Investigadores de la Universidad de Estocolmo han presentado un sistema de recubrimiento de madera totalmente de base biológica ofreciendo una alternativa sostenible a los revestimientos sintéticos de origen fósil. Inspirada en las funciones protectoras de la corteza de los árboles, esta innovadora formulación, utiliza componentes procedentes de cortezas de abedul y abeto.
Unos científicos del proyecto BarkBuild (enmarcado en el programa europeo ForestValue ERA-NET) han utilizado cortezas de abedul y abeto, abundantes en los bosques europeos, para crear el primer sistema de protección de superficies de madera del mundo sin sustancias químicas.
Los resultados se han publicado en un paper de la revista Materials Horizons, «Recubrimientos de madera totalmente biológicos e hidrófugos derivados de la corteza de los árboles». Mika Sipponen, jefe del proyecto de investigación de la Universidad de Estocolmo, afirma que una mezcla 90/10 de ácidos suberínicos extraídos de la corteza del abedul y polifenoles de la corteza del abeto es la clave para desarrollar tratamientos no sintéticos de la madera sin disolventes orgánicos peligrosos ni polímeros derivados de recursos fósiles de hidrocarburos.
Aunque en investigaciones anteriores se habían estudiado compuestos derivados de la corteza de los árboles como aditivos en mezclas sintéticas, el recubrimiento procede íntegramente de la corteza de los árboles. Y aquí reside la singularidad de esta investigación: su formulación está totalmente derivada de recursos renovables, que contrasta con la dependencia de la industria de los revestimientos sintéticos de base fósil.
La corteza de los árboles se obtiene en abundancia a partir del procesamiento industrial de la madera, y sólo en la Unión Europea se producen 23 millones de toneladas métricas al año. Los científicos, inspirados en la función de barrera natural de la corteza de los árboles, empezaron a explorarla como recurso para la protección de la madera en entornos exteriores.
La formulación del revestimiento contiene ácidos suberínicos y polifenoles, lo que da lugar a una suspensión acuosa segura y fácil de aplicar a la madera. Los polifenoles desempeñan un doble papel en la formulación, ya que estabilizan los ácidos suberínicos insolubles en agua y sirven de nanorrelleno en el revestimiento curado térmicamente, lo que permite ajustar las propiedades mecánicas del revestimiento resultante. Cuando se aplicó a madera de abeto, la formulación de recubrimiento con un 10% de polifenol y un 90% de ácidos suberínicos alcanzó un valor de absorción de agua de 100 g m2 tras 72 horas de exposición al agua, demostrando un rendimiento superior en comparación con un recubrimiento de emulsión alquídica (la norma EN927-5 de la UE establece que se consigue una construcción estable cuando el valor de absorción de agua de la muestra es inferior a 175 g m2 después de exponerla al agua durante 72 horas).
La principal característica del proceso de fabricación es el termocurado en torno a los 200° C consiguiendo la formación de una película superficie muy lisa.
La reacción produce un tipo de poliéster termoestable con partículas de polifenol de tamaño submicrométrico dispersas en la matriz. Dependiendo del grosor del recubrimiento, la rugosidad natural de la superficie de la madera es visible por debajo de la capa de revestimiento de aproximadamente 50 micras.
Imagen de Matilda Andersson/Universidad de Estocolmo
A más polifenoles, más del 30%, el tamaño de las partículas aumenta, pero se sigue en el ámbito submicrométrico, lo que significa que el grosor del recubrimiento no se ve afectado principalmente por ello. La forma de controlar el grosor del revestimiento es simplemente cambiando la cantidad de suspensión extendida sobre la superficie de la madera.
Imagen de Mika Sipponen/Universidad de Estocolmo
Actualmente no hay otra forma de curar el poliéster. Se ha considerado la posibilidad de añadir un catalizador para reducir la temperatura de curado, “pero queríamos publicar el estudio de prueba de concepto sobre el revestimiento con un contenido 100 % de origen biológico”, dice Mika Sipponen.
Lo que significa que el proceso de el recubrimiento de las piezas de madera debe hacerse en una fábrica, no pudiéndose hacer a brocha o a pistola en obra o taller. No obstante, ante la viabilidad de hacerlo sin el termocurado, Sipponen afirma que “potencialmente sí, como el uso de una enzima lipasa para catalizar la reacción a temperatura ambiente. Sería una línea de investigación interesante.”
Ante el hecho de que cuanto más aumenta el contenido de polifenoles, más del 10%, tanto más es oscuro, Sipponen afirma que “sí y no. Se necesitan productos de madera con diferentes tonos [shades] de coloración marrón”. Si esto supone, en teoría, una dificultad para conseguir una gama de colores de recubrimiento, “lo vemos más como una oportunidad. También hemos hablado de utilizar pigmentos para adaptar los colores más allá de los distintos tonos de marrón”, replica Sipponen. Es más, “estoy seguro de que se pueden conseguir muchos de estos tonos, si no todos. Tenemos mucha curiosidad por seguir investigando este sistema. He ampliado la financiación del proyecto para estas pruebas, así que considero probable que exploremos diferentes pigmentos y otros componentes, dando prioridad a los aditivos de base biológica”, dice Sipponen.
Todo el mundo sabe que los barnices oscuros, calientan la madera. Hay un proyecto del Instituto de Tecnología de la Madera de Dresde que está investigando el uso de pigmentos reflectantes de infrarrojos (IR) en barnices para madera para reducir la temperatura de la superficie cuando se expone a la luz solar. Pero Sipponen replica que “los polifenoles derivados de la corteza absorben la luz también en la región IR, disminuyendo así los beneficios de los pigmentos IR-reflectantes alemanes.”
La presencia de polifenoles ofrece la posibilidad de ajustar las propiedades mecánicas de la formulación. O sea, cuando aumentamos el porcentaje de polifenoles, el recubrimiento se vuelve más duro y rígido. Con un menor contenido de polifenoles, el recubrimiento es más elástico.
Hay un rango ideal de contenido de polifenoles que es de un 10-20%, adecuado para la protección de la madera. “Podría ser mayor (o menor) para otros sustratos, como el metal, que también nos interesa”, afirma Sipponen.
Aparte de la prueba de absorción de agua, se han hecho otras:
- En cuanto al ángulo de contacto con el agua o hidrofobicidad, muestran ángulos de 80-90°, es decir, la formulación muestra la misma eficacia que con los revestimientos comerciales de emulsión alquídica. Los investigadores ven más posibilidades de mejorar las propiedades hidrófobas mediante la aplicación de grupos funcionales.
- En cuanto a la capacidad de resistencia a las manchas, hay una excelente resistencia a las manchas, al igual que las emulsiones alquídicas comerciales.
- En cuanto a la adherencia a la superficie de madera, los recubrimientos con un contenido en polifenoles inferior al 30 % en peso mostraron una buena adherencia al sustrato de madera, como demuestran los experimentos de corte transversal.
En términos de rendimiento, cuando se compara en función del contenido de base biológica y el valor de absorción de agua, el recubrimiento destaca sobre el estado de la técnica. El valor de absorción de agua del recubrimiento totalmente a base de corteza fue mejor en todo el campo, incluso cuando se comparó con los sistemas de bajo contenido en biobase entre el 25% y el 40%.
En suma, recubrimiento supera a todos los sistemas de base biológica conocidos y se compara favorablemente con los productos comerciales.
En cuanto a futuras investigaciones, Sipponen afirma que “actualmente estamos evaluando la durabilidad a largo plazo y la resistencia a la intemperie del revestimiento. Con nuestros socios también estamos estudiando posibles prototipos de productos para su comercialización.”
Existen otros productos para recubrimientos como los aceites de secado, como el de linaza, que tienen una base totalmente biológica, pero Sipponen concluye que “lo más importante de nuestro sistema es que se obtiene totalmente a partir de los residuos industriales de corteza que se queman cada año a escala multimillonaria. Por lo tanto, con esta investigación esperamos llamar la atención sobre este flujo secundario infrautilizado que tiene potencial como materia prima para productos químicos y materiales más allá del sistema de recubrimiento que hemos desarrollado.”
Desde hace tiempo se hacen investigaciones sobre el futuro de los bosques europeos ante el cambio climático. Se han considerado el abedul, el abeto Douglas, el alcornoque, la haya, el pino carrasco (pinus halepensis), etc. como especies que se adaptarán y/o serán resilientes ante el cambio climático. Inquirido por ello, Sipponen responde que prevé “utilizar otras especies como las que [se han] mencionado. En general, los polifenoles podrían extraerse de cualquier especie, pero la suberina es más común en las frondosas.”
ForestValue ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención nº 773324.