Síntesis de madera magnética a base de nano partículas de hierro en especies forestales provenientes de plantaciones de rápido crecimiento en Costa Rica. Código: 14011044. Documento 1 - Berrocal-Jiménez, Alexander; Moya-Roque, Roger; Gaitán-Álvarez, Johana; Jaimes-Merazzo, Karla (Instituto Tecnológico de Costa Rica, 2023)
La madera magnética, material híbrido que combina las propiedades inherentes de la madera con las propiedades de nano partículas magnéticas, ha sido empleada en tableros de fibra y madera sólida, utilizando para su síntesis revestimientos e impregnaciones con fluidos magnéticos. En el capítulo 1 la síntesis de nanopartículas de Fe3O4 en madera sólida de especies tropicales (Pinus oocarpa, Vochysia ferruginea y Vochysia guatemalensis), fue evaluada. P. oocarpa mostró los valores más bajos de porcentaje de ganancia de peso (WPG), la densidad disminuyó en relación a la madera no tratada, presentó menor contenido de cenizas y Fe3O4, mostró menor precipitación de nanopartículas de hierro, las señales asociadas a cambios en el componente madera (1153 cm-1 , 1739 cm-1 , 1601 cm-1 , 1505 cm 1 , 1462 cm-1 , 1419 cm-1 y 1251 cm-1 ) no mostraron diferencias con la madera no tratada, presentó el menor diámetro de nanopartículas (aprox. 7,3 nm a 8,5 nm) y los parámetros de magnetización de saturación (Ms) fueron los más bajos. V. guatemalensis presentó un mejor comportamiento magnético, aunque se produjo mayor degradación de los componentes de la madera (mayor pérdida de densidad). Respecto a los diferentes tiempos de inmersión, las propiedades magnéticas no se vieron afectadas estadísticamente. Finalmente, los valores de magnetización de las especies estudiadas fueron inferiores a las nanopartículas de magnetita pura, porque las especies sólo retienen una cierta cantidad de estas nanopartículas (NP), y esto se refleja proporcionalmente en Ms. En el capítulo 2 se abordó la síntesis in-situ de nanopartículas (NPs) de Fe3O4 en partículas de fibra de tres maderas tropicales (P. oocarpa, V. guatemalensis, y V. ferruginea). El contenido en NPs de Fe3O4 fue similar en las dos especies de Vochysia pero superior al de P. oocarpa. El contenido en cenizas era similar en las tres especies. Fue difícil demostrar la presencia de NPs de Fe3O4 en el espectro FT-IR. El diámetro de las nanopartículas variaba de 51 nm a 68 nm y los parámetros de magnetización de saturación eran bajos, pero estos valores eran superiores en P. oocarpa. El tablero magnético de partículas (MWPC) mostró que el uso de NPs disminuye la densidad de P. oocarpa pero aumenta la densidad de las especies de Vochysia. El hinchamiento y la absorción de humedad aumentaron en el MWPC-100 de P. oocarpa y V. guatemalensis pero disminuyeron en el compuesto de V. ferruginea. La adhesión interna disminuyó en el MWPC-100, pero no en la capa de MWPC. La dureza aumentó en la capa de MWPC en P. oocarpa, pero no en MWPC-100, esta propiedad aumentó en MWPC-100 y en la capa de MWPC fabricada con V. ferruginea y V. guatemalensis. En el capítulo 3 se evaluó la síntesis de nanopartículas de Fe3O4 en chapas de madera de tres especies tropicales (Gmelina arborea, V. ferruginea y P. oocarpa). El método de impregnación sí afectó la síntesis de las nanopartículas, la impregnación a vacío-presión fue la que presentó la mayor cantidad de Fe3O4 en las chapas. Al usar la impregnación vacío presión se evidenció mayor señal de ferrita en los análisis SEM y XDR. En el análisis de propiedades magnéticas, fue claro que la curva de histéresis de la madera presentó un comportamiento ferromagnético en la síntesis por medio del método vacío-presión, mientras que por el método de inmersión el cambio fue de leve a nulo. También, se observó que Vochysia ferruginea fue la especie con mayor magnetización.

Magnetic wood, hybrid material that combines the inherent properties of wood with the properties of magnetic nanoparticles, has been used in fiberboard and solid wood, using coatings and impregnations with magnetic fluids for its synthesis. In chapter 1, the synthesis of Fe3O4 nanoparticles in solid wood of tropical species (Pinus oocarpa, Vochysia ferruginea and Vochysia guatemalensis) was evaluated. P. oocarpa showed the lowest values of weight gain percentage (WPG), density decreased in relation to untreated wood, besides presented lower ash and Fe3O4 content, showed lower precipitation of iron nanoparticles, signals associated with changes in the wood component (1153 cm-1 , 1739 cm-1 , 1601 cm-1 , 1505 cm-1 , 1462 cm-1 , 1419 cm-1 and 1251 cm-1 ) showed no differences with untreated wood, besides presented the smallest diameter of nanoparticles (approx. 7.3 nm to 8.5 nm) and the saturation magnetization parameters (Ms) were the lowest. V. guatemalensis presented better magnetic behavior, although there was greater degradation of the wood components (greater loss of density). Regarding to the different immersion times, the magnetic properties were not statistically affected. Finally, the magnetization values of the species studied were lower than pure magnetite nanoparticles, because the species only retain a certain amount of these nanoparticles (NP), and this is reflected proportionally in Ms. Chapter 2 addressed the in-situ synthesis of Fe3O4 nanoparticles (NPs) in fiber particles of three tropical woods (P. oocarpa, V. guatemalensis and V. ferruginea). The Fe3O4 NPs content was similar in the two Vochysia species but higher than in P. oocarpa. Ash content was similar in the three species. It was difficult to demonstrate the presence of Fe3O4 NPs in the FT-IR spectrum. The diameter of the nanoparticles varied from 51 nm to 68 nm and the saturation magnetization parameters were low, but these values were higher in P. oocarpa. Magnetic particle board (MWPC) showed that the use of NPs decreased the density of P. oocarpa but increased the density of Vochysia species. Swelling and moisture absorption increased in MWPC-100 of P. oocarpa and V. guatemalensis but decreased in the V. ferruginea composite. Internal adhesion decreased in MWPC-100, but not in the MWPC layer. Hardness increased in the MWPC layer in P. oocarpa, but not in MWPC-100, this property increased in MWPC-100 and in the MWPC layer made with V. ferruginea and V. guatemalensis. Chapter 3 evaluated the synthesis of Fe3O4 nanoparticles in wood veneers of three tropical species (Gmelina arborea, V. ferruginea and P. oocarpa). The impregnation method did affect the synthesis of the nanoparticles, the vacuum-pressure method presented the highest amount of Fe3O4 in the veneers. When using vacuum-pressure method, a higher ferrite signal was evidenced in the SEM and XDR analysis. In the analysis of magnetic properties, it was clear that the hysteresis curve of the wood presented a ferromagnetic behavior in the synthesis by means of the vacuum-pressure method, while by the immersion method the change in the curve was slight to null. Also, it was observed that V. ferruginea was the species with the highest magnetization level.
Proyecto de Investigación (Código: 14011044) Instituto Tecnológico de Costa Rica. Vicerrectoría de Investigación y Extensión (VIE). Dirección de Proyectos. Escuela de Ingeniería Forestal, 2023
Keywords: Maderas magnéticas; Especies forestales; Síntesis -- Madera; Plantaciones forestales; Especies maderables; Propiedades magnéticas; Nanopartículas -- Hierro; Vochysia ferruginea; Pinus oocarpa; Vochysia guatemalensis; Magnetic woods; Forest species; Synthesis -- Wood; Forest plantations; Wood species; Magnetic properties; Nanoparticles -- Iron; Research Subject Categories::FORESTRY, AGRICULTURAL SCIENCES and LANDSCAPE PLANNING