Estruvita: mineral para resistir el fuego en madera
Por Guo H, Luković M, Mendoza M.
Los materiales de madera de alto rendimiento han atraído una atención significativa en los últimos años debido a los excelentes perfiles de propiedad logrados mediante el procesamiento relativamente fácil de arriba hacia abajo de un recurso renovable. Un defecto crucial de las estructuras de madera renovables es la baja resistencia al fuego, que abordamos mediante la mineralización bioinspirada en un paso de procesamiento ecológico.
La formación de la estruvita biomineral se está estudiando su usó para la infiltración de estructuras jerárquicas de madera con los iones necesarios seguidos de una síntesis in situ de estruvita por fumigación con vapor de amonio. La estruvita se descompone antes que la madera, que absorbe el calor y libera gases no inflamables y MgHPO 4 amorfo resultante de la degradación, que promueve la formación de carbón aislante. Como resultado, la madera mineralizada apenas puede encenderse y el tratamiento suprime fuertemente la tasa de liberación de calor y la producción de humo.
La estructura de la madera
La modificación y funcionalización de la estructura jerárquica de la madera en enfoques de arriba hacia abajo fácilmente escalables dan como resultado materiales de madera de alto rendimiento. Al preservar la integridad y direccionalidad de la fibra de la estructura de celulosa, se han logrado propiedades ignifugas interesantes. Un obstáculo severo para una mejor utilización de estos materiales renovables y de almacenamiento de CO2 y la sustitución de materiales menos ecológicos, es la inflamabilidad inherente de la madera, lo que ha llevado a graves catástrofes de incendios en la historia y ha grabado en la conciencia de las personas.
En los tratamientos de protección contra incendios de madera por uso convencional, los retardantes de llama a menudo poseen compuestos halogenados, que puede causar problemas ambientales y de salud.
Productos ecológicos
La alternativa se basa en minerales de arcilla nanoestructurados, como papel ignífugo, compuesto por nanofibras de celulosa y arcilla. Estudios recientes también mostraron que la adición de los grafenoides podría mejorar significativamente la resistencia al fuego de compuestos orgánicos e inorgánicos, que incluye nanocompuestos de nanopartículas de óxido de grafeno y arcilla de montmorillonita.
Los materiales ignífugos para aplicaciones a gran escala siguen siendo un gran desafío. La biomineralización por organismos vivos conduce a materiales híbridos inorgánicos-orgánicos en condiciones ambientales, incluyendo la formación de silicatos, carbonatos de calcio y fosfatos.
La estruvita
La estruvita (MgNH4PO4 · 6H2O) es un biomineral de fosfato, que se encuentra comúnmente en los cálculos del tracto urinario de animales y humanos.
Su formación es causada por una infección bacteriana que hidroliza la urea a amonio y aumenta el pH de la orina neutral o alcalino. Este proceso de mineralización, que toma colocar bajo condiciones suaves, es una fuente de bioinspiración para la formación de materiales híbridos madera-minerales con mejoras retardante de llama.
La Estruvita sintética se obtiene de la recuperación de aguas residuales que contienen un alto contenido en fósforo donde se separa en tanques de agitación. La precipitación de la estruvita comienza cuando se incrementa el pH y se dosifica la sal de magnesio.
Este compuesto ha sido probado como retardante al fuego para madera y las pruebas dieron como resultado que cuando se produce el fuego, la descomposición endotérmica de la estruvita ocurre antes de la descomposición de la madera y libera gases no inflamables para diluir los gases inflamables en la estructura de la madera. Además, forma MgHPO4 amorfo en la degradación, proceso que actúa como barrera de gas y cataliza la reticulación del polímero de madera, lo que resulta en un aumento significativo en formación de carbón aislante.
Conclusiones
El retardo de llama de la madera puede mejorarse fuertemente con una mineralización de estruvita bioinspirada en un proceso de arriba hacia abajo fácilmente escalable. El proceso de mineralización da como resultado una buena profundidad de penetración de partículas minerales para proporcionar propiedades ignífugas
La exposición de amoníaco inicia el crecimiento de mineral de estruvita sin contacto directo de madera con alcalina solución y el amoniaco excesivo se elimina durante el proceso de secado. La formación del mineral dentro de la madera estructural permite un tratamiento a granel en contraste con usando directamente el mineral de estruvita como capa de barrera.
La interacción de la fase mineral con la estructura de madera en la fase nano y la microescala permiten un retardo de llama mejorado mientras se conserva el aspecto natural de la madera. Ambos experimentan y el modelo muestra que el factor principal que rige la capacidad de retardación del fuego de la madera es la formación de carbonatos carbonosos, que es facilitado por la inclusión de estruvita en la estructura de la madera. El carbón forma una capa aislante que es responsable del retraso de la difusión de oxígeno, aislamiento de calor y la reducción de la volatilización de gases inflamables.
El aumento de la formación de carbón en la zona de madera mineralizada, se explica por dos factores complementarios. La reacción endotérmica y la descomposición y emisión de gases no inflamables evita un fuerte aumento de la temperatura y facilita la formación de carbón. Además, el mineral descompuesto (MgHPO4) actúa como un catalizador que promueve la reacción de desvolatilización de celulosa, particularmente a bajas temperaturas, resultando una reticulación de una estructura 3D, evitando más desvolatilización.
Lo más probable es que esto se deba a la formación de fosfato durante la descomposición de la estruvita mineral, que absorbe calor, libera gases no inflamables y mejora fuertemente la formación de carbón como un reticulante.
El aumento de la capa de carbón de la madera de estruvita es muy beneficioso para aplicaciones de madera ya que puede servir como barrera aislante, retrasar el proceso de quemado en caso de incendio.
