Mecanismo de intumescencia
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Retardantes de llama intumescentes
En los últimos años, los retardantes de llama intumescentes se han utilizado ampliamente en muchas industrias por su tecnología "verde" y porque pueden reemplazar fácilmente los tipos halogenados estándar de la industria.
FR intumescentes basados en fósforo
Los sistemas FR basados en fósforo basados en sales de fosfato pueden ser útiles en poliolefinas FR. Los P-FR se descomponen en el calor para producir una espuma intumescente y en expansión carbonizada en la superficie del plástico en llamas, que aísla el plástico subyacente de una combustión adicional. Dado que la combustión de PP es más un proceso de oxidación superficial que el de PE, los FR intumescentes son más adecuados para PP que para PE. Estos sistemas FR pueden ser tan efectivos como los sistemas FR halogenados y, por lo tanto, son sus principales competidores. Suprimen mejor el humo y no tienen el subproducto corrosivo ni los problemas de interferencia del estabilizador UV de los H-FR. Su flexibilidad ha hecho que sus formuladores se concentren en reducir sus limitaciones típicas, como la baja temperatura de descomposición, las altas tasas de carga y la extracción de agua
Mecanismo de intumescencia
El mecanismo de intumescencia opera tanto en la fase sólida como en la fase gaseosa. Los sistemas intumescentes se hinchan para producir espumas. La acción en fase sólida es muy similar a la del mecanismo de carbón, ya que se produce una reacción endotérmica que causa la formación de una capa de carbono "protectora" en la superficie del polímero; en particular, el tipo de reacción es similar al del mecanismo de carbón y, por lo tanto, se forma un ácido inorgánico y el material se deshidrata. La diferencia sustancial con respecto al mecanismo de carbón se debe a los compuestos que contienen nitrógeno presentes en el retardante de llama; Al calentar, las moléculas que contienen nitrógeno se degradan y liberan amoníaco que, al reaccionar con el oxígeno, forma nitrógeno y vapor de agua. El nitrógeno gaseoso actúa como un agente espumante y, por lo tanto, tiende a hinchar el carbón, por lo tanto, aumenta su volumen. El grosor de la capa de carbono también puede aumentar 100 veces en comparación con el original. Además, el gas nitrógeno es inerte y, por lo tanto, diluye los vapores combustibles presentes en la fase gaseosa. Básicamente, los sistemas ignífugos intumescentes consisten en lo siguiente:
- Donantes de "carbono" (por ejemplo, polialcoholes como almidón, pentaeritritol)
- Donantes ácidos (por ejemplo, polifosfato de amonio)
- Compuestos espumosos (por ejemplo, melamina)
Ventajas : alta versatilidad en comparación con aditivos libres de halógeno y carbón
Desventajas : a veces dosis altas, propiedades mecánicas comprometidas, difícil trabajabilidad, higroscópico
Polifosfato de amonio (APP)
El polifosfato de amonio es una sal cristalina e inorgánica que se funde a aprox. 275°C y se descompone a 300°C bajo la liberación de amoníaco. A un nivel de polimerización de aproximadamente = 1000, un peso molecular de ca. Se alcanzan 100,000 Dalton. Es CasNo. es 68333-79-9. Este retardante de llama, usado principalmente para poliuretano y recubrimientos intumescentes, se aplica actualmente como solución líquida, mezclada con carbamida. El óxido de nitrógeno y el amoníaco en diversas relaciones de concentración, así como el óxido de fósforo, se forman a partir de plásticos que contienen APP en caso de incendio y durante la combustión de residuos. El polifosfato de amonio (APP) se utiliza principalmente como aditivo ignífugo para Poliuretano y revestimiento intumescente.
Mecanismos del fósforo
El fósforo puede adoptar múltiples estados de oxidación, lo que dificulta resumir los mecanismos de varios compuestos P-FR. Generalmente, estos FR se activan cuando el polímero comienza a descomponerse por el calor, lo que lleva a reacciones que forman una superficie carbonizada y espumada. Por su espesor y calidad aislante, el carbón bloquea la liberación de humo, calor, gases de combustión y otros gases de escape. Esta intumescencia es especialmente útil en aplicaciones electrónicas donde las partes cercanas podrían ser susceptibles de quemarse o dañarse. Además, los P-FR no interfieren con los estabilizadores de luz HALS como lo hacen los FR halogenados. Se utilizan varios P-FR en los principales polímeros de importancia comercial. En el caso de las poliolefinas y otros polímeros, el componente iniciador de carbonización recibe la ayuda de sinergistas que promueven la formación de espuma y la reticulación. Las siguientes tres funcionalidades críticas se requieren típicamente en cada paquete de P-FR: • una fuente de ácido, como polifosfato de amonio, para iniciar la carbonización sobre la superficie del polímero; • un promotor de carbonilla y reticulante, a menudo pentaeritritol; • un agente de expansión, a menudo melamina u otros compuestos nitrogenados, que expande la espuma de carbón celular. Para suprimir aún más la combustión, se puede usar un alcohol polihídrico (poliol) en los sistemas de aditivos para formar agua durante la descomposición. Las cargas de P-FR varían del 20% al 35% para cumplir con el rendimiento UL94 V-0 o 5VA. Aproximadamente el 20% de carga es típicamente la "masa crítica" requerida para elevar la resistencia a la llama UL94 del PP por encima de "no clasificable" a V-0. A veces, la carga debe ser mayor. Por ejemplo, se requiere un P-FR muy utilizado en PP, fosfato de etil diamina (EDAP), con cargas de 30% a 40% para una calificación de prueba de combustión vertical UL94 V-0. (El EDAP debe usarse con una carga lo suficientemente alta para evitar goteos con llamas durante la prueba). Una tasa de carga adecuada depende del grosor de la pieza, los rellenos, otros aditivos, las propiedades de flujo de fusión deseadas y otros factores. Los P-FR producen efectos químicos y mecánicos negativos en la resina, lo que limita sus aplicaciones. Por lo general, no se usan en aplicaciones delgadas o en aplicaciones de manejo de agua debido a su solubilidad y tendencias de extracción. Además, al igual que con los FR minerales, los P-FR tienden a aumentar el módulo y la temperatura de deflexión térmica, al tiempo que reducen la resistencia al impacto y otras mecánicas.
Problemas para mejorar los FR de fósforo
Debido a su naturaleza de baja densidad y libre de halógenos, la tecnología P-FR ha experimentado un gran desarrollo a lo largo de los años. Se han realizado avances en el aumento de las temperaturas de procesamiento, la reducción de las tasas de carga y la reducción de la absorción de agua y la extracción de FR. Por ejemplo, se han informado mejoras en la resistencia al agua para P-FR intumescentes basados en sinergistas de polifosfato de amonio y nitrógeno. Según se informa, los FR Budit de Budenheim se han dirigido a cables, tubos y tuberías de pared delgada de polietileno de alta densidad que están expuestos al agua, manteniendo el rendimiento de FR incluso después de sumergirlos en agua a 70°C. Otros problemas que se han abordado involucran el procesamiento de grados PP / P-FR para aumentar el flujo de la masa fundida y reducir la presión de la masa fundida. Varios modificadores y rellenos en la resina pueden reducir la eficiencia del P-FR, interfiriendo con la intumescencia y, por lo tanto, requiriendo niveles más altos de P-FR. Los copolímeros de PP generalmente requieren cargas de P-FR más altas que los homopolímeros. Y la investigación ha abordado las malas propiedades mecánicas causadas por la escasa compatibilidad entre el PP isotáctico y el pentaeritritol con la adición de polietilenglicol como sinergista para mejorar la resistencia al impacto y la resistencia al impacto.