Los polímeros ignífugos son polímeros resistentes a la degradación a altas temperaturas. Existe la necesidad de 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 escapar 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 no mueren por el accidente en sí, sino por los incendios resultantes . [2] Los polímeros ignífugos también encuentran aplicación como adhesivos en materiales aeroespaciales, [3] aislamiento paraelectrónica , [3] y en materiales militares como tiendas de lona. [4]
Algunos polímeros ignífugos exhiben naturalmente 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 a prueba de fuego se centra en modificar varias propiedades de los polímeros , como la facilidad de ignición , la velocidad de liberación de calor y la evolución de humo y gases tóxicos. [1] Los métodos estándar para probar la inflamabilidad de los polímeros varían de un país a otro; en los 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 Normas y Tecnología (NIST) ASTM E 622 . [1] La investigación sobre el desarrollo de polímeros a prueba de incendios con propiedades más deseables se concentra en la Universidad de Massachusetts Amherst y en la Administración Federal de Aviación, donde se inició un programa de investigación a largo plazo sobre el desarrollo de polímeros a prueba de incendios en 1995. The Center for UMass / Industry Research on Polymers (CUMIRP) se estableció en 1980 en Amherst, MA como un grupo concentrado de científicos tanto del mundo académico como de la industria con el propósito de la ciencia de los polímeros y la investigación en ingeniería. [1]
Historia
Historia temprana
El control de la inflamabilidad de diferentes materiales ha sido un tema 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 de diferentes materiales incluyeron 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 varios ácidos . Estos primeros intentos encontraron aplicación para reducir la inflamabilidad de la madera para materiales militares, cortinas de teatro y otros textiles, por ejemplo. Hitos importantes durante este trabajo inicial incluyen la primera patente de una mezcla para controlar la inflamabilidad expedida a Obadiah Wyld en 1735, [4] y la primera exploración científica del control de la inflamabilidad, que fue realizada por Joseph Louis Gay-Lussac en 1821. [4]
Desarrollos desde la Segunda Guerra Mundial
La investigación sobre polímeros retardantes del fuego se vio reforzada por la necesidad de nuevos tipos de polímeros sintéticos en la Segunda Guerra Mundial . Se descubrió que la combinación de una parafina halogenada y óxido de antimonio tiene éxito como retardante del fuego para carpas de lona. En esta época también se desarrolló la síntesis de polímeros , como los poliésteres , con monómeros ignífugos . [5] La incorporación de aditivos resistentes al fuego en los polímeros se convirtió en una forma común y relativamente barata de reducir la inflamabilidad de los polímeros , [6] mientras que la síntesis de polímeros intrínsecamente resistentes al fuego sigue siendo una alternativa más cara, aunque las propiedades de estos polímeros suelen ser más eficiente para disuadir la combustión . [4]
Combustión de polímero
Esquema mecanicista general
Los polímeros tradicionales se descomponen bajo el calor y producen productos combustibles; por lo tanto, pueden originar y propagar fácilmente el fuego (como se muestra en la Figura 1).
El proceso de combustión comienza cuando el calentamiento de un polímero produce productos volátiles . Si estos productos están suficientemente concentrados, dentro de los límites de inflamabilidad y a una temperatura por encima de la temperatura de ignición, entonces prosigue la combustión . Mientras el calor suministrado al polímero sea suficiente para mantener su descomposición térmica a una velocidad superior a la requerida para alimentar la llama, la combustión continuará. [7]
Propósito y métodos de los sistemas ignífugos.
El propósito es controlar el calor por debajo del nivel crítico. Para lograr esto, se puede crear un ambiente endotérmico , producir productos no combustibles o agregar químicos que eliminen los radicales que propagan el fuego (H y OH), por nombrar algunos. Estos productos químicos específicos se pueden agregar a las moléculas de polímero de forma permanente (consulte Polímeros intrínsecamente resistentes al fuego) o como aditivos y rellenos (consulte Aditivos y rellenos ignífugos). [7]
Papel del oxígeno
El oxígeno cataliza la pirólisis de polímeros a baja concentración e inicia la oxidación a alta concentración. Las concentraciones de transición son diferentes para diferentes polímeros . (por ejemplo, polipropileno , entre 5% y 15%). Además, los polímeros exhiben una relación estructural dependiente con el oxígeno . Algunas estructuras son intrínsecamente más sensibles a la descomposición al reaccionar con oxígeno . La cantidad de acceso que tiene el oxígeno a la superficie del polímero también juega un papel en la combustión del polímero . El oxígeno puede interactuar mejor con el polímero antes de que se encienda una llama. [7]
Papel de la tasa de calentamiento
En la mayoría de los casos, los resultados de una tasa de calentamiento típica (por ejemplo, 10 ℃ / min para estudios de degradación térmica mecánica ) no difieren significativamente de los obtenidos a tasas de calentamiento más altas. Sin embargo, la magnitud de la reacción puede verse influida por la velocidad de calentamiento. Por ejemplo, es posible que algunas reacciones no se produzcan con una velocidad de calentamiento baja debido a la evaporación de los productos. [7]
Papel de la presión
Los productos volátiles se eliminan de manera 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 que son más eficientes para resistir la combustión son aquellos que se sintetizan como intrínsecamente resistentes al fuego. Sin embargo, estos tipos de polímeros pueden ser difíciles y costosos de sintetizar. La modificación de diferentes propiedades de los polímeros puede aumentar su resistencia al fuego intrínseca; el aumento de la rigidez o rigidez , el uso de monómeros polares y / o la unión de hidrógeno entre las cadenas de polímero pueden mejorar la resistencia al fuego. [8]
Polímeros lineales monocatenarios con componentes aromáticos cíclicos
La mayoría de los polímeros intrínsecamente resistentes al fuego se fabrican mediante la incorporación de ciclos aromáticos o heterociclos, que confieren rigidez y estabilidad a los polímeros . [9] Las poliimidas, los polibenzoxazoles (PBO), los polibencimidazoles y los polibenztiazoles (PBT) son ejemplos de polímeros elaborados con heterociclos aromáticos (Figura 2).
Los polímeros elaborados con monómeros aromáticos tienen tendencia a condensarse en carbonatos durante la combustión , disminuyendo la cantidad de gas inflamable que se libera. Las síntesis de estos tipos de polímeros generalmente emplean prepolímeros que se hacen reaccionar adicionalmente para formar los polímeros resistentes al fuego . [10]
Polímeros de escalera
Los polímeros de escalera son una subclase de polímeros elaborados con ciclos aromáticos o heterociclos. Los polímeros de escalera generalmente tienen uno de dos tipos de estructuras generales, como se muestra en la Figura 3.
Un tipo de polímero en escalera une dos cadenas de polímero con enlaces covalentes periódicos . [11] En otro tipo, el polímero de escalera consiste en una cadena simple de doble hebra. Ambos tipos de polímeros en escalera exhiben buena resistencia a la descomposición por calor porque las cadenas no necesariamente se deshacen 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 ven agravadas porque los polímeros en escalera son a menudo muy insolubles .
Polímeros inorgánicos y semiorgánicos
Los polímeros inorgánicos y semiorgánicos a menudo emplean monómeros de silicio - nitrógeno , boro - nitrógeno y fósforo - nitrógeno . Las características de no combustión 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 ciclotrifosfaceno dan 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 retardantes de llama
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 retardadores 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 están utilizando ampliamente en este campo: aluminio , fósforo , nitrógeno , antimonio , cloro , bromo y, en aplicaciones específicas, magnesio , zinc y carbono . Una ventaja destacada de los retardadores 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 RF ascendió a alrededor de 1.8 / 2.1 Mio t para 2013 con ventas de 4.9 / 5.2 mil millones de dólares. Los estudios de mercado estiman que la demanda de RF aumentará entre 5/7% anual a 2.4 / 2.6 Mio t hasta 2016/2018 con ventas estimadas de 6.1 / 7.1 mil millones de USD. [13]
Los sistemas retardadores de llama más importantes utilizados actúan ya sea en la fase gaseosa donde eliminan los radicales de alta energía H y OH de la llama o en la fase sólida, donde protegen al polímero formando una capa carbonizada y así protegen al polímero de ser atacado. por oxígeno y calor. [14] Los retardantes de llama basados en bromo o cloro, así como una serie de compuestos de fósforo, actúan químicamente en la fase gaseosa y son muy eficientes. Otros solo actúan en la fase condensada como 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, hidroxiestanato de zinc), así como grafito expandible y algunos nanocomposites (ver más abajo). Los compuestos de fósforo y nitrógeno también son efectivos en la fase condensada y, como también pueden actuar en la fase gaseosa, son retardadores de llama bastante eficientes. Se dan descripciones generales de las principales familias de retardantes de llama, su modo de acción y aplicaciones. [15] [16] Otros manuales sobre estos temas son [17] [18] Un buen ejemplo de un sistema retardante de llama basado en fósforo muy eficiente que actúa en las fases gaseosa y condensada se encuentra el dietilfosfinato de aluminio junto con sinergistas como el polifosfato de melamina (MPP) y otros. Estos fosfinatos se utilizan principalmente para retardar la llama de poliamidas (PA) y polibutileno tereftalato (PBT) para aplicaciones retardantes de llama en ingeniería eléctrica / electrónica (E&E). [19]
Compuestos que contienen fibras naturales
Además de proporcionar propiedades mecánicas satisfactorias y renovabilidad, las fibras naturales son más fáciles de obtener y mucho más baratas que los materiales sintéticos. Además, son más respetuosos con el medio ambiente. [20] La investigación reciente se centra en la aplicación de diferentes tipos de retardantes de fuego durante el proceso de fabricación, así como en aplicaciones de retardantes de fuego (especialmente revestimientos intumescentes ) en la etapa de acabado. [20]
Nanocompuestos
Los nanocompuestos se han convertido en un punto clave en la investigación de polímeros resistentes al fuego debido a su costo relativamente bajo y su alta flexibilidad para propiedades multifuncionales. [21] Gilman y sus colegas hicieron el trabajo pionero al demostrar la mejora de la resistencia al fuego al tener arcilla de montmorillonita nanodispersada en la matriz del polímero. Más tarde, organomodificadas arcillas , TiO 2 nanopartículas , sílice nanopartículas , en capas hidróxidos dobles , los nanotubos de carbono y poliédricas silsesquioxanos se demostraron trabajo también. [21] Investigaciones recientes han sugerido que la combinación de nanopartículas con retardadores de fuego tradicionales (p. Ej., Intumescentes ) o con un tratamiento de superficie (p. Ej., Tratamiento con plasma) disminuye efectivamente la inflamabilidad . [21]
Problemas con aditivos y rellenos.
Aunque son eficaces para reducir la inflamabilidad , los aditivos y cargas retardantes de llama también tienen desventajas. Su escasa compatibilidad, alta volatilidad y otros efectos perjudiciales pueden cambiar las propiedades de los polímeros . Además, la adición de muchos retardadores del fuego produce hollín y monóxido de carbono durante la combustión . Los materiales que contienen halógenos causan aún más preocupaciones sobre la contaminación ambiental . [1] [22]
Ver también
- Plástica
- Ignifugo
- Resina de fenol formaldehído
- Pirólisis
- Combustión
- Gel ignífugo
- Prueba de fuego
Referencias
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enlaces externos
- Rama de seguridad contra incendios de la Administración Federal de Aviación