Madera híbrida ignífuga por inserción de carbonato de calcio para mejorar la resistencia al fuego
Por Lorenz huber y Ingo Burgert
Inspirados en la bio-mineralización mediada por matriz natural, se presenta un enfoque de calcificación artificial para la madera, que se dirige principalmente a la estructura de la pared celular nano-porosa difícilmente accesible en lugar del sistema de huecos del tamaño de micras de la luminaria celular. El carbonato cálcico, CaCO3 se puede depositar con este método en el interior de la estructura de madera. La mineralización de la arquitectura de la pared de celdas de madera con CaCO3 ofrece una alternativa ecológica a los sistemas ignífugos convencionales.
Durante siglos, la madera ha sido un material de construcción ligero, sólido y popular. Además, es una materia prima renovable y fácilmente reciclable, con un inconveniente: las quemaduras de madera. Pero esto no es necesariamente así, como lo demuestran los investigadores de Empa.
La construcción ecológica está de moda. Aspectos como la sostenibilidad y la eficiencia energética de los edificios son cruciales. En consecuencia, los contratistas de la construcción y los arquitectos recurren cada vez más a la madera como material de construcción porque la materia prima renovable es marrón y verde. Efectivamente, la madera tiene muchos puntos a favor, pero también una serie de desafíos. Además de los problemas de durabilidad y estabilidad dimensional, la combustibilidad es un factor limitante.
Hasta hace poco, a los contratistas de construcción no se les permitía erigir edificios residenciales y de oficinas que tenían más de seis pisos de altura por razones de seguridad contra incendios. Incluso las estructuras más bajas a menudo requerían varios revestimientos para garantizar suficiente protección contra incendios.
Usar química dirigida para presionar el interruptor
El equipo de investigación de Empa y ETH-Zurich protege la madera de las llamas depositando carbonato de calcio (piedra caliza) en la estructura celular de la madera, es decir, mineralizando la madera. La habilidad es llevar el mineral profundamente en la estructura de la madera. La unión debe tener lugar en la propia madera, de lo contrario no funcionará. Para lograr el efecto deseado, los investigadores remojan la madera en una solución acuosa que contiene dimetil éster de ácido carbónico y cloruro de calcio, una sal que se disuelve fácilmente en agua, al igual que el éster líquido.
Esto se usa como un solvente «verde», por ejemplo. Una vez que la madera ha sido empapada con la mezcla hasta las celdas, Los investigadores aumentan el valor del pH agregando lejía de soda cáustica hasta que la solución se vuelve alcalina. Primero, se colocan las sustancias que se necesitan en la madera y luego se activa el interruptor. Una vez que la mezcla ha alcanzado un cierto valor de pH, la molécula se descompone en alcohol y CO2. Este último comienza a reaccionar con los iones de calcio en la solución y se une con el carbonato de calcio, que se acumula en el interior de la estructura celular.
Método alternativo en la tubería
Lo que hace que este método sea tan especial es el hecho de que el mineral se forma principalmente en las paredes celulares y los poros pequeños. En una técnica alternativa desarrollada por los investigadores, la piedra caliza se acumula directamente en las células de madera en forma de tubo y esencialmente las obstruye. La diferencia con este proceso es que los investigadores trabajan con dos soluciones diferentes, que alternan al remojar la madera. La diferencia en cómo la piedra caliza afecta las propiedades del material cuando se forma en las cavidades, o que paredes celulares debe investigarse en estudios posteriores. Sin embargo, en lo que respecta a la seguridad contra incendios, ambas opciones funcionan igual de bien. Es simplemente una cuestión de incrustar la mayor cantidad posible de fase mineral no combustible en la madera.
Material híbrido inspirado en la naturaleza
El equipo de investigadores se inspira en el desarrollo de tales materiales orgánicos-inorgánicos a partir de la naturaleza. La evolución ha producido toda una serie de estos llamados materiales híbridos: conchas marinas, dientes, nácar o hueso son solo algunos ejemplos. El hueso es un excelente ejemplo de lo que hace que un material híbrido sea tan especial. La mineralización de su estructura orgánica mejora significativamente las propiedades mecánicas: en los bebés, los huesos aún son blandos y solo se vuelven rígidos y resistentes más adelante.
Varias pruebas de fuego realizadas por el grupo de trabajo produjeron resultados prometedores. Gracias a la piedra caliza en la estructura celular, los investigadores pudieron reducir la combustibilidad de la madera en aproximadamente un tercio. «Funciona mucho mejor de lo que ninguno de nosotros había esperado», dice Merk. La madera mineralizada presenta muchas otras ventajas además de una buena resistencia al fuego. Tanto la madera como el carbonato de calcio unen CO2 dentro de ellos, lo cual es muy interesante desde una perspectiva ambiental. Los investigadores señalan que no usaron ninguna sustancia peligrosa durante la producción o en el producto final.
Por lo tanto, el reciclaje de la madera híbrida es inofensivo, a diferencia de la madera normal, que se trata con productos químicos ignífugos utilizando métodos convencionales. Los boratos solubles en agua se utilizan en parte para la seguridad contra incendios, lo que puede tener repercusiones negativas a largo plazo para nuestra salud. Además, la protección contra incendios convencional a menudo se aplica a la madera externamente. Mientras que estos recubrimientos superficiales pueden desaparecer con el tiempo, en la madera híbrida la protección contra incendios está incrustada en el interior del material de construcción.
