mayor de terpenos.  Las emisiones de formaldehído de las construcciones de madera estuvieron consistentemente en el rango de las de la construcción de hormigón.

El uso de sistemas de ventilación controlada resultó en menores concentraciones de COV y, por lo tanto, en una mayor calidad del aire interior en comparación con la ventilación por ventanas únicamente.

La evaluación cualitativa de las emisiones de COV observadas mostró que el impacto de los productos de construcción, los suelos y los muebles es significativo al principio del período de observación. En una fase posterior, las emisiones detectadas podrían estar relacionadas principalmente con el comportamiento de los ocupantes.

Desde un punto de vista toxicológico, la mayor parte de las casas investigadas eran discretas y la calidad del aire interior se consideraba alta o satisfactoria.

Como resultado de la evaluación médica, se puede enfatizar la muy positiva autoevaluación de los participantes del estudio relacionada con la salud y el bienestar. Las personas que participaron en la prueba estaban muy satisfechas con su salud y calidad de vida a lo largo de todo el proceso. Esta percepción fue confirmada por los exámenes médicos complementarios de carácter orientador, que no dan ninguna indicación de deficiencias físicas en el campo del sistema respiratorio y cardiovascular.

 

 

Bibliografía:

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Enlaces a artículos:

Ensayo de emisión de formaldehído en tableros derivados de la madera

Formaldehyde-Emitting Wood Bonding Adhesives: Separating Fact from Fiction.

How to not come unglued: A wood adhesive story.

New glue: A New Zealand solution to a sticky problem.

Paradigm shift in the use of adhesives. A Scandinavian CLT producer chooses a central European adhesive.

 

¿Se podría construir una casa de madera … enteramente en madera?

 

Este post es una reflexión. Estamos siendo testigos de sensacionales innovaciones en el campo de los materiales derivados tanto de la madera en sí como de los tres componentes principales de la madera, a nivel químico: celulosa, hemicelulosa y lignina. Aunque algunos de estos novedosos materiales están en un estado de investigación básica.

Hasta tal punto que nos preguntaríamos si, en un futuro próximo, se podría construir una casa de madera … enteramente en madera. De acuerdo, habrá otros materiales como el acero, aluminio, hormigón, materiales derivados del petróleo, etc., pero con una restricción: la suma de estos materiales, en peso, no superará un cierto porcentaje. ¿Un 2-5%?

Imaginemos, en un futuro hipotético, un escenario para construir una casa de madera con estos materiales. En el momento de un diseño conceptual de la casa, tratamos de reunir información y explorar lo que lo que nos ofrecería el mercado en ese futuro. Entonces, siguiendo la secuencia de construcción de una casa, se revisa qué elementos de una casa pueden ser de madera o derivado de la madera:

  • La cimentación:

La construcción más sencilla de la cimentación es una losa de hormigón con aislamiento (placas de poliestireno extrusionado, etc.) y demás capas de impermeabilización y estanqueidad, y es la más habitual.

Solera de hormigón

Pero esto implica hormigón y otros materiales derivados del petróleo. Además, si hay sótano, hay que preocuparse de un diseño cuidadoso de las diferentes capas con múltiples materiales para una adecuada y duradera impermeabilización.

Con el cambio climático, las inundaciones en España empiezan a afectar a una parte significativa de su territorio. De hecho, muchas zonas de España ya son zonas inundables.

Sabiendo que las casas de madera son ligeras, es mejor construir un forjado de madera elevado sobre un sistema de pilotes de madera.

Pueden emplearse plots con otros materiales, como el hormigón, o sistemas de pilotes como el Poliedre o los pilotes atornilllados.

Piloedre

Poliedre – Imagen de THK Construcciones

Casa Eucaliptus – Imagen de André Eisenlohr

CLT sobre pilotes – Imagen de Holzbau Stiegler

CLT sobre pilotes – Imagen de Holzbau Stiegler

 

Si se deja la altura adecuada debajo de la casa, se pueden organizar diversas dependencias como garaje, trastero, etc. y sólo es construir unas paredes y un suelo ligeros.

House Unimog – Fabian Evers Architecture and Wezel Architektur

House Unimog – Fabian Evers Architecture and Wezel Architektur_2

 

Son materiales o sistemas que implican una mínima cantidad de materiales y un mínimo impacto en el terreno.

Claro está que siempre debe hacerse un estudio geotécnico del suelo que, tras una estimación de las cargas de la edificación, se pueda seleccionar el sistema de fundación más adecuado y ofrecer, además, un abanico de posibilidades geométricas y de profundidad para el rango de cargas actuantes.

 

  • La estructura de madera:

Hay varios sistemas, pero se recomendarían:

– Sistemas de pilar y viga (post and beam) de madera maciza (pino silvestre, roble, abeto Douglas), usando los tradicionales ensambles de la carpintería de armar con pocos herrajes.

 

– Sistemas de entramado ligero tipo plataforma con elementos de madera maciza de pequeña escuadría.

– Sistemas con elementos de madera de ingeniería como la madera contralaminada (CLT) con espigas de madera dura o el Dowel Laminated Timber (Bresttstapel), ambos sin adhesivos. También, sistemas de troncos (log homes) y sistemas constructivos que emplean bloques de madera como el Brikawood.

Holz 100

Imagen de Thoma Holz

DLT

Imagen de Taiga Log Homes Company, Rusia

Brikawood

 

En la actualidad, lo habitual es que estos sistemas emplean maderas de ingeniería (EWP) como la madera contralaminada (CLT), la madera laminada (Glulam), tableros contrachapados (plywood), madera microlaminada (LVL), tableros OSB, etc. que se fabrican con adhesivos del grupo de las resinas fenólicas, o sea, unos materiales derivados del petróleo, lo que hace que el producto final no sea biodegradable o difícil de reciclar.

Los cambios tanto en la legislación sobre el formaldehído como en los requisitos voluntarios (por ejemplo, el RAL de Alemania) y el interés de los consumidores por productos sanos y sostenibles son, actualmente, los factores que impulsan la investigación sobre alternativas a los adhesivos de base biológica.

Por ejemplo, las formulaciones adhesivas a base de lignina, como el Lineo de Stora Enso. Debido a su estructura química, es especialmente adecuado como sustituto del fenol en resinas fenólicas industriales utilizadas en la fabricación de tableros de madera y madera de ingeniería, por ejemplo, madera contrachapada, tableros de fibras orientadas (OSB), madera microlaminada (LVL), laminado de papel y material aislante.

Otro bioadhesivo interesante es el Ligate.

También se piensa en adherir sin adhesivos … mediante procesos mecánicos directos como muestran las investigaciones de Universidad de Ciencias Aplicadas de Berna, Suiza, en el marco del proyecto Eco-Welding. Dos superficies de madera son prensadas bajo presión y vibradas. La fricción genera temperaturas muy altas en poco tiempo, que plastifican especialmente la lignina contenida en la madera, por lo que la madera adquiere una consistencia viscosa. Una parada brusca del movimiento conduce a un enfriamiento rápido del material, con ambas partes uniéndose.

Imagen de baubiologie.de

Hay recientes investigaciones que auguran unas maderas tan resistentes como el acero (más de 10 veces más fuerte y resistente que la madera normal) o más fuertes como la seda de araña (con una resistencia a la tracción casi cuatro veces superior a la del acero). En ambas investigaciones se modificaba la celulosa. ¿Qué sugiere esto? Pues que se podría construir una casa de madera con menos madera…

Otra reciente investigación que refuerza esta idea, es un tratamiento de superficie, desarrollado por la australiana CSIRO, “destinado a mejorar la viabilidad y conveniencia de los componentes de madera de frondosas en la construcción, mejorando la resistencia de la unión cuando se aplican adhesivos y recubrimientos. […] el tratamiento de superficie patentado mejora significativamente la resistencia al unir maderas duras utilizando adhesivos de poliuretano y aumenta la capacidad de adhesión de la madera y de los recubrimientos transparentes, […] especialmente en situaciones en las que la madera está expuesta a condiciones cambiantes como variaciones estacionales y en especies que son notoriamente difíciles de laminar.

“Dado que las vigas de madera dura son generalmente más resistentes que sus contrapartes de madera blanda, el poder reducir su tamaño y aumentar su capacidad de expansión a través de una unión adhesiva más fuerte ciertamente sería de gran beneficio.”

“Además, con el aceite natural que se encuentra en la madera haciendo que los recubrimientos se desprendan con el paso del tiempo, este tratamiento podría reducir significativamente la necesidad de una reaplicación regular. Reducir la necesidad de volver a aplicar revestimientos aumentaría aún más la conveniencia de la madera dura como material de construcción preferido”.

El tratamiento patentado CSIRO se aplica a la superficie de la madera antes de la aplicación de adhesivos o recubrimientos. Las pruebas han demostrado que los adhesivos forman una unión más profunda y fuerte con la madera, lo que resulta en una mayor resistencia, mientras que los recubrimientos se vuelven sustancialmente más duraderos, lo que les permite resistir condiciones como la exposición a los rayos UV.

 

  • La envolvente:

Aquí entran materiales tanto de aislamiento como de revestimiento para forjados, paredes y tejados.

Como materiales de aislamiento están las fibras de madera y el corcho (no es madera, pero es un producto ecológico derivado de la corteza del alcornoque).

Hay dos métodos de fabricación de los aislamientos de fibras de madera: proceso húmedo y proceso seco. La materia prima de la madera se corta en trozos de madera más pequeños, que luego se rompe termomecánicamente en un desfibrador. En el proceso húmedo, la fibra de pulpa se mezcla con agua y se crea una suspensión acuosa. Esta suspensión acuosa se calienta y libera las colas naturales de lignina y hemicelulosa y, luego, se drena, formando una lámina de fibra que constituye la base del nuevo tablero. Las tablas escurridas se secan para alcanzar el contenido final de humedad. En el proceso seco, las fibras secas de la pulpa se mezclan con una resina de poliuretano para ligar las fibras y, a continuación, los paneles se curan con una mezcla de vapor y aire y se cortan a medida.

Las fibras de madera de proceso húmedo tienen más densidad y pueden almacenar cantidades significativas de humedad sin ningún detrimento a su conductividad térmica, y sin sufrir daños, y son permeables al vapor con buenos niveles de capilaridad (capacidad de mover la humedad). Como los paneles son semirígidos, estas fibras son más adecuados como Aislamiento Térmico Exterior (SATE) de los sistemas de CLT o DLT y entramados ligeros.

Las fibras de madera de proceso seco son más flexibles, y por tanto más ligeras, y son más adecuadas, por ejemplo, para el relleno entre los montantes de los entramados ligeros, entre viguetas de los forjados o entre pares de cubierta.

Es de esperar que, a medio plazo, se puedan sustituir las resinas sintéticas de las fibras de madera de proceso seco por un ligante derivado de la madera.

Y el corcho negro se utiliza como un sistema SATE. En su fabricación, como ligante se utiliza una sustancia que contiene el propio corcho, la suberina.

Corcho – Imagen de Jordi Badia – Ecohabitar

Un futuro material de aislamiento fascinante son las espumas de madera (wood foams), sin aditivos, desarrollado por el Instituto Fraunhofer para la Investigación de la madera. Como se explica en este artículo y en este otro, que serán buenos competidores de las espumas de plásticos petroquímicos y como espuma en paneles sándwiches para puertas y paneles para paredes, entre otras aplicaciones.

 

wood foam

Recientemente, Liangbing Hu y sus colegas de la Universidad de Maryland, EE. UU., han desarrollado el Nanowood un aislamiento a base de nanocelulosa. Sometieron a la madera a un tratamiento químico que eliminaba toda la lignina y la mayor parte de la hemicelulosa. Pero el tratamiento químico de la madera deja las nanofibrillas de celulosa alineadas en una dirección. Lo cual consigue una conductividad térmica, paralela a la dirección de las fibras, de 0,03 W/mK (comparable o incluso ligeramente mejor que la espuma de poliestireno) y que esta alineación de las fibras también hace que el Nanowood sea extremadamente fuerte (puede soportar presiones de más de 50 veces la de la espuma de celulosa comercial y 30 veces la de la espuma de poliestireno).

Los investigadores están en camino de comercializar el producto a través de una empresa llamada Invent Wood.

Nanowood

 

 

Como materiales de revestimiento en los sistemas de entramado usan tableros OSB o contrachapados para el arrostramiento de los montantes de madera y capa de soporte de los acabados. Y se fabrican con colas de fenol-formaldehído. Pero se pueden evitar dichos tableros como se demuestra en este post de 475 High Performance Building Supply. Es construir el entramado sin las dos capas de tableros (sheating) que hay a ambos lados de los montantes. Entonces, el arriostramiento lo proporcionan, en parte, los listones diagonales que soportan el revestimiento exterior.

Imagen de 475

Para asegurar la hermeticidad y estanqueidad de la envolvente, la cuestión es más complicada. Previamente, la dirección facultativa tiene que tener claro cómo va a funcionar la casa desde el punto de vista de la física de la construcción. Pero seguiremos usando las láminas de vapor inteligentes y las láminas impermeables basadas en materiales como polietileno y polipropileno, derivados del petróleo.

Sí está claro que se puede sustituir la lámina impermeable de las fachadas y tejados inclinados por los paneles bajo-teja de fibras de madera de alta densidad de proceso húmedo, impermeables, cortavientos y transpirables.

¿Se pueden sustituir estas láminas por textiles derivados de la madera? El tiempo dirá.

 

Como revestimiento de fachadas (claddings) se utilizan los entarimados, entablados o listones de madera, con su multitud de formatos y perfiles.

Bardage Châtaignier DéjàGris et Révélée Charcoal Déstructuré – aspect sciage fin – finition Rubio Monocoat – Imagen de Rahuel Charpente

Fachada con la técnica del sugi ban- Fire Station 76 in Oregon – Hennebery Eddy Architects

No deberían admitirse los enlucidos o enfoscados. ¿No era un argumento de márketing el que una de las principales características de la construcción en madera es que una obra seca?

 

Como revestimiento de interiores se utilizan, habitualmente, dos capas de tableros de yeso, por sus ventajas: es barato, proporciona aislamiento acústico, protección contra el fuego, etc. Pero, ¿es sostenible? Lloyd Alter lo explica aquí. Podemos sustituir los paneles de yeso por una multitud de tablas y paneles de madera con diversos formatos y perfiles. O dejar la madera desnuda como se explica en un post anterior.

Imagen de Olin Bartlome

 

  • Carpinterías.

Para las carpinterías de huecos se colocan ventanas y puertas de madera.

Para las ventanas, cristales de madera… Hay dos equipos de investigación, uno sueco y otro estadounidense, en el desarrollo de la madera transparente: eliminando la lignina de la chapa de madera. Se descubrió que distribuye mejor la luz, elimina el resplandor y ofrece un mejor aislamiento térmico. Además, su fuerza inherente permitiría que las ventanas de madera transparente fueran más altas y anchas que las ventanas hechas con vidrio.

Imagen de la Universidad de Maryland

Imagen de Peter Larrson

Para el revestimiento de suelos, hay multitud de materiales como tarimas y parqués de madera. Para las zonas húmedas como los baños y cocinas no es problema con los nuevos laminados sintéticos resistentes al agua. Adiós a las baldosas cerámicas.

Como se expuso antes, en el futuro se espera que se sustituyan las resinas sintéticas de estos suelos por otras derivadas de la madera.

Imagen de T.Riverwood – El bog oak es un roble que ha estado sumergido bajo el agua durante varios miles de años. La ausencia de luz y oxígeno ha hecho que la madera se vuelva muy oscura en este proceso. Es uno de los suelos más caros del mundo.

 

  • Cubiertas:

Como se expuso en un post anterior, existen diversos sistemas y materiales de madera como coberturas de tejados sustituyendo a los tradicionales materiales como la pizarra, la teja y las chapas metálicas. Son las maderas modificadas, como la acetilada, la furfurilada, la termotratada, etc. las más adecuadas por su durabilidad (no las tratadas). No hay duda de que las investigaciones sobre las maderas modificadas proporcionarán nuevas maderas y mejoras para las actuales. Y no sólo para las cubiertas sino, también, para las fachadas y las tarimas al exterior.

Kata Farm – AIX Arkitekter AB – Imagen de Antonius van Arkel

  • Diversos materiales:

Luego están los diversos materiales que, por ejemplo, aseguran la hermeticidad de una casa mediante el sellado de las juntas y penetraciones de los diversos paneles. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Delaware, EE. UU., ha desarrollado, empleando la lignina, una cinta adhesiva de madera que funciona de manera similar a la Scotch Magic Tape. Queda más investigación, sobre todo en cuanto a su durabilidad.

En el tema de los conectores, ya se pueden utilizar los clavos de madera en vez de los metálicos, tal como se explica en un post anterior, Lignoloc – Clavos de madera.

Imagen de Beck

Quedan más investigaciones para que resulten en aplicaciones prácticas en el mundo de la construcción en madera. Construyendo una casa de madera …enteramente en madera, nos permite tener un futuro más sostenible y mucho menos dependiente del petróleo. España no tiene petróleo, pero sí tiene madera. Pasemos de la economía del petróleo a la economía de la madera. Todo en madera.

 

Noticias hábitat ha publicado el pasado día 1 de septiembre una noticia sobre nuevos adhesivos para laminar vigas de madera desarrollados por AIDIMA dentro del proyecto CELLUWOOD.

 

Más en:

http://www.noticiashabitat.com/2014/aidima-logra-vigas-de-madera-sin-adhesivos-petroquimicos-un-30-por-ciento-mas-resistentes-la-flexion-que-las-convencionales/