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Polímeros ignífugos

Los polímeros ignífugos son polímeros resistentes a la degradación a altas temperaturas. Se necesitan polímeros resistentes al fuego en la construcción de espacios pequeños y ce...

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Los polímeros ignífugos son polímeros resistentes a la degradación a altas temperaturas. Se necesitan polímeros resistentes al fuego en la construcción de espacios pequeños y cerrados, como rascacielos, barcos y cabinas de aviones. [ 1 ] En estos espacios reducidos, la capacidad de escape en caso de incendio se ve comprometida, lo que aumenta el riesgo de incendio . De hecho, algunos estudios informan que alrededor del 20 % de las víctimas de accidentes aéreos mueren no por el accidente en sí, sino por los incendios subsiguientes . [ 2 ] Los polímeros ignífugos también se utilizan como adhesivos en materiales aeroespaciales, [ 3 ] como aislantes para componentes electrónicos , [ 3 ] y en materiales militares como lonas para tiendas de campaña. [ 4 ]

Algunos polímeros resistentes al fuego presentan de forma natural una resistencia intrínseca a la descomposición , mientras que otros se sintetizan incorporando aditivos y cargas resistentes al fuego. La investigación actual en el desarrollo de polímeros resistentes al fuego se centra en la modificación de diversas propiedades de los polímeros , como la facilidad de ignición , la velocidad de liberación de calor y la evolución del humo y los gases tóxicos. [ 1 ] Los métodos estándar para probar la inflamabilidad de los polímeros varían entre países; en Estados Unidos, las pruebas de fuego comunes incluyen la prueba de llama pequeña UL 94, el túnel Steiner ASTM E 84 y la cámara de humo del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ASTM E 622. [ 1 ] La investigación sobre el desarrollo de polímeros ignífugos con propiedades más deseables se concentra en la Universidad de Massachusetts Amherst y en la Administración Federal de Aviación, donde se inició en 1995 un programa de investigación a largo plazo sobre el desarrollo de polímeros ignífugos. El Centro de Investigación en Polímeros UMass/Industria (CUMIRP) se estableció en 1980 en Amherst, MA, como un grupo concentrado de científicos tanto del ámbito académico como industrial con el propósito de investigar la ciencia y la ingeniería de polímeros . [ 1 ]

Historia

Historia temprana

El control de la inflamabilidad de diferentes materiales ha sido objeto de interés desde el año 450 a. C., cuando los egipcios intentaron reducir la inflamabilidad de la madera sumergiéndola en sulfato de aluminio y potasio ( alumbre ). Entre el 450 a. C. y principios del siglo XX, otros materiales utilizados para reducir la inflamabilidad incluían mezclas de alumbre y vinagre ; arcilla y cabello ; arcilla y yeso ; alumbre , sulfato ferroso y yeso ; y cloruro de amonio , fosfato de amonio , bórax y diversos ácidos . Estos primeros intentos se aplicaron, por ejemplo, a la reducción de la inflamabilidad de la madera para materiales militares, cortinas de teatro y otros textiles. Entre los hitos importantes de este trabajo inicial se encuentran la primera patente para una mezcla para controlar la inflamabilidad, otorgada a Obadiah Wyld en 1735, [ 4 ] y la primera exploración científica del control de la inflamabilidad, llevada a cabo por Joseph Louis Gay-Lussac en 1821. [ 4 ]

Acontecimientos desde la Segunda Guerra Mundial

La investigación sobre polímeros ignífugos se vio impulsada por la necesidad de nuevos tipos de polímeros sintéticos durante la Segunda Guerra Mundial . Se descubrió que la combinación de una parafina halogenada y óxido de antimonio era eficaz como retardante de fuego para lonas de tiendas de campaña. La síntesis de polímeros , como los poliésteres , con monómeros ignífugos también se desarrolló en esa época. [ 5 ] La incorporación de aditivos resistentes al fuego en los polímeros se convirtió en una forma común y relativamente económica de reducir la inflamabilidad de los polímeros , [ 6 ] mientras que la síntesis de polímeros intrínsecamente resistentes al fuego ha seguido siendo una alternativa más costosa, aunque las propiedades de estos polímeros suelen ser más eficaces para prevenir la combustión . [ 4 ]

combustión de polímeros

Esquema mecanicista general

Los polímeros tradicionales se descomponen con el calor y producen materiales combustibles; por lo tanto, pueden originar y propagar fácilmente el fuego (como se muestra en la Figura 1).

Figura 1: Esquema general de la combustión de polímeros .

El proceso de combustión comienza cuando el calentamiento de un polímero produce compuestos volátiles . Si estos compuestos están suficientemente concentrados, dentro de los límites de inflamabilidad y a una temperatura superior a la de ignición, entonces se produce la combustión . Mientras el calor suministrado al polímero sea suficiente para mantener su descomposición térmica a una velocidad superior a la necesaria para alimentar la llama, la combustión continuará. [ 7 ]

Finalidad y métodos de los sistemas ignífugos

El objetivo es controlar el calor por debajo del nivel crítico. Para lograrlo, se puede crear un entorno endotérmico , producir productos no combustibles o añadir sustancias químicas que eliminen los radicales propagadores del fuego (H y OH), entre otras opciones. Estas sustancias químicas específicas pueden incorporarse a las moléculas del polímero de forma permanente (véase Polímeros intrínsecamente resistentes al fuego) o como aditivos y cargas (véase Aditivos y cargas ignífugos). [ 7 ]

Función del oxígeno

El oxígeno cataliza la pirólisis de polímeros a baja concentración e inicia la oxidación a alta concentración. Las concentraciones de transición varían según el polímero (por ejemplo, el polipropileno , entre el 5 % y el 15 %). Además, los polímeros presentan una relación estructural con el oxígeno . Algunas estructuras son intrínsecamente más sensibles a la descomposición al reaccionar con el oxígeno . El grado de acceso del oxígeno a la superficie del polímero también influye en su combustión . El oxígeno interactúa mejor con el polímero antes de que se inicie la llama. [ 7 ]

Papel de la velocidad de calentamiento

En la mayoría de los casos, los resultados obtenidos con una velocidad de calentamiento típica (por ejemplo, 10 °C/min para estudios de degradación termomecánica ) no difieren significativamente de los obtenidos con velocidades de calentamiento más altas. Sin embargo, la velocidad de calentamiento puede influir en el grado de reacción. Por ejemplo, algunas reacciones pueden no producirse con una velocidad de calentamiento baja debido a la evaporación de los productos. [ 7 ]

Papel de la presión

Los productos volátiles se eliminan de forma más eficiente a baja presión, lo que significa que la estabilidad del polímero podría haberse visto comprometida. La disminución de la presión también ralentiza la descomposición de los productos de alto punto de ebullición. [ 7 ]

Polímeros intrínsecamente resistentes al fuego

Los polímeros más eficaces para resistir la combustión son aquellos sintetizados como intrínsecamente resistentes al fuego. Sin embargo, la síntesis de este tipo de polímeros puede ser compleja y costosa. Modificar diferentes propiedades de los polímeros puede aumentar su resistencia intrínseca al fuego; el aumento de la rigidez , el uso de monómeros polares y/o la formación de enlaces de hidrógeno entre las cadenas poliméricas pueden mejorar dicha resistencia. [ 8 ]

Polímeros lineales de cadena simple con componentes aromáticos cíclicos.

La mayoría de los polímeros intrínsecamente resistentes al fuego se fabrican mediante la incorporación de ciclos aromáticos o heterociclos, que aportan rigidez y estabilidad a los polímeros . [ 9 ] Las poliimidas, los polibenzoxazoles (PBO), los polibenzimidazoles y los polibenztiazoles (PBT) son ejemplos de polímeros fabricados con heterociclos aromáticos (Figura 2).

Figura 2: Diferentes polímeros resistentes al fuego elaborados con heterociclos aromáticos.

Los polímeros elaborados con monómeros aromáticos tienden a condensarse en residuos carbonizados durante la combustión , lo que disminuye la cantidad de gas inflamable liberado. La síntesis de este tipo de polímeros generalmente emplea prepolímeros que reaccionan posteriormente para formar los polímeros resistentes al fuego . [ 10 ]

Polímeros en escalera

Los polímeros en escalera son una subclase de polímeros formados por ciclos aromáticos o heterociclos. Generalmente, los polímeros en escalera presentan uno de dos tipos de estructuras generales, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Dos estructuras representativas de diferentes tipos de polímeros en escalera .

Un tipo de polímero en escalera une dos cadenas poliméricas con enlaces covalentes periódicos . [ 11 ] En otro tipo, el polímero en escalera consiste en una sola cadena de doble hebra. Ambos tipos de polímeros en escalera presentan buena resistencia a la descomposición por calor porque las cadenas no necesariamente se rompen si se rompe un enlace covalente . Sin embargo, esto dificulta el procesamiento de los polímeros en escalera porque no se funden fácilmente. Estas dificultades se agravan porque los polímeros en escalera suelen ser muy insolubles .

Polímeros inorgánicos y semiorgánicos

Los polímeros inorgánicos y semiorgánicos suelen emplear monómeros de silicio - nitrógeno , boro - nitrógeno y fósforo - nitrógeno . Las características no combustibles de los componentes inorgánicos de estos polímeros contribuyen a su inflamabilidad controlada . Por ejemplo, en lugar de formar gases tóxicos e inflamables en abundancia, los polímeros preparados con la incorporación de anillos de ciclotrifosfazeno producen un alto rendimiento de carbonización tras la combustión . [ 3 ] Los polisialatos ( polímeros que contienen estructuras de aluminio , oxígeno y silicio ) son otro tipo de polímero inorgánico que puede ser térmicamente estable hasta temperaturas de 1300-1400 °C. [ 12 ] 

Aditivos y cargas ignífugas

Los aditivos se dividen en dos tipos básicos según la interacción del aditivo y el polímero . [ 1 ] Los retardantes de llama reactivos son compuestos que se incorporan químicamente al polímero . Suelen contener heteroátomos . Los retardantes de llama aditivos , por otro lado, son compuestos que no están unidos covalentemente al polímero ; el retardante de llama y el polímero simplemente se mezclan físicamente. Solo unos pocos elementos se utilizan ampliamente en este campo: aluminio , fósforo , nitrógeno , antimonio , cloro , bromo y, en aplicaciones específicas, magnesio , zinc y carbono . Una ventaja destacada de los retardantes de llama (FR) derivados de estos elementos es que son relativamente fáciles de fabricar. Se utilizan en cantidades importantes: en 2013, el consumo mundial de FR ascendió a alrededor de 1,8/2,1 millones de toneladas para 2013 con ventas de 4,9/5,2 mil millones de USD. Los estudios de mercado estiman que la demanda de FR aumentará entre un 5/7  % anual hasta alcanzar los 2,4/2,6 millones de toneladas hasta 2016/2018, con unas ventas estimadas de 6,1/7,1 mil millones de dólares estadounidenses. [ 13 ]

Los sistemas retardantes de llama más importantes utilizados actúan en la fase gaseosa, donde eliminan los radicales de alta energía H y OH de la llama, o en la fase sólida, donde protegen el polímero formando una capa carbonizada y, por lo tanto, lo protegen del ataque del oxígeno y el calor. [ 14 ] Los retardantes de llama basados ​​en bromo o cloro, así como varios compuestos de fósforo, actúan químicamente en la fase gaseosa y son muy eficientes. Otros solo actúan en la fase condensada, como los hidróxidos metálicos ( trihidrato de aluminio, o ATH , hidróxido de magnesio, o MDH , y boehmita ), óxidos y sales metálicas (borato de zinc y óxido de zinc, hidroxistannato de zinc), así como grafito expandible y algunos nanocompuestos (véase más adelante). Los compuestos de fósforo y nitrógeno también son eficaces en la fase condensada, y como también pueden actuar en la fase gaseosa, son retardantes de llama bastante eficientes. Se ofrecen resúmenes de las principales familias de retardantes de llama, su modo de acción y aplicaciones en [ 15 ] [ 16 ] . Otros manuales sobre estos temas son [ 17 ] [ 18 ]. Un buen ejemplo de un sistema retardante de llama a base de fósforo muy eficiente que actúa en las fases gaseosa y condensada es el dietilfosfinato de aluminio en combinación con sinergistas como el polifosfato de melamina (MPP) y otros. Estos fosfinatos se utilizan principalmente para retardar la llama de poliamidas (PA) y tereftalato de polibutileno (PBT) para aplicaciones de retardo de llama en ingeniería eléctrica/electrónica (E&E). [ 19 ]

Compuestos que contienen fibras naturales

Además de proporcionar propiedades mecánicas satisfactorias y ser renovables, las fibras naturales son más fáciles de obtener y mucho más económicas que los materiales sintéticos. Además, son más respetuosas con el medio ambiente. [ 20 ] Investigaciones recientes se centran en la aplicación de diferentes tipos de retardantes de llama durante el proceso de fabricación, así como en la aplicación de retardantes de llama (especialmente recubrimientos intumescentes ) en la etapa de acabado. [ 20 ]

Nanocompuestos

Los nanocompuestos se han convertido en un foco de interés en la investigación de polímeros ignífugos debido a su coste relativamente bajo y su gran flexibilidad para propiedades multifuncionales. [ 21 ] Gilman y sus colegas realizaron el trabajo pionero al demostrar la mejora de la resistencia al fuego mediante la incorporación de arcilla de montmorillonita nanodispersa en la matriz polimérica. Posteriormente, se demostró que las arcillas organomodificadas , las nanopartículas de TiO₂ , las nanopartículas de sílice , los hidróxidos dobles laminares , los nanotubos de carbono y los silsesquioxanos poliédricos también funcionan. [ 21 ] Investigaciones recientes han sugerido que la combinación de nanopartículas con retardantes de fuego tradicionales (p. ej., intumescentes ) o con un tratamiento superficial (p. ej., tratamiento con plasma) reduce eficazmente la inflamabilidad . [ 21 ]

Problemas con aditivos y rellenos

Aunque eficaces para reducir la inflamabilidad , los aditivos y cargas ignífugos también presentan desventajas. Su escasa compatibilidad, alta volatilidad y otros efectos nocivos pueden alterar las propiedades de los polímeros . Además, la adición de muchos retardantes de llama produce hollín y monóxido de carbono durante la combustión . Los materiales que contienen halógenos generan aún más preocupación por la contaminación ambiental . [ 1 ] [ 22 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 Zhang, H. Polímeros y compuestos poliméricos resistentes al fuego, informe técnico de la Administración Federal de Aviación; Departamento de Transporte de los Estados Unidos: Washington, DC, 2004.
  2. ↑ Sarkos, CP El efecto de los materiales de la cabina en la supervivencia a incendios posteriores a accidentes de aeronaves. Documentos técnicos de la Conferencia Técnica Anual de 1996, 54 (3), 3068-3071.
  3. 1 2 3 Kumar, D.; Gupta, AD; Khullar, M. Polímeros termoestables resistentes al calor basados ​​en un nuevo tetrakisaminofenoxiciclotrifosfazeno. J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem. 1993, 31 (11), 2739-2745.doi : 10.1002/pola.1993.080311109
  4. 1 2 3 4 Hindersinn, RR Aspectos históricos de la resistencia al fuego de los polímeros. En Fuego y polímeros: identificación y prevención de riesgos; Nelson, GL, Ed.; American Chemical Society: Washington, DC, 1990; pp. 87-96. ISSN 0097-6156 
  5. ↑ Robitschek, P.; Bean, CT Poliésteres resistentes a la llama a partir de hexaclorociclopentadieno. Ind. Eng. Chem. 1954, 46 (8), 1628-1632.doi : 10.1021/ie50536a034
  6. ↑ Connolly, WJ; Thornton, AM Relleno de hidrato de aluminio en sistemas de poliéster. Mod. Plastics 1965, 43 (2), 154-202.
  7. 1 2 3 4 5 Camino, G.; Costa, L.; Luda di Cortemiglia, MP Descripción general de los mecanismos retardantes de fuego. Polimero. Degradar. Estabilidad. 1991, 33 (2), 131-154.doi : 10.1016/0141-3910(91)90014-I
  8. ↑ Frazer, AH Polímeros resistentes a altas temperaturas; John Wiley & Sons: Nueva York, 1968.doi : 10.1002/aplicación.1969.070130822
  9. ↑ Mallakpour, SE; Hajipour, A.-R.; Mahdavian, A.-R.; Khoee, S. Síntesis y caracterización de nuevas poliimidas heterocíclicas ópticamente activas e ignífugas. J. Appli. Polym. Sci. 2000, 76 (2), 240-248. doi : 10.1002/(SICI)1097-4628(20000411)76:2 < 240::AID-APP13 > 3.0.CO ; 2-A
  10. ↑ Akinseye, TD; Harruna, II; Bota, KB Precursores procesables .4. Síntesis y caracterización de precursores procesables de poli(fenileno bixbenzoxazoles). Polymer 1997, 38 (10), 2507-2513.doi : 10.1016/S0032-3861(96)00778-1
  11. ↑ Sirkecioglu, O.; Tunca, AA; Talinli, N.; Akar, A. Polímeros tipo escalera a partir de compuestos dihidroxiaromáticos y dialdehídos. Angew. Makrom. Chem. 1999, 271 (1), 8-10. ISSN 0003-3146 
  12. ↑ Barbosa, VFF; MacKenzie, KJD; Thaumaturgo, C. Síntesis y caracterización de materiales basados ​​en polímeros inorgánicos de alúmina y sílice: polímeros de polisialato de sodio. Int. J. Inorg. Mater. 2000, 2 (4), 309-317. doi : 10.1016/S1466-6049(00)00041-6
  13. ↑ Troitzsch, JH. Retardantes de llama. Demandas e innovaciones. 5.ª Conferencia Internacional SKZ sobre Plásticos Retardantes de Llama, Shanghái, China, 21 de marzo de 2014.
  14. ↑ Lewin, M., Weil, E. Mecanismos y modos de acción en la ignifugación de polímeros, pág. 31 y ss., en Materiales ignífugos, Horrocks, R., Price, D. Ed., Woodhead Publishing, 2004
  15. ↑ Bourbigot, S., Le Bras, M. Retardantes de llama, pág. 133 y ss. y Eckel, T. Plásticos retardantes de llama, pág. 158 y ss. en Manual de inflamabilidad de plásticos, 3.ª ed., Troitzsch, J. Ed., Hanser Publishers, Múnich, 2004
  16. ↑ Weil, E., Levchik S. Retardantes de llama para plásticos y textiles. Aplicaciones prácticas. Hanser Publishers, Múnich, 2009.
  17. ↑ Wilkie, C., Morgan, A. Retardancia al fuego de materiales orgánicos, 2.ª ed., CRC Press, 2010
  18. ↑ Morgan, A., Wilkie, C. Manual de retardantes de llama no halogenados, Scrivener Publishing, Wiley, 2014 .
  19. ↑ Huang, KJ, Hörold, S., Dietz, M., Schmitt, E. Fosfinatos como retardantes de llama para plásticos en electrónica. 1.ª Conferencia Internacional SKZ sobre Plásticos Ignífugos, Shanghái, China, 21 de septiembre de 2009.
  20. 1 2 Kozlowski, R.; Wladyka-Przybylak, M. Inflamabilidad y resistencia al fuego de compuestos reforzados con fibras naturales. Polymer Advan. Technol. 2008, 19 (6), 446-453.doi : 10.1002/pat.1135
  21. 1 2 3 Bourbigot, S.; Duquesne, S.; Jama C. Nanocompuestos poliméricos: ¿Cómo lograr baja inflamabilidad? Macromol. Symp. 2006, 233 (1), 180-190.doi : 10.1002/masy.200650123
  22. ↑ Porter, D.; Metcalfe, E.; Thomas, MJK. Retardantes de fuego nanocompuestos: una revisión. Fire Mater. 2000, 24 (1), 45-52. doi : 10.1002/(SICI)1099-1018(200001/02)24:1 < 45::AID-FAM719 > 3.0.CO ; 2-S
  • Departamento de Seguridad contra Incendios de la Administración Federal de Aviación