A humidity-buffering and visual indication wood substrate for preventive conservation of wooden cultural heritage

Resumen Técnico: Un sustrato de madera con amortiguación de humedad e indicación visual para la conservación preventiva del patrimonio cultural de madera

Planteamiento del problema
El patrimonio cultural de madera almacenado en depósitos de museos y vitrinas selladas enfrenta riesgos significativos debido a microambientes inestables de alta humedad, que incluyen hinchamiento, moho, degradación y agrietamiento. El control de la humedad actual depende en gran medida de dispositivos electromecánicos, los cuales consumen mucha energía, pueden responder lentamente y pueden perturbar reliquias frágiles mediante el flujo de aire. Además, los materiales existentes de función única o los indicadores químicos no logran proporcionar simultáneamente una amortiguación de humedad pasiva y un monitoreo visual seguro y sin contacto en espacios cerrados. Existe una falta crítica de sustratos ecológicos y de baja intervención que integren la regulación de humedad pasiva con la indicación visual de la humedad, particularmente aquellos que preserven la autenticidad y la estructura fibrosa de la madera.

Metodología
Este estudio empleó una estrategia de coimpregnación ultrasónica suave de baja temperatura para modificar los sustratos de madera. Se seleccionaron inicialmente tres especies de madera comercial—Cunninghamia lanceolata (abeto chino), Paulownia spp. y Populus spp. (álamo)—para identificar el sustrato óptimo basado en la estructura de los poros, la eficiencia de impregnación y la estabilidad dimensional.

• Selección del sustrato: El álamo fue seleccionado como el sustrato óptimo debido a su desempeño equilibrado en la impregnación uniforme y el hinchamiento controlable.
• Sistema de modificación: La madera fue impregnada con un solvente verde mixto (etanol anhidro y agua desionizada, pH ajustado a 4.5–5.5 con ácido cítrico) que contiene dos aditivos funcionales:
  • Glicerol: Para mejorar la respuesta a la humedad y la estabilidad dimensional mediante la higroscopicidad y el llenado de poros.
  • Antocianina de camote morado: Un pigmento natural sensible al pH que sirve como indicador de color visual para los cambios de humedad.
• Diseño experimental: El estudio utilizó experimentos preliminares, pruebas de un solo factor y experimentos ortogonales ($L_9(3^3)$) para optimizar la formulación. Las variables clave incluyeron la fracción de masa de glicerol, la fracción de masa de antocianina y el tiempo de impregnación.
• Métricas de evaluación: El desempeño se evaluó utilizando la ganancia de peso porcentual (WPG), el contenido de humedad de equilibrio (EMC), las tasas de cambio dimensional, la cinética de absorción de humedad dinámica y la diferencia de color total ($\Delta E^*_{ab}$) bajo alta humedad (80% HR).
• Caracterización: Se utilizaron la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y la Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR) para analizar los cambios microestructurales, la carga de componentes y los mecanismos de modificación. La durabilidad a largo plazo se evaluó mediante 60 días de envejecimiento de ciclos de mojado-secado.

Resultos clave

• Proceso óptimo: Los parámetros de modificación óptimos se determinaron en 22 % en peso de glicerol, 0.6 % en peso de antocianina y un tiempo de impregnación de 9 horas.
• Amortiguación de la humedad: Bajo las condiciones óptimas, la madera de álamo modificada exhibió una capacidad de absorción de humedad de 24 horas un 51 % mayor en comparación con la madera de álamo sin tratar. El material alcanzó el equilibrio de humedad más rápido (9 horas frente a 12 horas para la madera sin tratar) y demostró una mayor captación de humedad (35.0 ± 2.8 g/m²).
• Indicación visual: La madera modificada mostró un cambio de color reversible y sensible a la humedad. Al 80% de HR, la diferencia de color total ($\Delta E^*_{ab}$) se estabilizó en aproximadamente 3.01, lo que indica un oscurecimiento perceptible adecuado para el monitoreo visual. La respuesta de color fue rápida, estabilizándose antes de la saturación total de humedad.
• Estabilidad dimensional: La modificación mejoró la estabilidad dimensional; los especímenes tratados con 22 % en peso de glicerol mostraron una tasa de cambio dimensional tangencial un 4.8 % menor que los especímenes en blanco, restringiendo eficazmente la deformación por hinchamiento.
• Durabilidad: Después de 60 días de envejecimiento de ciclos de mojado-secado, el material retuvo aproximadamente el 80 % de su rendimiento inicial de indicación de color, con la diferencia de color total manteniéndose dentro de un rango estable (2.42–3.05).
• Mecanismo: El análisis SEM confirmó que la modificación estuvo gobernada por el llenado de poros y la formación de películas continuas dentro de los lúmenes celulares y los espacios intercelulares, sin dañar el esqueleto fibroso. El análisis FTIR reveló extensos enlaces de hidrógeno intermoleculares entre los grupos hidroxilo del glicerol/antocianina y los polímeros de la pared celular de la madera (celulosa/hemicelulosa), mientras que el esqueleto de polisacáridos permaneció intacto (sin degradación de la banda C=O de acetilo).

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo proporciona un sustrato de doble función y ambientalmente compatible que aborda las limitaciones de los materiales de conservación actuales. Al integrar la amortiguación pasiva de la humedad con la indicación visual en un solo material basado en madera, el sistema ofrece una solución para la conservación preventiva de baja intervención y bajo daño.

El estudio enfatiza que el proceso suave de baja temperatura preserva la estructura fibrosa natural y la autenticidad de la madera, alineándose con los principios de mínima intervención de la conservación del patrimonio. El material resultante se propone como un sustrato de control de humedad pasivo adecuado para vitrinas de exhibición de museos y protección contra la humedad interior para edificios residenciales y arquitectura antigua en regiones húmedas. Los autores señalan que, si bien el cambio de color es perceptible, es más adecuado para la observación de corto alcance en lugar de la detección remota, y el estudio actual se centró principalmente en la adsorción bajo condiciones de alta humedad. Se sugiere que trabajos futuros exploren los ciclos bidireccionales de adsorción-desorción y factores de envejecimiento más amplios.