Conservantes de madera a base de nanopartículas: la próxima generación de protección de la madera
La madera maciza es un compuesto polimérico creado de forma natural, que resulta de la combinación de celulosa, hemicelulosas y lignina dispuestas naturalmente en estructuras tubulares que finalmente forman un compuesto de capas cilíndricas. La evaluación de la durabilidad se basa únicamente en el duramen del árbol y no en su albura. Debido a sus extractivos, el duramen tiene un grado apreciable de durabilidad, mientras que la albura debe considerarse perecedera.
Hoy en día, la madera se ha tratado con conservantes para aumentar la durabilidad. Sin embargo, existe una presión cada vez mayor para ser respetuosos con el medio ambiente y para reducir, restringir o eliminar el uso de conservantes de la madera debido a la preocupación de que los componentes tóxicos puedan filtrarse de la madera tratada.
Protección de la madera
Algunas especies de madera tienen resistencia natural a la descomposición causada por microorganismos e insectos, sin embargo, muchas de ellas son escasas o no crecen lo suficientemente rápido para atender la demanda del mercado. La resistencia natural ocurre debido a los extractivos que son sustancias formadas en el árbol y depositadas naturalmente en el duramen. Además de la protección, los extractivos son responsables del color del duramen, la parte de la madera que presenta durabilidad natural.
La protección de la madera es una solución a este callejón sin salida. La ciencia de la protección de la madera es el proceso de adición de sustancias tóxicas o repelentes llamadas conservantes a la madera, con el fin de aumentar la resistencia a la descomposición y la durabilidad. Los tratamientos de conservación pueden aumentar la vida útil de la madera, reduciendo los costos de reemplazo y permitiendo un uso eficiente de los recursos forestales. A través de ellos, los productos de madera pueden protegerse contra varios ataques, como hongos de descomposición, insectos dañinos o barrenadores marinos.
Conservantes metálicos de madera
La estructura de las membranas celulares y el ADN (ácido desoxirribonucleico) tienen iones metálicos específicos y cruciales; Se predice que la mitad de las proteínas conocidas dependen de átomos metálicos para su estructura y participación en procesos celulares clave. A pesar de eso, estos metales esenciales son letales para todas las células cuando están presentes en exceso, y ciertos metales no esenciales como Ag, mercurio (Hg) y telurio (Te) son extremadamente venenosos incluso en concentraciones excepcionalmente bajas. En consecuencia, los metales se han utilizado por sus propiedades antimicrobianas durante miles de años; inhiben el crecimiento microbiano y matan a los microorganismos, y su aplicación también ha sido apreciada en la agricultura, además de gozar de una rica historia en la medicina.
Potencial de la nanotecnología en la protección de la madera
La nanotecnología se ha descrito como el diseño, caracterización, desarrollo y aplicación de materiales, dispositivos y sistemas mediante el control de la forma y el tamaño a nanoescala. Las nano-partículas (NP) tienen múltiples aplicaciones en medicina, industria y productos comerciales.
Hoy en día, una cantidad cada vez mayor de bienes de consumo contiene NP modificadas. Las NP diseñadas son muy prometedoras para una variedad de aplicaciones industriales y de consumo, debido a sus propiedades. La industria de la pintura espera que los nanomateriales mejoren las propiedades de la tinta, como la repelencia al agua, la resistencia al rayado, la durabilidad y las propiedades antimicrobianas. La preparación de superficies autolimpiantes y la mejora de propiedades como la resistencia al rayado y a la intemperie se han logrado utilizando NP, que también se asocia con las propiedades antimicrobianas de los materiales.
Las NP se obtienen de una amplia variedad de materiales. Los más comunes de la nueva generación de NP son los cerámicos. Se dividen en: (1) cerámicas de óxidos metálicos como óxidos de titanio (Ti), Zn, aluminio (Al) y hierro (Fe); y (2) nanopartículas de silicato (los silicatos u óxidos de silicio también son cerámicos). Generalmente, se encuentran en forma de escamas a nanoescala.
La manipulación a nivel nanométrico puede modificar propiedades para nuevas aplicaciones. Últimamente, estos productos se están incorporando a los biocidas para proteger la madera contra hongos e insectos. Los fungicidas (tebuconazol, clorotalonil y KATHON 930) y un insecticida (clorpirifos) incorporados a las NP se reportaron en la protección de la madera con alta eficacia biológica para todos ellos.
El rendimiento de la madera tratada con NP metálicas, basado en bioensayos de termitas, se informó anteriormente. Los tratamientos realizados en pino amarillo del sur (SYP) con nanoZnO de 30 y 70 nm diluidos en agua (1.0, 2.5 y 5.0%) presentaron menos del 4% de consumo de madera, y causaron del 94 al 99% de mortalidad de termitas a los 25 a 27 días de incubación. En contraste, las termitas consumieron del 10 al 12 % de los bloques tratados con sulfato de zinc (ZnSO4), y la mortalidad de termitas fue considerablemente menor para las tres concentraciones de tratamiento con ZnSO4, 1.0, 2.5 y 5.0 %. La menor mortalidad de termitas en madera tratada con ZnSO4 en comparación con nanoZnO puede deberse a diferencias en la bioactividad que resultan de cambios en las estructuras químicas. Partículas de boro (nanoB) de 30 nm (1%) y control de ácido bórico (H3 BO3) al 1% causaron el 100% de mortalidad de termitas en SYP, mientras que NanoZn (30 nm) con surfactante (1%) causó termitas moderadas. mortalidad (31%) y ZnSO4 al 1% dieron como resultado bajas tasas de mortalidad de 1-7%. Los tratamientos con partículas de 80 nm (2 %) de borato de nanozinc (B2 O6 Zn3) y borato de nanozinc más emulsión de polímero acrílico al agua provocaron una mortalidad del 100 % por termitas en madera tratada de pino negro (Pinus nigraL.), con pérdidas de masa considerablemente bajas, es decir, 3,3% y 2,3%, respectivamente. Las formulaciones de nanoZnO (80nm, al 2 %) causaron bajas mortalidades al 9-10 %, mientras que sufrieron pérdidas de masa significativamente bajas al 4-7 %. NanoCuO no brinda protección a las termitas.
Penetración de las nanopartículas en la madera
El tamaño de las partículas de metal puede afectar la penetración de las paredes celulares de la madera y las reacciones con los constituyentes moleculares de la madera. El grado de penetración y uniformidad de distribución de las partículas en la estructura celular de la madera está inversamente relacionado con la prevalencia de partículas de gran tamaño.
Las partículas grandes pueden obstruir las traqueidas e inhibir la penetración del conservante. Por otro lado, se espera una penetración completa y una distribución uniforme del conservante en la madera si el tamaño de partícula del conservante es más pequeño que el diámetro del hueco de la ventana (10 nm) o las aberturas de la membrana en un hueco bordeado (400 – 600 nm). En lo que respecta a las maderas duras, los diámetros de los poros de la madera se miden en micrómetros. Un diámetro de 50 µm se considera un tamaño de poro relativamente pequeño, sin embargo, es más grande que el hoyo bordeado de maderas blandas.
Retención química de la madera
La retención es la cantidad de conservante que se retiene en la albura después de un ciclo de tratamiento. Es una medida del grado de protección proporcionado por un tratamiento, generalmente expresado como kilogramos de conservante por metro cúbico de madera (Canadian Wood Council, 2018). El tamaño y la configuración de la muestra causan diferencias en la retención química. Los especímenes delgados tuvieron mayor retención que los grandes.
Al comparar las NP con las micropartículas, no hubo diferencia entre las retenciones químicas de nano B y H3 BO3, sin embargo, la retención química de Nano Cu fue un 30 % menor que la de CuSO4 . Para las preparaciones de nanoZn (30 nm, sin surfactante) y ZnSO4.
Las propiedades únicas de los nano-metales afectan la lixiviación o la eficacia contra hongos y termitas Biodeterioro y Biodegradación Internacional. Por el contrario, el nanoZnO en forma de dispersión acuosa (con diámetros medios de 30 nm y 70 nm) presentan mayores retenciones químicas que la madera tratada con ZnSO4, para la misma concentración.
Los surfactantes afectan la retención química. Con surfactante, las retenciones fueron 30% y 16% menores que con ZnSO4, para nanoZn y nanoZn con Ag, respectivamente, y las mayores retenciones en los tratamientos con nanoZnO se obtuvieron sin emulsión acrílica.
Debido a las diferencias que los tamaños de las muestras, las emulsiones y los agentes emulsionantes provocan en la retención química de los conservantes de la madera, es difícil comparar los resultados informados. Sin embargo, se puede lograr un gran desarrollo explorando estas características.
Lixiviación química de las nanopartículas
Los conservantes de la madera deben presentar la capacidad de fijarse en el interior de la madera. Este parámetro generalmente se expresa a través de tasas de lixiviación. La lixiviación es mayor en tratamientos con altos niveles de retención y alta superficie expuesta. Las tasas más altas de lixiviación ocurren dentro de los primeros meses de servicio y aumentan al exponer la madera al flujo de agua, pH bajo y ácidos orgánicos solubles en agua.
La información proporcionada sobre el agotamiento de la retención química de nanoZnO (30 nm) en especímenes de madera desgastada (12 meses de exposición al aire libre) sugirió que los especímenes tratados al vacío con 1% de nanoZnO eran resistentes a la lixiviación, mientras que ZnSO4 se lixiviaba fácilmente. Sucede porque el ZnSO4 se lixivia más rápido que el nanoZn. La retención de nanoZnO en especímenes tratados con nanoZnO al 1% no presentó cambios, pero los especímenes tratados con nanoZnO al 2,5 y 5,0% mostraron una pérdida de nanoZnO del 65 y 58%, respectivamente.
La lixiviación de la madera tratada con nanoCu (partículas de 30 nm de diámetro) fue apenas detectable, pero la tasa de lixiviación de CuSO4 fue más rápida. De la misma manera, nano preparados de Zn y Zn con Ag mostraron menor lixiviación que ZnSO4. NanoB presentó muy baja resistencia a la lixiviación. Las fuerzas de Van der Waals y los cambios en la carga pueden explicar la baja lixiviación de nano metales.
Las muestras tratadas con NanoCuO con y sin emulsión mostraron un bajo porcentaje de lixiviación. Los especímenes tratados con nanoCu, con y sin surfactante, tuvieron una alta resistencia a la lixiviación en comparación con el control CuSO4. NanoZn y nanoZn más Ag, ambos con surfactante, tuvieron un bajo porcentaje de lixiviación (9% y 8%, respectivamente), en comparación con las preparaciones de Zn sin surfactante (31% y 33%) y ZnSO4 (84%). Las preparaciones de nanoZnO y borato de zinc más emulsión acrílica presentaron un menor porcentaje de lixiviación que las mismas preparaciones de zinc sin emulsión. Sin embargo, las muestras tratadas con nanoCuO sin emulsión tuvieron el porcentaje más bajo de lixiviación (7,5 %), mientras que las muestras tratadas con nanoCuO con emulsiones tuvieron un alto porcentaje de lixiviación, 13 % y 29 %, respectivamente. Sucede porque la adición de un aglutinante de emulsión acrílica a base de agua en el compuesto puede aumentar su afinidad con los polímeros de la madera y, posteriormente, disminuir la lixiviación.
Es posible afirmar que la lixiviación se puede controlar mediante el uso de emulsiones y surfactantes, pero esta afirmación debe ser más explorada en futuras investigaciones, en busca de mejores resultados.
