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Descripción anatómica y propiedades físicas…
D
escripción anatómica y
propiedades físicas y
mecánicas de la
madera de Lysiloma
acapulcensis (Kunth)
Benth. (Leguminosae).
V. S. Mondragón-Nogueza, M. A. Herrera-Ferreyrab, J. G. Rutiaga-Quiñonesc
a
Tesista de Maestría. bAsesor de tesis. cDirector de tesis.
Facultad de Ingeniería en Tecnología de la Madera.
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.
Apartado Postal 580. C. P. 58000 Morelia, Michoacán, México.
[email protected], [email protected], [email protected]
RESUMEN
En el presente estudio se determinaron las características anatómicas y las propiedades físicas y
mecánicas de la madera de Lysiloma acapulcensis (Kunth) Benth. (Leguminosae). El material de
estudio se obtuvo de un solo árbol colectado en el municipio de Arteaga, Michoacán, México. La
descripción anatómica se basó en las recomendaciones de la Asociación Internacional de
Anatomistas de la Madera (IAWA, por sus siglas en inglés). Las propiedades físicas y mecánicas
se efectuaron de acuerdo a la norma D 143-94 de los Métodos Estándar de Prueba Americanos
(ASTM, por sus siglas en inglés). La madera de L. acapulcensis presenta brillo medio, vetado
pronunciado, textura media, hilo recto, porosidad difusa y pared celular delgada. La densidad
básica es Muy alta y la contracción Media. El esfuerzo al límite de proporcionalidad (ELP), módulo
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de ruptura (MOR) y módulo de elasticidad (MOE) es Muy Alto, Excepcionalmente Alto y Medio,
respectivamente, en flexión estática. En compresión paralela a la fibra su ELP es Muy Alto, MOR
Excepcionalmente Alto. ELP Muy Alto en compresión perpendicular a la fibra. Dureza Janka Muy
Alta.
Palabras clave:
Madera tropical, porosidad difusa, densidad básica, flexión estática, dureza Janka.
ABSTRACT
The anatomical description and physical and mechanical properties wood of Lysiloma acapulcensis
(Kunth) Benth. (Leguminosae) are presented. The testing material was obtained from one tree
collected in the Arteaga municipality of the Michoacán State. In the anatomical description the
IAWA nomenclature was used. The physical and mechanical properties were determined according
to D 143-94 ASTM standards. L. acapulcensis wood had medium bright, attractive grain pattern,
straight grain, diffuse porous and thin cell wall. Its basic density is very high and its shrinkage is
medium. Static bending SPL, MOR and MOE is high, very high and medium, respectively.
Compression parallel to grain SPL is high, and MOR is very high. Compression perpendicular to
grain SPL is very high. Janka hardness is very high.
Key words:
Tropical wood, diffuse porous, basic density, static blending, Janka hardness.
INTRODUCCIÓN
Lysiloma acapulcensis (Kunth) Benth. [= Lysiloma demostachya (Kunth) Benth., = Lysiloma
jorullensis Britton & Rose (Leguminosae)] es una especie nativa de México y se encuentra en la
vertiente del Golfo, en los estados de Tamaulipas, San Luis Potosí, Hidalgo, Querétaro y en el
centro de Veracruz, en la sombra pluviométrica de la Sierra de Naolinco y en la depresión central
de Chiapas. Además, en la vertiente del Pacífico desde Sonora hasta Chiapas (De la Paz Pérez,
1993; Pennington y Sarukhán, 1998). En el Estado de Michoacán, el género Lysiloma se
encuentra en los municipios de Aguililla, Aquila, Arteaga, La Huacana, Tepalcatepec y Venustiano
Carranza (Espinosa y Rodríguez, 1996).
Lysiloma acapulcensis (tepeguaje, tepehuaje o tepemezquite son los nombres comunes usados
por los artesanos michoacanos) es una especie característica de vegetación secundaria y forma
parte de las selvas bajas caducifolias o medias caducifolias sobre suelos de origen ígneo o
metamórfico, encontrándose asociada con especies como: Acacia pennatula, Piscidia piscipula,
Cordia dodecandra y Enterolobium cyclocarpum; su distribución altitudinal va desde el nivel del
mar hasta 1700 msnm (Pennington y Sarukhán, 1998).
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L. acapulcensis es un árbol que llega a medir hasta 15 m de altura y alcanza un diámetro de hasta
de 75 cm (a la altura de 1.30 m del suelo). El tronco ligeramente torcido, con las ramas
horizontales, copa plana, redondeada y densa (Pennington y Sarukhán, 1998). Su madera se usa
localmente para leña, postes y para elaborar artesanías en Uruapan, Michoacán (De la Paz Pérez,
1993). Debido al poco conocimiento de sus propiedades tecnológicas, se emprende esta
investigación y en el presente trabajo se dan a conocer las características anatómicas y las
propiedades físico-mecánicas de la madera de L. acapulcensis.
METODOLOGÍA
Colecta y habilitación del material
El material de la especie se obtuvo de un árbol recolectado del predio denominado “El Chupadero”
del municipio de Arteaga, Michoacán, México, ubicado en las coordenadas 18° 21 LN y 102° 18´
LO a 919 msnm (INEGI, 2010).
El árbol presentó una altura total aproximada de 24 m y un diámetro de 0.40 m (a la altura de 1.30
m del suelo). El ejemplar botánico se depositó y registró en el Herbario de la Facultad de Biología
(Folio No. 16407) de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Las muestras de
madera de xiloteca se depositaron y registraron en la colección de maderas de la Facultad de
Ingeniería en Tecnología de la Madera de la misma Universidad.
El corte para el derribo del árbol se realizó a 0.30 m de altura del nivel del suelo. A partir de la
base del fuste se obtuvo una troza de 1.30 m de longitud para los estudios anatómicos y otra troza
más de 1.30 m para las pruebas físicas y mecánicas.
Estudios anatómicos
De una muestra de 1.00 m de longitud se obtuvieron tablillas longitudinales de 15x7x1 cm. Las
tablillas transversales se obtuvieron de una rodaja de 5 cm de espesor. Este material no sólo sirvió
para los estudios anatómicos, sino también se empleó para describir las características
macroscópicas usando las tablas de clasificación de Tortorelli (1956) y para determinar los
caracteres organolépticos, el color según las tablas de Munsell (1964), el olor, el sabor, el hilo, el
veteado, la textura, el brillo y la visibilidad de los elementos celulares. Los caracteres
macroscópicos se observaron a simple vista y con lupa de 10x.
De la otra rodaja de 5 cm de espesor se obtuvieron cubos de 2x2x2 cm, los cuales fueron
ablandados utilizando agua destilada en una autoclave a 7.5 kg/cm2 durante un total de 110 horas.
El material tratado fue cortado en secciones transversales, tangenciales y radiales de 20 a 30 µm
de espesor en un micrótomo de deslizamiento (Leitz). Los cortes obtenidos fueron decolorados
con una solución de hipoclorito de sodio 50 %, teñidos con verde yodo y pardo de Bismarck
durante 30 min y lavados con agua destilada. Luego los cortes teñidos fueron deshidratados en
una batería de etanol ascendente 50º (60 min), 60º (45 min), 70º (40 min), 80º (30 min), 96º (20
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min) y absoluto (5 min). Finalmente, fueron aclarados con xilol durante un minuto y montados en
portaobjetos con resina sintética, de acuerdo con la metodología descrita por Guridi-Gómez
(1998).
También se obtuvieron pequeñas virutas de la cara radial de los cubos. Éstas fueron utilizadas
para aplicar la técnica de disociado utilizando una mezcla de ácido acético glacial, ácido nítrico,
ácido láctico y glicerina (1:1:1:1) en baño María hasta la disociación total. Luego de eliminar la
mezcla de disociación, el material lavado con agua destilada y teñido con pardo de Bismarck, se
procedió a esparcir el material sobre el portaobjeto, para luego ser montado con resina sintética
(Guridi-Gómez, 1998).
La descripción anatómica fue realizada según las recomendaciones de la Asociación Internacional
de Anatomistas de la Madera (IAWA –por sus siglas en inglés-, 1989). Se tomó una muestra de 50
mediciones por cada caracter, utilizando un microscopio óptico (Binolux). Se determinaron los
parámetros principales de estadística descriptiva para cada caracter (valores máximo y mínimo,
coeficiente de variación, desviación estándar y media aritmética) y los elementos mensurables se
clasificaron tomando en cuenta la media aritmética.
Específicamente con los datos mensurables promedio de las fibras, se calcularon los índices de
calidad de pulpa para papel (rigidez, flexibilidad y relación de Runkel) (Villaseñor-Araiza y RutiagaQuiñones, 2000).
Propiedades físicas y mecánicas
De la troza de 1.30 m de longitud, tomada a 1.60 m del tocón, se obtuvieron las probetas que
fueron utilizadas en los ensayos para determinar las propiedades físicas, de acuerdo a la norma D
143-94 de la ASTM (2000), con excepción del número de individuos y del número de probetas. Por
ello, para cada parámetro estudiado se utilizó diferente número y tamaño de probetas: densidad
básica (10 probetas), contracción volumétrica (7 probetas), contracción radial (11 probetas) y
contracción tangencial (12 probetas).
Para la determinación de las propiedades mecánicas se procedió también según la norma D 14394 de la ASTM (2000), con excepción del número de individuos y del número de pruebas
ensayadas. Los ensayos se llevaron a cabo en una máquina universal de pruebas mecánicas de
10 000 kg de capacidad. De esta manera, se determinó la flexión estática (16 probetas),
compresión paralela a la fibra (24 probetas), compresión perpendicular a la fibra (11 probetas),
tensión perpendicular (14 probetas), resistencia a rajaduras (14 probetas), dureza Janka (11
probetas) y resistencia a la extracción de clavos (11 probetas). Las probetas se acondicionaron a
12 % de contenido de humedad.
Se obtuvieron los parámetros principales de estadística descriptiva: valores máximo y mínimo,
coeficiente de variación, desviación estándar y media aritmética; tomando en cuenta ésta última,
se realizó la clasificación de la madera en relación a sus propiedades físicas y mecánicas, de
acuerdo con Sotomayor-Castellanos (1987).
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RESULTADOS
Anatomía de la madera
Características organolépticas
La albura es de color castaño pálido (HUE 10Y 8/3), el duramen es de castaño intenso (HUE 7.5
YR 5/6), simbología según las tablas Munsell (1964) (Figura 1). El olor es característico y
agradable. El sabor no se percibe.
Figura 1. Rodaja de la madera de L. acapulcensis
Características macroscópicas
El hilo es recto, ligeramente entrecruzado. El veteado es pronunciado. La textura es media y el
brillo es medio (Figura 2).
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Figura 2. Tablillas de madera de L. acapulcensis
Corte tangencial (izquierdo), radial (derecho) y transversal (abajo)
No presenta zonas de crecimiento definidas, la porosidad es difusa, los poros se observan a
simple vista. Los rayos son visibles a simple vista en los cortes radial y transversal, y visibles sólo
con lupa en el corte tangencial.
Características microscópicas
El parénquima es marginal y paratraqueal vasicéntrico. Predominan los poros de forma ovalada,
siendo en menor grado de forma redonda e irregular. Estos son pequeños a grandes con un
promedio de 138.6 µm de diámetro con una densidad promedio de 7.3 poros/mm2. El arreglo es
solitario a múltiple radial de 4, 5, 6 y 7 poros, aunque predomina el orden de 4 y 6 células (Cuadro
1, Figura 3).
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Los elementos de vaso presentan placa perforada horizontal e inclinada, con perforación simple;
suelen contener sustancias extraíbles de color café oscuro (Figura 3) y tiene en promedio 180.1
µm de longitud. Sus puntuaciones son areoladas alternas.
Los rayos uniseriados con promedio de 5 células de altura, biseriados, triseriados y poliseriados de
5, 11 y 35 series, predominando los de 8, 9 y 25, siendo escasos los de una serie. Se consideran
bajos con promedio de 251.2 µm y de moderadamente angostos a medianos con promedio de 7
por mm. Respecto a su constitución son homogéneos y heterogéneos, además se observa una
tendencia a presentar un ligero estrangulamiento en su parte central (Figura 3).
Las fibras presentan arreglo irregular y tienen contornos redondos a ovalados, ocasionalmente
irregular, sus puntuaciones son libriformes, simples y pequeñas. La longitud promedio de las fibras
es de 968.7 µm y el diámetro promedio es de 13.1 µm. El espesor de su pared es de 2.8 µm,
considerándose delgadas (Figura 4). La amplitud del lumen es de 7.5 µm. En algunas fibras se
puede apreciar la presencia de cristales de forma romboidal (Figura 3).
En el Cuadro 2 se reporta la cantidad porcentual aproximada de sus elementos constitutivos y en
el Cuadro 3 se muestran los índices obtenidos de calidad de pulpa para papel.
Cuadro 1. Resultados y clasificación de los elementos mensurables
de la madera de L. acapulcensis.
CV
Máx
Mín
DE
MA
Clasificación
(%)
Poco
Abundancia de poros/mm2
17
3
43.8
3.2
7.3
numerosos
252.5
50.5
34.2
47.4
138.6
Medianos
Diámetro de vasos (µm)
Longitud de elemento de
383.8
80.8
34.5
62.1
180.1
Cortos
vaso (µm)
1,515.0
575.7
19.3
186.9
968.7
Medianas
Longitud de fibras (µm)
Grosor de pared de fibras
5.0
2.5
25.0
0.7
2.8
Delgada
(µm)
20.0
7.5
32.8
4.3
13.1
Gruesas
Diámetro de fibras (µm)
Poco
Abundancia de radios/mm
10
3
20.0
1.4
7.0
numerosos
575.7
50.5
58.9
147.9
251.2
Bajos
Altura de radios (µm)
60.6
10.1
36.7
12.5
34.2
Medianos
Ancho de los radios (µm)
Máx = Valor Máximo; Mín = Valor Mínimo; CV (%) = Coeficiente de Variación; DE = Desviación
Estándar; MA = Media Aritmética.
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Cuadro 2. Proporción de los elementos constitutivos de la madera de L. acapulcensis.
Elementos constitutivos
Poros
Parénquima leñoso
Parénquima radial
Fibras
%
15
12
5
68
Cuadro 3. Índices de calidad de pulpa para papel
de la madera de L. acapulcensis.
Índices
Rigidez
Flexibilidad
Runkel
Valor
0.40
0.60
0.74
Clasificación
Pared celular media
Buena para papel
Figura 3. Características microscópicas de la madera de L. acapulcensis.
Corte transversal (izquierda), tangencial (centro) y radial (derecha).
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Figura 4. Fibras y elemento de vaso de la madera de L. acapulcensis.
Propiedades físicas y mecánicas
En el Cuadro 4 se presentan los resultados de las propiedades físicas y en el Cuadro 5 se dan los
resultados de las propiedades mecánicas. En ambos casos, la clasificación es de acuerdo a
Sotomayor-Castellanos (1987).
CUADRO 4. Propiedades físicas de la madera de L. acapulcensis.
Propiedad
Máx
Mín
CV (%)
DE
MA
Clasificación
3
Densidad básica (gr/cm )
0.81
0.73
2.6
0.02
0.76
Muy alta
Contracción (%):
radial
6.7
1.1
35.9
1.4
3.9
Media
tangencial
9.4
3.3
27.6
1.6
5.8
Media
volumétrica
12.1
8.3
15.0
1.5
10.0
Media
Máx = Valor Máximo; Mín = Valor Mínimo; CV (%) = Coeficiente de Variación; DE = Desviación
Estándar; MA = Media Aritmética.
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CUADRO 5. Propiedades mecánicas de la madera de L. acapulcensis.
Ensayo
Propiedad
Flexión
estática
(kg/cm2)
ELP
MOR
MOE
1,242.3
1,366.9
143,850.8
655.4
850.5
88,804.7
18.4
13.2
14.4
825.3
151.7
1,161.1
153.6
16,151.3 112,241.1
Compresión
║ (kg/cm2)
ELP
MOR
MOE
776.6
852.7
110,088.5
84.9
510.6
21,958.9
22.6
13.3
34.7
128.9
90.0
24,103.4
570.7
675.3
69,505.1
ELP
295.6
266.6
3.6
10.0
277.9
Compresión
┴ (kg/cm2)
Tensión ┴
(kg/cm2)
Rajaduras
(kg/cm2)
Máx
Mín
CV (%)
DE
MA
Clasificación
Alta
Excepcionalmente
alta
Media
Alta
Excepcionalmente
alta
*
Muy alta
Esfuerzo
76.4
18.7
32.8
16.6
50.6
*
máximo
Esfuerzo
14.6
6.6
22.9
2.5
10.9
*
máximo
Promedio R/T
1,415.0
1,137.5
7.1
91.2
1,275.8
Dureza
Muy alta
Promedio
1,472.5
1,170.0
8.1
105.7
1,312.3
Janka (kg)
Muy alta
transversal
Extracción
Promedio R/T
238.5
167.8
10.1
22.2
219.1
de clavos
Promedio
*
245.5
164.5
11.8
24.9
210.6
(kg)
transversal
Máx = Valor máximo; Mín = Valor Mínimo; CV (%) = Coeficiente de Variación; DE = Desviación
Estándar; MA = Media Aritmética.
ELP = Esfuerzo al Límite de Proporcionalidad; MOR = Módulo de Ruptura; MOE = Módulo de
Elasticidad; ║ = Paralela a la Fibra; ┴ = Perpendicular a la Fibra; * = No se encontraron valores de
referencia.
Discusión
Al describir la madera de L. acapulcensis se observó que su albura es de color castaño claro y su
duramen de color castaño intenso, lo que en general coincide con lo reportado por De la Paz
Pérez (1993) y por Pennington y Sarukhán (1998). Asimismo, se encontró que el olor de la madera
estudiada es característico y débil, el sabor no se percibe, hilo recto tendiendo a ser entrecruzado,
veteado pronunciado en la cara tangencial y menos pronunciado en la radial, la textura media, el
brillo medio tendiendo a alto, coincidiendo con Cárdenas-Palomino (2002).
En relación a la descripción microscópica se encontró que esta madera presenta zonas de
crecimiento y su porosidad es difusa. Predominan los poros de forma ovalada, seguida por la
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redonda y la irregular: son de pequeños a grandes y poco numerosos, coincidiendo con De la Paz
Pérez (1993). En el Cuadro 1 se observan valores relativamente altos del coeficiente de variación
para los elementos mensurables de la madera estudiada, lo que refleja la variabilidad que existe
en este material y en general hay concordancia con datos reportados para otras maderas (Silva et
al., 1999; Giménez y López, 2002; Giménez, 2004).
Con respecto a los índices de calidad de pulpa calculados, las fibras de la madera estudiada se
clasifican como Buena calidad para papel. Pero, aun cuando la clasificación corresponde a Buena,
no se recomendaría dicha madera para obtención de pulpa para papel debido al color de su
duramen, que generalmente se asocia a un alto contenido de sustancias extraíbles, sustancias
que suelen ocasionar problemas en el proceso de pulpeo (Libby, 1980).
El valor promedio de la densidad de la madera que se determinó en este estudio fue de 0.76 g/cm3
(Cuadro 4), valor que se encuentra dentro del rango (0.71-0.89 g/cm3) que reporta SotomayorCastellanos (1987) y Echenique-Manrique y Plumptre (1994) (0.71-0.85 g/cm3), correspondiendo
en ambos rangos a la clasificación de Muy alta. Pero este valor aquí encontrado (0.76 g/cm3) es
mayor al reportado (0.52 g/cm3) por Bárcenas-Pazos (1995) (madera de L. acapulcensis colectada
en la Selva Lacandona de Chiapas) y a otro dado a conocer (0.67 g/cm3) por Herrera-Ferreyra y
Bocanegra-Ojeda (1996) y menor al que reporta (0.94 g/cm3) Cárdenas-Palomino (2002). La
diferencia en estos valores pudiera atribuirse a la edad del árbol, lugar de colecta, o a la zona de
toma de muestra dentro del árbol, como también lo sugieren Panshin y de Zeeuw (1964).
La contracción radial, tangencial y volumétrica promedio de la madera en estudio es de 3.9 %, 5.8
% y 10.0 %, respectivamente (Cuadro 4), quedando dentro de la clasificación de contracción
Media (Echenique-Manrique y Plumptre, 1995), coincidiendo con lo reportado por Herrera-Ferreyra
y Bocanegra-Ojeda (1996), y tomando en cuenta la clasificación de Sotomayor-Castellanos (1987)
para la contracción: los resultados encontrados también la sitúan en la clasificación de Media, pero
Bárcenas-Pazos (1995) reporta valores de contracción menores para esta misma especie de
Chiapas, lo que deja de manifiesto la variabilidad que en la madera se puede encontrar, como se
ha señalado con anterioridad.
En relación a las propiedades mecánicas, los valores encontrados en este estudio (Cuadro 5) son
mayores a los reportados por Bárcenas-Pazos (1995) para la madera de la misma especie
colectada en el Estado de Chiapas, lo que se puede explicar con la baja densidad (0.52 g/cm3) de
dicha madera que en ese estudio se determinó. Una comparación con otra especie de la misma
familia Leguminosae, Andira inermis, a la cual le determinaron ensayos mecánicos también a un
C. H. de 12 % (Téllez-Sánchez et al., 2009), indica que presenta propiedades mecánicas
semejantes a la madera aquí estudiada, con un valor de densidad también muy cercano (0.71
g/cm3) al aquí obtenido para L. acapulcensis (0.76 g/cm3), ambas clasificadas como densidad Muy
Alta.
Con respecto a dureza Janka la madera en estudio presenta valores de 1,275.8 kg promedio R/T
(lateral) y el valor de los extremos (promedio transversal) es de 1,312.27 kg (Cuadro 5), cuya
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clasificación según Sotomayor-Castellanos (1987) es Excepcionalmente Alta y de acuerdo con
Echenique-Manrique y Plumptre (1995), corresponde a Alta. Herrera-Ferreyra y Bocanegra-Ojeda
(1986) reportan valores para la misma especie de dureza Janka radial de 1,219.2 kg, tangencial de
1,226.7 kg y transversal de 1,366.7 kg, que son muy semejantes a los encontrados en el presente
estudio, pero menores a los reportados por Bárcenas-Pazos (1995).
Los resultados obtenidos en este estudio muestran la relación existente entre la estructura
anatómica y las propiedades físicas y mecánicas de la madera de L. acapulcensis. Así, una alta
densidad de la madera influye en alta resistencia mecánica y valores altos de los módulos de
elasticidad, concordando con reportes de la literatura (Stamm, 1964; Fengel y Grosser, 1976;
Bowyer et al., 2003;; Vignote-Peña y Jiménez-Peris, 2005; Bárcenas-Pazos et al., 2005).
AGRADECIMIENTOS
Nuestro agradecimiento a la Coordinación de la Investigación Científica de la Universidad
Michoacana de San Nicolás de Hidalgo el apoyo al Proyecto CIC-21.3-JGRQ, dentro del cual se
realizó la presente investigación. Igualmente a la Ing. Teresa García Moreno y M. C. Teresa
Sánchez Vargas, su apoyo en el Laboratorio de Anatomía de la Madera y en el Laboratorio de
Física y Mecánica de la Madera, respectivamente, de la Facultad de Ingeniería en Tecnología de
la Madera, respectivamente.
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