Estructura a nivel microscópico.

Composición química y molecular de la madera.

La composición química de la madera es, por lo general, igual en todas las especie leñosas

existentes. Este material contiene, aproximadamente, 50% de carbono, 6% de hidrógeno, 43 % de

oxígeno y 1% por nitrógeno y elementos minerales. Estos elementos se agrupan para formar los

componentes primarios de la pared celular: celulosa, hemicelulosa y ligina; y los componentes

secundarios: estratos. (Zanni, 2008). En el Cuadro # se muestra información general sobre cada

uno de estos componentes. Más adelante se explican más detalladamente cada constituyente

molecular de la madera.

Cuadro #. Composición molecular de la madera (Saccarello, 2010).

Componente Peso (%) Estado polimétrico

Derivados moleculares

Función

Celulosa40-50

CristalinoMuy orientado

Grandes moléculas

Glucósidos Fibra

Hemicelulosa 20-25Semi-cristalinoMoléculas más

pequeñas

GalactosaManosaXilosa

Matriz

Lignina 25-30AmorfoGrandes

moléculas 3-DFenil propano Incrustante

Extractos 0-10

Algunos polimétricoAlgunos no- polimétricos

Ej: Terpenos, Polifenoles

Extractos

Componentes primarios

A continuación se describen cada uno de los componentes moleculares primarios de la madera:

Celulosa:

Químicamente se define como C6H10O5. Es un polímero lineal insoluble en agua, formado por

unidades de celobiosa. La celobiosa es un disacárido formado por dos moléculas de glucosa, se

forma un enlace entre el carbono uno, de una molécula de sacarosa, y el carbono cuatro de la otra

molécula de sacarosa. Presenta un enlace tipo beta – 1,4 tal como se muestra en la Figura #.

Estas estructuras se unen para formar una larga cadena lineal del polímero de celulosa. (Arroyo,

Goméz, Peña & Tapia, 1988). Esta se encuentra en forma de filamentos o cadenas largas y

delgadas. El grado de polimerización de la celulosa varía considerablemente dentro de la misma

molécula. Los enlace presentes en la cadena de celulosa, tanto en el anillo interno de la glucosa

como entre los distintos anillos de la cadena molecular, es covalente. Este tipo de enlace y la

disposición longitudinal contribuye a la resistencia que presenta la madera a la tracción axial.

(Saccarello, 2010). En estructura de la celulosa (ver Figura #) existe la presencia de grupos polares

como el –OH y –CH2OH, al ser el agua un compuesto polar, esta puede ser retenida por este

componente, lo que justifica el comportamiento higroscópico de la madera. Al presentar el agua

un dipolo, permite uniones con mayor fuerza, debido al pequeño radio atómico del H+ que le da la

posibilidad de tener un mayor acercamiento con la otra molécula. (Zanni, 2008)

Figura #. Estructura de la celobiosa (Arroyo, Goméz, Peña & Tapia, 1988)

Por medio de rayos X y técnicas de difracción electrónica, se ha podido identificar que la celulosa

cuenta con abundantes áreas de cristalinidad y de desorden. Las zonas cristalinas son conocidas

como cristales o micela, donde las moléculas de la celulosa se encuentran disputas de manera

paralela gracias a la presencia de puentes de hidrógeno (ver Figura #). Estos enlaces le

proporcionan propiedades cristalinas, rigidez y fortaleza a la pared, le suministran resistencia

contra las fuerzas de tensión además, hacen que la celulosa sea difícil de hidrolizar (inaccesible al

ataque enzimático. En las zonas desordenadas se encuentran más grupos –OH libres, por lo que en

estas zonas es donde hay mayor absorción de agua mediante puentes de hidrógeno con estos

grupos –OH (Nuffield, 1984). En el Cuadro # se muestra las propiedades de la celulosa que

aumentan y disminuyen, debido a la cristalinidad de la misma.

Hemicelulosa:

La hemicelulosa es la más compleja de los polisacáridos estructurales, está conformada por xilosa,

manosa y galactosa principalmente. El grado de polimerización y cristalización son bajas, contiene

entre de 150 a 200 unidades .Tiene como función contribuir a consolidar la integridad estructural

de la madera y su rigidez. Es decir, tiene la función de matriz, revisten las microfibrillas de la

celulosa y cristalizan con ella. Por lo tanto, la hemicelulosa forma cadenas que atan la

microfibrillas de la celulosa juntas creando una cadena cohesiva, o en otras palabras actúan como

un revestimiento resbaladizo que impide el contacto directo entre las microfibrillas. Estas se unen,

por debido de la hemicelulosa, ara formar las fibrillas elementales, siendo esta estructura muy

sólida. Al contener en su estructura el grupo –OH, como se muestra en la Figura #, son también

hidrófilas y adherentes a barnices que posean grupos polares. Esta característica también le

permite mantener la hidratación de las paredes jóvenes. (Saccarello, 2010).

Figura #. Cristalinidad de la celulosa: A) Zona de ordenación cristalina en las fibras de celulosa. B)

Puentes de hidrógeno entre las moléculas de celulosa que dan lugar a las zonas ordenadas.

(Nuffield, 1984).

Figura #. Cadena principal presente en la hemicelulosa. (Pabón, 2004).

Lignina:

Es un polímero amorfo y presenta ramificaciones, está compuesta de unidades de fenil-propano.

La mayor parte de este componente se encuentra en la pared celular, donde se encuentra

incrustada (ver Figura #). Su estructura no se ha podido determinar con exactitud, pero se ha

identificado la presencia de grupos –OH capaces de fijar el agua, aunque en proporción muy

pequeña. Por lo que, al ser prácticamente impermeable, su función principal radica en proteger

las partes hidrófilas, la celulosa y hemicelulosa, mecánicamente más débiles cuando están

humedecidas, dándoles rigidez y les proporciona su resistencia a la compresión, mientras que la

celulosa es la responsable de la resistencia a la tensión. (Zanni, 2008).

Figura #. Imagen representativa de la pared celular de la madera.

Extractos

Químicamente son terpenos, poli fenoles, grasa, ceras, hidratos de carbono. Son compuestos

orgánicos complejos presentes en algunas maderas. Corresponden a sustancias ajenas a la pared

celular y pueden ser extraídas de la misma por medio de procedimientos químicos para fine

comerciales. Algunos de estos son: las ceras, grasas, azucares, caucho y resinas. Siendo las dos

últimas las de mayor valor.

El duramen del tronco generalmente contiene estos extractos, proporcionando un durabilidad

natural por ser tóxicos para insectos y microorganismos (Saccarello, 2010).

Organización de la pared celular

Fibrillas elementales, microfibrillas y fibras.

Con el fin de brindarle a la madera una gran resistencia, este material es de características

fibriliar. Las fibrillas elementales corresponden a la unidad básica supermolecular de la estructura

fibriliar de la pared de la célula. La cual está formada por cuarenta moléculas de celulosa. Al estar

en presencia de este componente, como ya se mencionó anteriormente, cuenta con presencia de

zonas cristalinas y zonas desordenadas. La distancia entre las moléculas de celulosa dentro de las

fibras elementales es menor a 3 Å, considerando que el diámetro de la molécula del aguas es de

3,2 Å, explica el porqué las moléculas de agua no pueden penetrar las fibrillas elementales.

Al unir, aproximadamente, ocho fibrillas elementales se obtienen las microfibrillas. En esta

estructura el agua si puede penetrar, ya que la distancia entre las fibrillas elementales es superior

al diámetro del agua, es por esta razón que son susceptibles a hincharse. Al unir 1500 microfibrillas

se obtiene la fibra, las cuales están dispuestas longitudinalmente. Forman parte de las diferentes

capas de la pared celular junto a la hemicelulosa y la lignina (Zanni, 2008). En la siguiente Figura se

muestra la ultraestructura de la pared celular de la madera explicada anteriormente.

Figura #. Ultraestructura de la pared celular de la madera. (Nuffield, 1984).

Constitución de la pared celular

La pared celular está formada por:

Lámina central o pared intercelular: Formada mayormente por lignina y hemicelulosa, presenta

propiedades iguales en todas direcciones.

Pared primaria: Contiene pequeñas cantidades de celulosa, aproximadamente 5%, tiene grandes

cantidades de hemicelulosa y proteínas. Es una capa muy delgada y no tiene orientación

estructural particular. Las microfibrillas están unidas entre ellas al azar y no existe una resistencia

particular. Las microfibrillas se encuentran entrelazadas en esta pared, en la Figura # se muestra

este comportamiento.

Pared secundaria: Está constituida por celulosa con pequeñas incrustaciones de lignina. En esta

pared la microfibrillas si cuentan con una orientación específica, están orientadas de

paralelamente (ver Figura #). Presenta tres capas bien definidas: la exterior, media e interna. La

exterior corresponde a una capa delgada, formada por varias láminas en la que la microfibrillas de

cada uno están orientadas helicoidalmente en ángulos opuestos de 70° y -90° con el eje de la

célula. Con respecto a la capa media, se puede decir que es la más gruesa de las tres capas de la

pared secundaria. Esta capa no presenta cruces en la orientación de la microfibrilla, formando un

ángulo inferior de 30° con el eje de la célula. La capa interna es la más delgada, en algunas

ocasiones esta capa no se encuentra presente (Zanni, 2008).

Figura #. A) Pared primaria (MEB) y B) Pared secundaria (MEB) (Saccarello, 2010).

Comportamiento de los sustituyentes de la pared celular

Al considerar todo lo expuesto anteriormente, se puede afirmar que la celulosa es el componente

elástico en la pared celular y presenta gran resistencia a la tracción. Además, al ser los puentes de

hidrógeno una unión fuerte ya al estar presente entre las moléculas de celulosa, hacen de esta el

principal componente estructural. Esto provoca que las zonas cristalinas de las fibrillas

elementales sean impenetrables por las moléculas de agua.

Por otra parte, la hemicelulosa al poseer una menor longitud de cadena provoca que sea menos

importante que a celulosa. Mantiene unidas las microfibrillas, como consecuencia se evita la

formación de grietas en la célula de la pared provocadas por esfuerzos sometidos a la madera. Por

ejemplo, torsión, flexión o compresión. Estos se debe a enlaces covalentes entre la lignina-

hemicelulosa y hemicelulosa-celulosa.

Considerando la estructura fibriar de la celulosa, la lignina cumple la función de cementar las

microfibrillas. Su presencia hace que estas trabajen en conjunto en el interior de la pared celular.

En el caso que no se cuente con este constituyente, las microfibrilas actúan por separado

provocando una disminución en la resistencia. También, la lignina es un protector de la hidrófila

celulosa, por lo que mitiga la considerable disminución de la resistencia de esta última al absorber

agua que actúa como lubricante entre las microfibrillas. En síntesis, la lignina: da resistencia a la

compresión, disminuye la higroscopicidad y le da rigidez a la estructura fibrilares de la célula

(Zanni, 2008).

Defectos de las maderas

Los defectos en las maderas son alteraciones que modifican su aspecto, la integridad de sus

tejidos, sus membranas celulares y la regularidad de su estructura. Se pueden clasificar en

degradaciones primarias, son las que se producen en el propio ciclo de vida, y las degradaciones

secundarias, generadas por factores externos (Zanni, 2008). Independientemente del tipo de

defecto que cause la imperfección, es importante conocer las irregularidades que afectan este

material, debido a que sus propiedades físicas, químicas y mecánicas se ven afectadas por las

mismas.

Degradaciones Primarias

Nudos

Corresponden al defecto más común en la madera. Se producen por la inserción de las ramas, que

en su zona de implante se da una desviación de la orientación de las fibras, generando que estas

se encuentre en dirección perpendicular al eje del árbol. Esto provoca que se modifique el aspecto

exterior de la madera, la homogeneidad de su estructura, y la integridad de este material. Los

nudos pueden clasificarse en:

Adherente: también llamado nudo vivo. En este tipo existe una ligazón entre los tejidos de la rama

que forman el nudo y el árbol. Es decir, existe una continuidad entre los tejidos del nodo y el

xilema (ver Figura #).

Saltadizo: también llamado nudo muerto. No existe ligazón alguna entre las fibras de la rama y el

árbol. Es decir, no hay continuidad entre los tejidos del nudo y el tronco. Es por esta razón que se

desprenden con facilidad (ver Figura #).

Nudo sano: cuando la madera no presenta rasgos de pudrición ni deterioro.

Nudo vicioso o enfermo: Corresponde al nudo cuya madera ha empezado un proceso de

putrefacción.

Como se mencionó anteriormente, en un nodo existe una falta de continuidad en las fibras por lo

que, si se trabaja a tracción, se va a ver influenciado por esta degradación ya que la madera

absorbe este tipo de esfuerzo por el trabajo solidario de todas las fibras (Zanni, 2008).

Figura #. Esquema de dos tipos de nudos en la madera: A) Adherente y B) Saltadizo (Araujo,

Azueta & Chan, 2002)

Excentricidad del corazón

Esta degradación ocurre cuando la anchura del crecimiento de los anillos se genera de forma

desigual dentro de una misma capa, repitiéndose este comportamiento a lo largo de los años. Este

no es un defecto importante, pero si presenta consecuencias. Una de ellas conlleva realizar un

esfuerzo disimétrico, lo cual obliga al árbol a producir un tipo de fibras diferentes de lo normales,

cuyas características están encaminadas a resistir el esfuerzo a que da lugar esta disimetría

decorativo (Martínez & Vignote, 2006 ). En la Figura # se ilustra este defecto.

Figura #. Excentricidad del corazón (Martínez & Vignote, 2006)

Fibra torcida

Este tipo de defecto consiste en una disposición desordenada de las fibras de la madera, donde las

externas crecen más que las internas por lo que, forman helicoides. El mismo se produce porque

las fibras no crecen en forma paralela al eje, sino en forma de hélice (ver Figura #). Dado que la

madera resiste muy bien los esfuerzos en dirección de la fibra y muy mal los esfuerzos de forma

perpendicular a la fibra, la fibra torcida trae una disminución de la madera en sentido axial

(Martínez & Vignote, 2006).

Figura #. Defecto en madera, fibra torcida (Martínez & Vignote, 2006)

Fibra entrelazada

Al igual que en la fibra torcida, estas no crecen de forma paralela al eje del árbol, sino que crecen

como un trenzado irregular. Una de las razones de su origen lo justifica un cambio acentuado de

dirección en la capa cambial o alguna herida en el árbol (por ejemplo las verrugas que son una

acumulación de gran nuero de yemas durmientes en una zona de la superficie del árbol). En

algunas maderas el efecto de la luz, da un gran valor decorativo (Martínez & Vignote, 2006).

Figura #. Madera con defecto en las fibras: A) en trazas con fibra entrelazada y B) aspecto de la

madera con fibras entrelazadas (Martínez & Vignote, 2006).

Fibra ondulada

Las fibras siguen una trayectoria paralela al eje del árbol, pero de forma ondulada. Puede

aparecer en una zona del tronco o en su totalidad. Si aparece sólo en una zona, es frecuente en

árboles con bifurcación. Si aparece en su totalidad, es un defecto característico de la especie

(encina en todos los individuos. Sólo en algunos pies: haya, chopo, abedul). Efectos: repelo en las

operaciones de cepillado, fresado y torneado. Se considera una cualidad porque es apreciado para

muebles y decoración (Martínez & Vignote, 2006).

Figura #. Madera con defecto en las fibras: A) en trozas con fibra ondulada y B) aspecto de la

madera con fibra ondulada (Martínez & Vignote, 2006).

Degradaciones Secundarias.

Como se mencionó anteriormente, estos defectos son los generados por factores externos. Tales

como: bacterias, organismos xilófagos, vertebrados terrestres. En el caso de las bacterias, son

menos frecuentes en el proceso de deterioro de la madera. Sin embargo, existen ciertas bacterias

capaces de degradar los elementos estructurales de la misma (celulosa, hemicelulosa y lignina),

por ejemplo la Pseudomonas y Achromobacter. Estas empiezan erosionando la pared celular,

atacando la pared secundaria de la misma, alterando la permeabilidad y estimulando el desarrollo

de otros microorganismos.

En cuanto a los insectos xilófagos tienden a destruir la estructura de la madera, mediante

perforaciones en la misma. La aparición esporádica de insectos no causa problemas en la madera.

Sin embargo, si se toma en cuenta su capacidad de reproducción, puede tornarse peligroso. Entre

estos insectos se puede mencionar: mariposas, polillas, escarabajos, hormigas blancas (causantes

un daño muy grandes en las maderas tropicales y subtropicales), etc (Zanni, 2008).