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Características higroscópicas de las maderas
Spathodea campanulata, Fraxinus americana y
Albizia plurijuga impregnadas con boro
Hygroscopic characteristics of the woods Spathodea
campanulata, Fraxinus Americana and Albizia
plurijuga impregnated with boron
Resumen
El objetivo de la investigación fue evaluar si el impregnado de la madera con sales de boro reduce su higroscopicidad y mejora su
estabilidad dimensional. En probetas de pequeñas dimensiones de madera de Spathodea campanulata, Fraxinus americana y
Albizia plurijuga se aplicó un tratamiento caliente-frío de sales de boro con una concentración de 3%. Se realizaron pruebas de
higroscopía y tanto antes como después del impregnado con sales de boro, se analizó la densidad básica, contenido de humedad,
higroexpansiones radial, tangencial, longitudinal y volumétrica, puntos de saturación de la bra, coecientes de higroexpansión,
índice de antiexpansión y relación de anisotropía. Después del baño, las características higroscópicas se modicaron según las es-
pecies y las direcciones observadas. El tratamiento mejora la estabilidad dimensional de S. campanulata en 63%, de F. americana
en 21% y para A. plurijuga en 18%. Es recomendable investigar la inuencia de las características anatómicas sobre las propiedades
higroscópicas de estas especies.
Palabras claves: densidad básica, contenido de humedad, punto de saturación de la bra, coeciente de higroexpansión, índice
de antihigroexpansión, anisotropía.
Abstract
The aim of the research was to evaluate whether the impregnation of wood with boron salts reduces its hygroscopicity and improves
its dimensional stability. A hot-cold treatment of boron salts with a concentration of 3% was applied to small-sized specimens of
Spathodea campanulata, Fraxinus americana and Albizia plurijuga wood. Hygroscopic tests were carried out and both before and
after the boron salt impregnation, basic density, moisture content, radial, tangential, longitudinal and volumetric hygroexpansion,
bre saturation points, hygroexpansion coefcients, anti-expansion index and anisotropy ratio were analysed. After the bath, the
hygroscopic characteristics were modied according to the species and the directions observed. The treatment improved the
dimensional stability of S. campanulata by 63%, of F. americana by 21% and for A. plurijuga by 18%. It is advisable to investigate the
inuence of anatomical characteristics on the hygroscopic properties of these species.
Key words: basic specic gravity, moisture content, ber saturation point, coefcient of swelling, anti-swelling index, anisotropy.
Recibido: 15 de septiembre de 2020
Aceptado: 18 de diciembre 2020
Javier, Sotomayor-Castellanos
1*
; Luz, Ávila-Calderón
2
1
Profesor de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán, México; madera999@yahoo.com; https://orcid.
org/0000-0002-1527-8801
2
Profesora de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Morelia, Michoacán, México; lea.avilacalderon@gmail.com; https://
orcid.org/0000-0003-2646-2142
*Autor para correspondencia: madera999@yahoo.com
Revista Ciencia UNEMI
Vol. 14, N° 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
ISSN 1390-4272 Impreso
ISSN 2528-7737 Electrónico
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Sotomayor y Ávila. Características higroscópicas de las maderas Spathodea campanulata
I. INTRODUCCIÓN
El concepto de estabilidad dimensional de una pieza
de madera se reere a la magnitud de su expansión
geométrica en respuesta al aumento en su contenido
de humedad (Kocaefe et al., 2015; Sargent, 2019).
Este fenómeno de higroexpansión se da en el dominio
higroscópico y presenta una marcada anisotropía (Patera
et al., 2013; Engelund et al., 2013; Nopens et al., 2019).
La fenomenología entre la madera y su contenido de
humedad está reportada en macro-escala por Engelund
et al. (2013) y en multi-escala por Derome et al. (2018).
La caracterización de la estabilidad dimensional de la
madera es de interés práctico en el diseño de edicios
y estructuras sustentables que están expuestos a
condiciones ambientales inciertas (Neagu et al., 2005;
Gereke y Niemz, 2010; Sargent, 2019), así como en la
elaboración de muebles (Ajuziogu et al., 2020), pisos,
instrumentos musicales y una diversidad de artículos de
madera.
Las principales estrategias para mejorar la
estabilización dimensional de la madera son:
tratamientos hidrófobos para supercies y tratamientos
de impregnación con agentes de relleno (Kocaefe et
al., 2015), la modicación con procesos químicos
(Sandberg et al., 2017, Gérardin, 2016) y la modicación
con tratamientos termo-higro-mecánicos (Esteves y
Pereira, 2009; Laine et al., 2013). En este contexto, el
impregnado con sales de boro es un conjunto de técnicas
que pretende optimizar la protección de la madera de su
deterioro biológico (Tsunoda, 2001; Temiz et al., 2008;
Thévenon et al., 2010; González-Laredo et al., 2015;
Obounou-Akong, 2015) y de su variación dimensional
(Ayrilmis, 2013; Kotlyarova y Stepina, 2018). En esta
tecnología, la retención es el indicador de la cantidad de
sustancia que conserva una pieza de madera, por unidad
de volumen, después de un tratamiento de impregnación
(Berrocal et al., 2004; Koumbi-Mounanga et al., 2015).
El nivel de estabilidad dimensional de una especie
de madera se evalúa con las higroexpansiones lineales y
volumétrica (Tiryaki et al., 2016; Fu et al., 2019). Estos
parámetros son útiles para caracterizar las propiedades
físicas de una especie. Sin embargo, para homogeneizar
resultados con respecto a la variación del contenido de
humedad, es conveniente determinar los coecientes
de higroexpansión, los cuales ponderan la variación
geométrica por el incremento en el contenido de humedad
(Torelli y Gorišek, 1995; Lesar et al., 2011). Para nes de
valoración del efecto de un proceso de estabilización
dimensional, se utiliza el índice de antihigroexpansión,
que contrasta los estados de la madera antes y después
del tratamiento de humectación (Dubey et al., 2011;
Islam et al., 2012; Soltani et al., 2013; Qian et al. 2013;
Jiang et al., 2015; Giridhar et al., 2017, Qian et al.,
2018). En el mismo contexto, la relación de anisotropía
es el parámetro que calica la estabilidad dimensional
respecto a sus ejes tangencial y radial (Hernández, 2007;
Shukla y Kandem, 2010).
Por otro lado, existe evidencia empírica de que el
impregnado de la madera con sales de boro reduce
su higroscopicidad (Kartal et al., 2007; Lesar et al.,
2009; Caldeira 2010; Kotlyarova y Stepina, 2018). Sin
embargo, debido a la diversidad en las características
anatómicas entre especies y a las particularidades en
los procedimientos experimentales, este argumento
no se puede generalizar cuantitativamente para todas
las maderas (Sargent, 2019). Así, parece razonable la
caracterización de su comportamiento higroscópico
desde un enfoque de observación especie por especie y de
comparación entre una misma madera sin tratamiento y
una con tratamiento.
La hipótesis de trabajo de esta investigación plantea
que el impregnado de la madera con sales de boro reduce
su higroscopicidad y con ello mejora su estabilidad
dimensional. Para probar experimentalmente esta
propuesta, en probetas de pequeñas dimensiones
de Spathodea campanulata, Fraxinus americana y
Albizia plurijuga, antes y después del tratamiento de
impregnado con sales de boro, se evaluó la densidad
básica, contenido de humedad e higroexpansión, así
como los parámetros derivados: punto de saturación
de la bra, coeciente de higroexpansión, índice de
antiexpansión y relación de anisotropía. La hipótesis está
restringida a la metodología aquí desarrollada y para las
especies en estudio.
La presente investigación forma parte de la línea de
investigación sobre el efecto de sustancias protectoras en
las características físicas y mecánicas de la madera, línea
desarrollada en la Facultad de Ingeniería en Tecnología
de la Madera de la Universidad Michoacana de San
Nicolás de Hidalgo, en Morelia, México. El material
experimental y el tratamiento de impregnación son
los mismos utilizados y reportados anteriormente por
Sotomayor y Ávila (2019). Con todo, los resultados de las
pruebas de higroscopía son originales e inéditos.
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Volumen 14, Número 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Se colectaron piezas de madera aserrada de
S. campanulata, F. americana y A. plurijuga en
Michoacán, México. Para cada especie se prepararon
20 probetas con dimensiones de 2 cm por 2 cm de
sección y 6 cm de largo, orientadas respectivamente
en las direcciones radial, tangencial y longitudinal de
la madera. Las probetas estaban formadas por madera
de duramen y libres de defectos de crecimiento. La
estrategia experimental consistió en dos etapas. La
primera consistió en el tratamiento de impregnación
por el método de baño caliente-frío y la segunda en
aplicar etapas de humidicación y secado. Antes
y después del tratamiento de impregnación, las
probetas se almacenaron 12 meses en una cámara de
acondicionamiento a una temperatura de 20°C (± 1 °C) y
una humedad relativa del aire de 65% (± 5%).
Tratamiento de impregnación
Las probetas se humedecieron durante ocho horas
en un baño de agua caliente con temperatura de 60ºC.
Posteriormente, se sumergieron en un baño frío con
una temperatura de 23°C durante 16 horas en una
solución acuosa con concentración al 3% de mezcla de
ácido bórico (trihidróxido de boro, 39,4%) y borato de
sodio (tetraborato de sodio, 60,6%). Antes y después del
baño caliente-frío, las probetas se pesaron y se midieron
sus dimensiones. Una vez terminado el tratamiento y
realizadas las mediciones pertinentes, las probetas se
almacenaron por 12 meses en las mismas condiciones
en que se estabilizó la madera antes del tratamiento.
Posteriormente, se realizaron las pruebas de higroscopía.
Pruebas de higroscopía
Inicialmente se pesaron y midieron las dimensiones
de las probetas con un contenido de humedad inicial
de equilibrio con las condiciones de la cámara de
climatización (CH
ini
). Posteriormente, se sumergieron en
agua a temperatura de 23°C durante 72 horas para lograr
un contenido de humedad (CH
sat
) mayor que el punto de
saturación de la bra (PSF). En este estado de humedad
se pesaron y se midieron nuevamente las dimensiones
de las probetas. En seguida, se secaron en un horno a una
temperatura de 103°C durante 72 horas. Finalmente, se
pesaron y se midieron sus dimensiones con un contenido
de humedad anhidro (CH
anhidro
). El dominio que va del
contenido de humedad inicial hasta el contenido de
humedad saturado se considera la etapa de hidratado, en
la cual tiene lugar el proceso de higroexpansión (Figura
1). El dominio correspondiente a la etapa de secado y su
consecuente fenómeno de higrocontracción no se analizó
puesto que, durante el hidratado, las sales de boro se
disuelven y su retención se modica (Ramos et al.,
2006, Lesar et al. 2009). Sin embargo, las mediciones
en estado anhidro se utilizaron para calcular el punto
de saturación de la bra (Fórmula 5), los contenidos de
humedad inicial (Fórmula 3) y el contenido de humedad
saturado (Fórmula 4).
Figura 1. Pruebas de higroscopía.
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Sotomayor y Ávila. Características higroscópicas de las maderas Spathodea campanulata
Diseño experimental
La unidad experimental consistió en tres grupos de 20
probetas cada uno, correspondientes a las tres maderas.
Cada grupo se organizó en dos muestras independientes
de diez probetas cada una. La primera fue la muestra de
control sin tratamiento, en adelante ST, y la segunda fue
la muestra con tratamiento de impregnación, en adelante
CT. La retención se consideró el parámetro de referencia
para diferenciar en cada especie las probetas ST y CT.
En una primera etapa se calcularon las
higroexpansiones lineales y volumétricas, las cuales
dependen del intervalo comprendido entre el contenido
de humedad inicial y del punto de saturación de la
bra, ambos parámetros particulares a cada probeta
(Fórmulas 6 y 7), de tal forma que las higroexpansiones
son convenientes para comparar resultados entre
especies. Sin embargo, para observar el efecto del
tratamiento de impregnación en muestras pareadas
de una misma especie, se calcularon los coecientes
de higroexpansión (Fórmulas 8 y 9), mediciones
apropiadas para homogenizar los resultados y analizar
el fenómeno. Estos parámetros están ponderados por
el intervalo entre el punto de saturación de la bra
(Fórmula 5) y el contenido de humedad inicial (Fórmula
3). Otras variables de respuesta, antes y después de
las pruebas de higroscopía, fueron las densidades
básicas (Fórmula 2). Las retenciones (Fórmula 1) se
calcularon como parámetros de referencia. Los índices
de antihigroexpansión (Fórmula 10) y las relaciones de
anisotropía (Fórmula 11) se calcularon como indicadores
complementarios.
En una segunda etapa, se calcularon la media y el
coeciente de variación para las variables densidad básica,
contenido de humedad inicial, punto de saturación de la
bra, higroexpansiones radial, tangencial, longitudinal
y volumétrica. Para cada grupo de dos muestras
correspondientes a resultados ST y CT, se practicaron
análisis de varianza con la hipótesis nula: H
0
: X
ST
+ X
CT
=
0. El criterio de demarcación para estas pruebas fue
aceptar una diferencia estadísticamente signicativa para
valores P
(α = 0,05)
≤ 0,05. La Tabla 1 presenta las fórmulas
utilizadas para calcular los parámetros y los símbolos
empleados. Se calcularon regresiones lineales y los
coecientes de determinación del punto de saturación de
la bra, higroexpansión, el índice de antihigroexpansión,
y de la relación de anisotropía (T/R) en función de las
densidades anhidras. Las ponderaciones para calicar
la intensidad de las correlaciones fueron los valores del
coeciente de determinación sugeridos por Tippner et
al. (2016): correlación muy alta: 1 ≥ R
2
≥ 0,9; correlación
alta: 0,9 > R
2
≥ 0,7; correlación media: 0,7 > R
2
≥ 0,4;
correlación baja: 0,4 > R
2
≥ 0,2; y correlación nula: R
2
< 0,2.
Tabla 1. Fórmulas y símbolos utilizados
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Volumen 14, Número 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
III. RESULTADOS
En la Tabla 2 se presentan las medias y los
coecientes de variación para las densidades básicas,
contenidos de humedad, puntos de saturación de la
bra, higroexpansiones, coecientes de higroexpansión,
retenciones, índices de antihigroexpansión y relaciones
de anisotropía de las tres maderas estudiadas, de las
muestras ST y CT.
Tabla 2. Densidades básicas, contenidos de humedad, puntos de saturación de la fibra,
higroexpansiones, coeficientes de higroexpansión, retenciones y relaciones de anisotropía.
ρ
0
= Densidad básica; CH
ini
= Contenido de humedad inicial; PSF = Punto de saturación de la bra;
α = Higroexpansión; λ = Coeciente de higroexpansión; R = Radial; T = Tangencial; L = Longitudinal;
V = Volumétrico; I
A
= Índice de anti higroexpansión; T/R = Relación de anisotropía; ST = Sin tratamiento;
CT = Con tratamiento.
#
CV = Coeciente de variación en porciento y entre paréntesis; sd = Sin dimensiones.
Especies ρ
0
CH
ini
PSF α
R
α
T
α
L
α
V
(kg m
-3
) (%) (%) (%) (%) (%) (%)
S. campanulata (ST) 269 13,7 30 4,44 8,89 0,16 13,43
(7)
#
(15) (17) (28) (18) (38) (19)
S. campanulata (CT) 253 14,8 37 1,80 5,42 0,09 7,32
(7) (9) (18) (27) (23) (44) (20)
F. americana (ST) 534 10,6 21 2,41 4,51 0,39 7,02
(6) (3) (5) (19) (24) (33) (16)
F. americana (CT) 531 11,0 24 2,00 4,33 0,04 6,43
(6) (6) (11) (19) (18) (75) (14)
A. plurijuga (ST) 697 10,5 19 2,47 5,18 0,10 7,76
(2) (22) (6) (25) (32) (50) (17)
A. plurijuga (CT) 683 11,0 21 3,38 4,84 0,03 8,32
(3) (5) (8) (29) (10) (33) (13)
Retención I
A
T/R λ
R
λ
T
λ
L
λ
V
(kg m
-3
) (%) (sd) (%/%) (%/%) (%/%) (%/%
S. campanulata (ST) - - 2,0 0,30 0,61 0,007 0,91
S. campanulata (CT) 6,4 63 3,0 0,09 0,25 0,005 0,34
Diferencias (ST) vs. (CT) - - +33 -70 -59 -29 -63
F. americana (ST) - - 1,9 0,23 0,43 0,010 0,66
F. americana (CT) 5,2 21 2,2 0,16 0,35 0,008 0,53
Diferencias (ST) vs. (CT) - - +33 -30 -19 -20 -20
A. plurijuga (ST) - - 2,1 0,34 0,71 0,014 1,06
A. plurijuga (CT) 3,7 18 1,4 0,35 0,51 0,011 0,87
Diferencias (ST) vs. (CT) - - -33 +3 -28 -21 -18
IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Retenciones
La retención de sales de boro en las maderas de S.
campanulata, F. americana y A. plurijuga disminuye a
medida que sus densidades aumentan. Las magnitudes
de las retenciones obtenidas en la presente investigación
son del mismo orden que las reportadas y analizadas por
Sotomayor y Ávila (2019), quienes utilizaron el mismo
material y tratamiento que en la presente investigación.
En términos cuantitativos, estos resultados son
comparables con especies tropicales de México y
Centroamérica reportadas por Alfaro (2013), Sotomayor
y Villaseñor (2016), Moya y Berrocal (2015) y Sotomayor
y Correa (2016).
Los valores promedio de retención de sales de boro
para las tres especies fueron mayores que el límite
inferior tóxico de retención de sales de boro de 2,72
kg m
-3
recomendado por la Asociación Americana de
Preservadores de Madera (American Wood-Preservers’
Association, 2014) para elementos estructurales
empleados en interiores. De manera que estas maderas
pueden ser impregnadas con sales de boro con una
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Sotomayor y Ávila. Características higroscópicas de las maderas Spathodea campanulata
concentración del 3%, empleando el método baño
caliente-frío, para su uso como elementos estructurales
en interiores.
Densidades básicas
Se seleccionaron tres especies con densidades
básicas que van desde 269 kg m
-3
de S. campanulata
hasta 697 kg m
-3
de A. plurijuga. Esta estrategia permitió
observar un amplio rango de densidad y comparar
resultados promedio de las variables propuestas por el
diseño experimental con el enfoque especie por especie.
Los resultados de los análisis de varianza no indican
diferencias estadísticamente signicativas entre las
densidades básicas ST y CT, resultado que se refuerza
por la similitud entre los coecientes de variación para
las densidades básicas ST y CT de las tres especies.
Sotomayor et al. (2018) reportan, para un proceso
de impregnado de baño caliente-frío similar al de esta
investigación, que la densidad después del tratamiento
con sales de boro al 3% aumenta 2,6% para Guazuma
ulmifolia y 3,6% para Abies religiosa; en contraste,
la densidad de S. campanulata disminuyó 5,9%. Su
resultado para S. campanulata coincide con el de la
presente investigación. En el sentido contrario, Simsek
y Baysal (2015) reportan un incremento en la densidad
de la madera de Fagus orientalis ocasionado, entre otros
factores, por el peso de las sales de boro, la diversidad en
la porosidad de la especie en estudio y, cuando es el caso,
el efecto de la temperatura empleada para impregnar
la madera. Igualmente, Pereira et al. (2017) indican
un aumento de 3,4% en la densidad de Eucalyptus sp.
tratada con sales de boro.
En la literatura usualmente no se presenta a
la densidad como una variable explicativa para
correlacionar parámetros higroscópicos de la madera.
Para ilustrar los resultados, en los apartados siguientes,
los resultados de los puntos de saturación de la bra,
las higroexpansiones volumétricas, los coecientes de
higroexpansión, los índices anti higroexpansión y las
relaciones de anisotropía, se gracan en función de las
densidades básicas.
Contenidos de humedad
Los contenidos de humedad iniciales ST y CT no
indican diferencias estadísticamente signicativas para
S. campanulata, F. americana y A. plurijuga. Para nes
prácticos, el contenido de humedad inicial se puede
considerar como el contenido de humedad en equilibrio.
En el mismo sentido, los coecientes de variación
del contenido de humedad para S. campanulata y A.
plurijuga disminuyeron como efecto del tratamiento.
Sin embargo, el coeciente de variación del contenido de
humedad de F. americana aumentó después del baño.
Los contenidos de humedad iniciales uctuaron
entre un mínimo de 10,5% y un máximo de 13,7%.
Después del tratamiento de impregnado la madera
recobró su contenido de humedad en equilibrio, con un
intervalo que va de 10,5% para A. plurijuga (ST) a 14,8%
para S. campanulata (CT). Los resultados de la Tabla 2
muestran que la madera impregnada con sales de boro
es más higroscópica en comparación con la madera no
tratada, fenómeno que ha sido reportado por Lesar et al.
(2011).
A pesar de las pequeñas diferencias entre especies en
el contenido de humedad inicial, durante las pruebas de
higroscopía se observa solamente el efecto del hidratado
de la madera. En efecto, después de 72 horas de hidratado,
la madera de las tres especies alcanzó contenidos de
humedad superiores a los puntos de saturación de la
bra: S. campanulata (ST) 144%, S. campanulata (CT)
123%, F. americana (ST) 60%, F. americana (CT) 61%, A.
plurijuga (ST) 48% y A. plurijuga (CT) 45%, alcanzando
el dominio higroscópico superior (Fredriksson, 2019).
Estos resultados permitieron medir las higroexpansiones
máximas. No obstante, es necesario considerar que los
pesos y las extensiones fueron medidas macroscópicas
y externas, y se realizaron en un número reducido de
probetas. Los resultados son útiles como referencia para
estudios más extensos.
Comparando cada una de las muestras
correspondientes a la madera ST y CT de una misma
especie, los contenidos de humedad iniciales fueron
análogos. Sin embargo, los contenidos de humedad
saturados indican diferencias para S. campanulata de
14,6% y para A. plurijuga de 6%. Para estas maderas,
el tratamiento disminuye la absorción de agua y sus
resultados coinciden con los reportados por Lesar et
al. (2009) y Lesar et al. (2011). Sin embargo, queda por
explicar los resultados de F. americana, que tuvo un
incremento de 1.6%, es decir, el tratamiento no modicó
de manera importante su contenido de humedad
saturado.
Durante la etapa caliente del tratamiento de
impregnado, la temperatura fue de 60 °C y durante
la etapa de secado de las pruebas de higroscopía la
temperatura fue de 103 °C, magnitudes menores a 160°C,
16 │
Volumen 14, Número 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
condición necesaria para modicar la composición
química y/o la estructura anatómica de la madera y así
poder observar algún efecto en el contenido de humedad
o en otras propiedades físicas y mecánicas (O´Leary y
Hodges, 2001; Sahin, 2010; Murata et al., 2013; Fu et
al., 2019). Sin embargo, durante la etapa de hidratado
de las pruebas de higroscopía las probetas estuvieron
sumergidas durante 72 horas en agua, situación que
provocó el lixiviado de las sales de boro (Obanda et al.,
2008; Zhang, 2015). En efecto, las sales de boro tienen
una estructura cristalina y se unen mecánicamente en los
lúmenes y paredes celulares de la madera (Ramos et al.,
2006; Lesar et al., 2009), de tal forma que los cristales
se disuelven cuando el contenido de humedad en la
madera se satura. Así, la estrategia experimental podría
mejorarse si se controla y mide el proceso de lixiviado
de las sales de boro durante las etapas de hidratado y de
secado.
Puntos de saturación de la bra
El punto de saturación de la bra para las tres
especies aumenta como resultado del tratamiento con
sales de boro y se observan diferencias estadísticamente
signicativas entre los valores de madera ST y CT. Caso
particular es F. americana cuyos resultados indican
anormalidades en la distribución de sus muestras.
No obstante, la comparación de medianas (Prueba de
Kruskal-Wallis) conrma igualmente una diferencia
signicativa para los puntos de saturación de la bra
entre la madera ST y CT. En el mismo sentido, los
coecientes de variación son diferentes según se trate de
la especie.
Desde otra perspectiva, el punto de saturación de la
bra disminuye a medida que las densidades aumentan.
Las correlaciones entre los puntos de saturación de la
bra de S. campanulata, F. americana y A. plurijuga en
función de las densidades básicas son para la madera ST:
PSF = -0,0274 ρ0 + 37 (R² = 0,97) y para madera CT:
PSF = -0,0389 ρ0 + 46 (R² = 0,97). Comparativamente
con los datos de Tamarit-Urias y Fuentes-Salinas (2003)
para 63 maderas mexicanas y de Hernández (2007) para
9 maderas peruanas, la correlación resultante PSF =
-0,0234 ρ0 + 40 (R² = 0,43) muestra la misma tendencia
que las de esta investigación (Figura 2). Por motivos de
escala, no se visualizan los 72 datos de la bibliografía.
Higroexpansiones
Como efecto del tratamiento con sales de boro, las
higroexpansiones disminuyen para S. campanulata y F.
americana, lo que conrma su utilidad para disminuir
las higroexpansiones en madera de Pinus spp, como
reporta Kotlyarova y Stepina (2018). Por su parte, Lesar
et al. (2011) para madera de Picea abies (ρ
CH
= 688
kg m
-3
) y Kartal et al. (2007) para la de Cryptomeria
japonica (ρ
CH
= 421 kg m
-3
) reportan que, como efecto del
impregnado con sales de boro, disminuye la capacidad de
absorción de agua, lo que se traduce en la disminución de
Figura 2. Puntos de saturación de la fibra en función de las densidades básicas.
las higroexpansiones. Sin embargo, estos investigadores
hacen notar que las repercusiones de los compuestos de
boro sobre la higroscopía de la madera dieren según el
tipo y retención de sustancia utilizada y de la especie en
estudio. Posiblemente este es el caso para los resultados
de A. plurijuga: no obstante que las higroexpansiones
tangenciales y longitudinales disminuyeron, las
higroexpansiones radiales aumentaron después del
tratamiento en un 37%. Este resultado se tradujo en un
incremento en las higroexpansiones volumétricas en un
7%.
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Sotomayor y Ávila. Características higroscópicas de las maderas Spathodea campanulata
Los coecientes de variación indican que las
dispersiones de las mediciones de las higroexpansiones
son muy amplias para S. campanulata y A. plurijuga en
comparación con las de F. americana (Tabla 2). Además,
aumentan o disminuyen según la dirección de medición,
en consecuencia, las higroexpansiones volumétricas
aumentan 5% para S. campanulata y disminuyen
13% para F. americana y 31% para A. plurijuga. En el
mismo contexto, las higroexpansiones presentan un
carácter anisotrópico con la relación: α
T
> α
R
>> α
L
,
cuyas magnitudes son particulares para cada especie y
estado de la madera. Estos resultados son similares a los
reportados para once maderas mexicanas (399 kg m
-3
<
ρ
0
< 906 kg m
-3
) por Silva et al. (2010): α
T
/α
R
=2,1; y por
Ávila y Herrera (2012): α
T
/α
R
= 1,9 para Enterolobium
cyclocarpum (ρ
0
= 380 kg m
-3
).
En un proceso de hidratación de probetas de
pequeñas dimensiones de Pinus pinaster, Picea abies
y Pinus sylvestris, Silva et al. (2014) muestran que
son sucientes 24 horas de hidratado para alcanzar
la máxima magnitud de las higroexpansiones. Esto
permite inferir que el tiempo de hidratado de 72 horas
de la presente investigación fue suciente para alcanzar
contenidos de humedad en estado saturado superiores
a los puntos de saturación de la bra. En efecto, los
contenidos de humedad en estado saturado calculados
con la Fórmula (4) (Tabla 1) son: S. campanulata (ST) =
144%, S. campanulata (CT) = 123%, F. americana (ST)
= 60%, F. americana (CT) = 61%, A. plurijuga (ST) =
48% y A. plurijuga (CT) = 45%.
Las mediciones de las higroexpansiones son útiles
para comparar especies entre sí. Sin embargo, son poco
favorables para observar el efecto del tratamiento sobre la
madera. Las higroexpansiones fueron calculadas con las
fórmulas (6) y (7) a partir de las dimensiones exteriores
de las probetas en los estados iniciales y saturados. Estas
mediciones no consideran las diferentes cantidades de
humedad absorbidas por cada especie, entre el estado
inicial y el saturado después de 72 horas de hidratado
de la madera (Figura 1). Por tanto, el agua absorbida
es diferente para cada especie ST o CT. En términos de
contenido de humedad, mientras que las probetas sin
tratamiento de S. campanulata absorbieron en promedio
130%, y las probetas con tratamiento 108%, las probetas
de F. americana absorbieron respectivamente 49% y
50% y las de A. plurijuga 38% y 34%.
El fenómeno de la higroexpansión de la madera es
explicado en la literatura combinando diferentes puntos
de vista. Un primer argumento es la interacción, a nivel
molecular y de brillas, entre los diferentes componentes
químicos de la madera y la humedad. De tal forma que
se producen los fenómenos de absorción-adsorción de
uidos en el tejido ligno-celulósico (O´leary y Hodges,
2001; Berry y Roderick, 2005; Repellin y Guyonnet,
2005; Sahin, 2010; Patera et al., 2013). Un segundo
enfoque explicativo es el acomodo y forma anatómica
de la estructura jerárquica a nivel de pared celular, de
una célula, de una capa de crecimiento y considerando
un volumen elemental de materia (Nakano, 2003;
Rafsanjani et al., 2014; Joffre et al., 2016; Derome et al.,
2018; Chiniforush et al., 2019).
En el mismo sentido, la disminución en la magnitud
de la higroexpansión en la madera como efecto del
tratamiento con sales de boro es interpretado por el
bloqueo de los lúmenes celulares por cristales de boro y
por la alteración de los componentes químicos presentes
en la pared celular. Otros factores son la especie, el
contenido de humedad y densidad de la madera en
estudio (Hernández, 2007; Islam et al., 2012; Qian
et al., 2019; Kocaefe et al., 2015; Sargent, 2019); la
concentración, retención y clase de las sustancias de
impregnación, (Temiz et al., 2008; Lesar et al., 2011;
Qian et al., 2013; Petr y Aleš, 2014; González-Laredo et
al., 2015; Giridhar et al., 2017; Qian et al., 2018; He et al.,
2019); así como los tiempos, presiones y temperaturas
aplicados en los procesos (Esteves y Pereira, 2009;
Caldeira, 2010; Soltani et al., 2013; Gérardin, 2016; Fu et
al., 2019). Como resultado, la biodiversidad de especies,
reejada en densidades y en estructuras anatómicas
y en planos leñosos particulares a cada especie, árbol
y tipo de tejido, así como las diferentes perspectivas
experimentales, repercuten en una amplia variabilidad
en los parámetros de higroscopía que caracterizan a una
madera.
Coecientes de higroexpansión
Las magnitudes de los coecientes de
higroexpansión (Tabla 2) representan las mediciones
de las higroexpansiones divididas entre el intervalo
de los estados de contenido de humedad inicial y el
correspondiente al punto de saturación de la bra
(Fórmulas 8 y 9). De esta manera, se homogenizan
los cálculos directos de las higroexpansiones y se
puede evidenciar el efecto del impregnado. En lo
subsecuente, para aligerar el texto, el término coeciente
de higroexpansión se sustituye por coeciente y se
18 │
Volumen 14, Número 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
especica la dirección de anisotropía y/o volumétrico.
Los coecientes indican disminuciones que van desde
-18% para el coeciente volumétrico de A. plurijuga
hasta -70% del coeciente radial de S. campanulata; con
excepción de los coecientes radiales de A. plurijuga los
cuales indican un aumento de +3%. Esta particularidad
en S. campanulata se reeja en la correlación entre
los coecientes volumétricos y las densidades para las
Índices de anti higroexpansión
El efecto de un tratamiento con preservantes
químicos sobre la higroexpansión de la madera se mide
por el índice de antihigroexpansión. Valores positivos
y altos de este índice indican que el tratamiento reduce
de manera signicativa la higroexpansión volumétrica.
El tratamiento de sales de boro con concentración del
3% mejora la estabilidad dimensional de la madera.
Los índices de antihigroexpansión tienden a disminuir
a medida que la densidad básica se incrementa (Tabla
probetas ST la cual es λV = 0,0002 ρ0 + 0,7694 (R² =
0,05). Sin embargo, la correlación entre las probetas
CT es λ
V
= 0,0012 ρ
0
+ 0,012 con un coeciente de
determinación alto (R² = 0,89) (Figura 3). Este resultado
es comparable con los datos reportados por Torelli y
Gorišek, (1995) para 43 maderas, cuya correlación es λ
V
=
0,0006 ρ0 + 0,1954 con un coeciente de determinación
alto (R² = 0,79). Por motivos de escala, en la gura 3 no
se visualizan los 43 datos de la bibliografía.
Figura 3. Coeficientes de higroexpansión volumétrica en función de las densidades.
Figura 4. Índices de anti higroexpansión en función de las densidades..
2), con una correlación respecto a las densidades de I
A
=
-0,1095 ρ
0
+ 89 (R² = 0,89) (Figura 4). Caso especial es S.
campanulata, madera con densidad básica muy baja (ρ
0
= 269 kg m-3) cuyo índice de antihigroexpansión es de
63%, el más alto. Si bien las magnitudes son comparables
a las reportadas en la bibliografía por Dubey et al.,
(2011); Islam et al., (2012); Qian et al., (2013); Soltani et
al., (2013); Jiang et al., (2015) y Giridhar et al. (2017), la
correlación de estos datos con las densidades es baja: I
A
= 0,073 ρ
0
+ 4,7 (R² = 0,21).
│ 19
Sotomayor y Ávila. Características higroscópicas de las maderas Spathodea campanulata
Relaciones de anisotropía
Las magnitudes de las relaciones de anisotropía para
la madera ST y CT (Tabla 2) de este trabajo son similares
a las reportadas en la bibliografía. Torelli y Gorišek
(1995) reportan para 43 especies mexicanas un mínimo
de 1,0 y un máximo de 2,7; Shukla y Kandem (2010)
reportan para nueve especies de Camerún un mínimo de
1,1 y un máximo de 2,4 y Hernández (2007) reporta para
nueve especies del Perú y Acer saccharum un mínimo
de 1,0 y un máximo de 2,4. De acuerdo con Silva et al.
(2010), la clasicación de su estabilidad dimensional
según la relación de anisotropía T/R es la siguiente: S.
campanulata (ST), buena; S. campanulata (CT), mala;
F. americana (ST), buena; F. americana (CT), regular;
A. plurijuga (ST), buena; y A. plurijuga (CT), muy buena.
En el mismo contexto, las diferencias aritméticas de las
relaciones de anisotropía entre las maderas ST y CT
aumentan 33% para S. campanulata y F. americana. En
contraste, para A. plurijuga, esta diferencia disminuye
33%.
Lahtela et al. (2014) distinguen entre la modicación
química de la madera y el impregnado con sustancias
protectoras. La primera se reere al tratamiento donde
un reactivo reacciona dentro de los componentes de la
pared celular. Las reacciones también se pueden formar
al llenar los lúmenes celulares con resinas o productos
químicos. En cambio, el impregnado se reere a los
tratamientos donde la madera es llenada con un material
inerte o una solución incapaz de hacer enlaces químicos
con otros materiales, como es el caso del tratamiento con
sales de boro utilizando el baño caliente-frío.
Las alteraciones al interior de la pared celular
disminuyen la anisotropía, mientras que las
modicaciones que llenan el lumen celular la aumentan
(Sargent, 2019). Los cambios dimensionales en maderas
tratadas dependen de los cambios estructurales
resultantes del tratamiento (Ohmae et al., 2002) como
pueden ser: la modicación química o impregnación en
la pared celular; la impregnación de la pared celular y
revestimiento de la supercie interna del lumen celular;
y el relleno del lumen celular con el reactivo mientras la
pared celular permanece sin tratamiento, como ocurre
en el tratamiento de baño caliente-frío. Así, la relación
de anisotropía se incrementa cuando el lumen celular se
rellena con soluciones acuosas de sales de boro. De tal
forma, las diferencias entre la madera ST y CT (Tabla 2)
son negativas para S. campanulata y F. Americana. Sin
embargo, este parámetro es positivo para A. plurijuga,
posiblemente como efecto de la temperatura y la baja
retención de sales de boro (3,7 kg m
-3
).
La correlación entre la relación de anisotropía en
función de las densidades en las maderas ST es de T/R =
0,0002 ρ
0
+ 1.91 (R² = 0,15); y para las maderas CT es de
T/R = -0,0036 ρ
0
+ 3,97 (R² = 0,97). La Figura 5 presenta
las correlaciones de esta investigación y las compara con
la correlación calculada con datos de Silva et al., (2010),
Ávila y Herrera (2012) y Fuentes-Talavera et al., (2014):
T/R = -0,0001 ρ
0
+ 2,1 (R² = < 0,1). El coeciente de
determinación para maderas ST de esta investigación es
bajo y el derivado de la correlación calculada con datos
de la bibliografía calica como inexistente. En cambio,
el coeciente de determinación correspondiente a las
maderas CT de S. campanulata, F. americana y A.
plurijuga calica como muy alto. En efecto, se trata de
tres especies diferentes y con tres estructuras anatómicas
distintas. Si la relación de anisotropía está relacionada
principalmente respecto al arreglo celular anatómico,
dicha estructura posiblemente no se vea modicada
por el tratamiento. Para efectos de comprender mejor
el fenómeno es necesario considerar que el tamaño y
cantidad de rayos medulares dieren para cada especie.
Figura 5. Relaciones de anisotropía en función de las densidades.
20 │
Volumen 14, Número 35, Enero-Abril 2021, pp. 10 - 25
El efecto combinado de la organización celular y la
anisotropía local de las paredes celulares, así como las
diferentes propiedades de los componentes químicos de
la madera son responsables de la anisotropía transversal
(Ohmae et al., 2002; Perré, P. 2002; Badel et al., 2006;
Shukla y Kandem, 2010; Rafsanjani et al., 2012; Patera
et al., 2013; Zhang, 2015; Derome et al., 2018; Sargent,
2019). Sintetizando la información reportada por estos
autores, los principales factores para interpretar la
anisotropía de las higroexpansiones entre las direcciones
tangencial y radial de la madera son: la variedad en la
geometría y organización celular, así como en la forma
y espesor de la pared celular, particularmente el ángulo
de microbrillas en la capa S2; las diferencias en el
espesor y las propiedades higroscópicas de las paredes
celulares en las direcciones radial y tangencial; la
presencia y el tamaño de las células de radios; así como el
porcentaje y distribución en la pared celular de celulosa,
hemicelulosas y lignina. Con base en los resultados de la
anisotropía en esta investigación, no es posible explicar
el diferente comportamiento que se obtuvo entre estas
tres maderas y los dos tipos de tratamiento, por lo que se
necesitan hacer más investigaciones en este campo.
V. CONCLUSIONES
Las maderas de S. campanulata, F. americana y A.
plurijuga fueron sometidas al mismo tratamiento de
impregnado y, después de un baño caliente-frío de sales
de boro con una concentración de 3%, sus características
higroscópicas se modicaron de mane¬ra especíca
según las especies y las direcciones observadas. El
tratamiento mejora la estabilidad dimensional de S.
campanulata en 63%, de F. americana en 21% y para A.
plurijuga en 18%.
Este trabajo se basó en mediciones de laboratorio
y tiene un carácter empírico. Para ampliar esta línea
de investigación se sugiere desarrollar modelos para
explicar las reacciones entre los componentes químicos
de la madera y las sustancias de impregnación.
Asimismo, es deseable investigar el efecto de otros
mecanismos involucrados en el tratamiento con sales
de boro. Igualmente, es recomendable indagar sobre la
inuencia de las características anatómicas del plano
leñoso sobre las propiedades higroscópicas de estas
especies.
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