Inorgánicos a base de silicio
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Retardantes de llama inorgánicos a base de silicio
Dióxido de silicio (SiO2) (Sílice)
El dióxido de silicio, también conocido como sílice, es un óxido de silicio con la fórmula química SiO2. Se conoce desde la antigüedad. La sílice se encuentra más comúnmente en la naturaleza como arena o cuarzo, así como en las paredes celulares de las diatomeas. El gel de sílice, la sílice ahumada y fundida se probaron en diferentes polímeros como retardadores de llama. Un equilibrio entre la densidad, la superficie específica y la viscosidad de la masa fundida del polímero parece determinar si el aditivo migra a la superficie o se hunde a través del polímero fundido. La rapidez de la migración de un retardante de llama inorgánico, especialmente actuando como formador de carbón y / o promotor, es uno de los parámetros clave de eficacia. El aditivo debe migrar lo suficientemente rápido a la superficie para formar el carbón y la barrera rápidamente, de modo que se pueda formar la barrera entre el polímero no quemado y la llama. Lla sílice ahumada y el gel de sílice se acumulan en la superficie y forman un aislamiento térmico. Sin embargo, la sílice fundida permanece atrapada en la masa de polímero. E tiempo de ignición (TI) y el índice de comportamiento frente al fuego (FPI) aumentan con la incorporación de SiO2 en las formulaciones de etileno acetato de vinilo (EVA) / Mg(OH)2. Además, el SiO2 disminuyóe significativamente la tasa máxima de liberación de calor (pHRR) durante la combustión y los compuestos lograron una clasificación UL-94 V-0. SiO2 exhibe una buena sinergia y podría reemplazar parcialmente al Mg (OH)2 en formulaciones de EVA retardantes de llama libres de halógenos, especialmente para aplicaciones de cables. El efecto de la estructura del gel de sílice sobre las propiedades de inflamabilidad del polipropileno (PP) el uso de sílice de alto volumen de poros conduje a una reducción significativa de la HRR. No hay un efecto notable del tamaño de partícula sobre las propiedades de inflamabilidad, pero se observa un efecto notable de la concentración de silanol en la superficie. La reducción de la inflamabilidad a un volumen de poros de gel de sílice más alto por la posibilidad que ofrecen los poros más grandes de acomodar cadenas macromoleculares de PP o por el aumento de la viscosidad fundida durante la pirólisis, que puede atrapar o ralentizar la volatilización y la evolución de la degradación. productos durante el fuego. La incorporación de sílice de baja densidad y gran área superficial, como la sílice pirógena (140 y 255 m2 / g) y el gel de sílice (400 m2 / g) en polipropileno y óxido de polietileno redujo significativamente la tasa de liberación de calor y la masa Yy la tasa de pérdida. Mientras tanto, la adición de sílice fundida con un área superficial más baja no redujoe las propiedades de inflamabilidad tanto como las otras muestras de sílice. La sílice mostró sinergia en términos de retardo de la llama cuando se combinó con hidróxido de magnesio (MDH), borato de zinc y nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWNT) en poliolefinas.
Wollastonita
La wollastonita es un mineral natural y también se conoce como metasilicato de calcio. Tiene una forma de cristales en forma de aguja de color blanco puro, no hidratados. Las longitudes de las partículas suelen ser más grandes que los anchos en un factor de entre uno y dos, pero la relación de aspecto (diámetro dividido por espesor) puede ser mucho mayor, hasta 15. En consecuencia, la wollastonita, debido a su propiedad de refuerzo, puede competir con o sustituir parcialmente otras cargas y fibras de refuerzo, ya que su coste es competitivo. La wollastonita se utiliza en materiales compuestos para aumentar las propiedades mecánicas como la resistencia a la tracción, a la flexión y al impacto, así como para aumentar la estabilidad dimensional y minimizar la distorsión a temperaturas elevadas. La aplicación de wollastonita como retardante de llama en PDMS también ha sido patentada por varios autores. Las composiciones con menos de aproximadamente 5% en peso de wollastonita no exhiben una fuerte formación de carbón y una baja tasa de liberación de calor. La wollastonita modificada (con alcoxisilanos funcionales) mejora la retardancia de llama de PDMS añadiendo 3,5% en peso de wollastonita a 65% en peso de dimetilsiloxano terminado en dimetilvinilsiloxi. Esta formulación da como resultado una carbonilla ceramificada y una tasa de liberación de calor máxima reducida con buena cohesividad que se requiere para la aplicación del cable. La wollastonita reemplaza con éxito la fibra de vidrio fresada en la poliamida 6/66 y otras aleaciones de ingeniería para cumplir con los requisitos de propiedades retardantes de llama UL-94 V0.
Magadiita
La magadiita es un mineral de silicato de sodio hidratado blanco (NaSi7 O13(OH)3 · 4(H2O)) que precipita de las salmueras alcalinas como una fase de evaporita. Los silicatos de magadiita suelen tener un exceso de carga negativa, que se equilibra con los cationes intercambiables en el espacio de la galería. Es similar a la montmorillonita (MMT); la principal diferencia es que la montmorillonita es un aluminosilicato, mientras que la magadiita contiene solo silicato. Los estudios demostraron que se informó que la magadiita modificada orgánicamente es tan eficaz como o-MMT en aplicaciones de alambres y cables de EVA. A diferencia de la o-MMT, la o-Magadiita proporciona una excelente mejora en las propiedades mecánicas, pero no mejora la HHR en la PS.
Sepiolita
La sepiolita tiene una estructura cristalina que incorpora canales como la zeolita y es un mineral de arcilla, un silicato de magnesio complejo. La fórmula típica de la sepiolita es Mg4 Si6O15(OH)2 6H2O. El agua absorbida está unida por enlaces de hidrógeno en la superficie externa o dentro de los canales, llamados agua zeolítica y agua cristalina, respectivamente. Puede estar presente en formas fijas, de partículas finas y sólidas. El tamaño de las fibras varía ampliamente, pero en la mayoría de los casos tienen entre 10 y 5000 nm de largo, entre 10 y 30 nm de ancho y entre 5 y 10 nm de grosor. Se demostró que la sepiolita modificada es tan eficaz como la nanoarcilla en EVA en términos de pruebas de calorímetro de cono. A diferencia del MMT modificado orgánicamente, el carbonizado de una formulación de EVA que contiene sepiolita muestra mucho menos agrietamiento. Un sistema retardante de llama compuesto por sepiolita y un sistema IFR (polifosfato de amonio modificado con agentes de acoplamiento de aminosilano y combinado con melamina y dipentaeritritol) se procesó mediante mezcla en fusión para obtener resina PP retardante de llama. Los resultados de las evaluaciones de LOI y UL-94 mostraron que la sepiolita tuvo una influencia significativa en el retardo de la llama.
Caolín
El caolín es un mineral de arcilla en capas dioctaédrica 1:1 y su fórmula estructural es Al2Si2O5(OH). También se le llama arcilla china o tierra de porcelana y cada capa consta de una lámina tetraédrica en la que los átomos de silicio están coordinados tetraédricamente por átomos de oxígeno; y una hoja octaédrica donde los átomos de aluminio están coordinados octaédricamente a grupos hidroxilo y comparten el oxígeno apical de la hoja tetraédrica de sílice. Esta estructura típica de arcilla en el cristal de caolín indica que el caolín podría tener un retardo de llama similar al de la montmorillonita. Hay dos variedades de caolín, es decir el caolín natural (forma hidratada) y calcinado (forma anhidra). El caolín calcinado se obtiene calentando la arcilla por encima de 600°C; por tanto, esta variedad es más dura que el material hidratado. La adición de caolín calcinado (28% en peso) en PDMS mejora sus propiedades ignífugas y su resistencia. El PDMS que contiene caolín presenta una mayor pérdida de masa a una temperatura más baja en comparación con el PDMS solo.
Mica
Mica pertenece a un grupo de minerales de aluminosilicato caracterizados por una estructura en capas que se puede escindir para dar láminas delgadas y flexibles. Las clases de mica más comunes y disponibles comercialmente son la moscovita y la flogopita. La mica moscovita es aluminosilicato en capas 2:1 (KAl2(Si3 Al)O10(OH)2). Cada capa 2:1 consta de dos láminas de sílice tetraédricas intercaladas con una lámina octaédrica de alúmina de aproximadamente 1 nm de espesor. Dado que, en promedio, un átomo de Si de cada cuatro en las hojas tetraédricas es reemplazado por Al, las capas están cargadas negativamente. Estas cargas son compensadas por cationes entre capas, principalmente potasio, y las capas se mantienen juntas en pilas por fuerzas electrostáticas y de Van der Waals. La mica flogopita es un silicato de aluminio alcalino trioctaédrico (KMg3 (Si3Al)O10(OH)2). La flogopita tiene una estructura en capas de láminas de silicato de aluminio y magnesio unidas débilmente por capas de iones de potasio. Ambos tipos de mica se presentan típicamente en forma de placas delgadas o escamas con bordes bien definidos. La mica es químicamente inerte y térmicamente estable hasta 600°C donde tiene lugar la deshidroxilación. Puede usarse como extensor retardante de llama y promotor de carbonización. Imerys afirma que los niveles de carga de 30-35% en peso de polifosfato de amonio (APP), un sistema retardante de llama libre de halógenos para poliolefinas, comúnmente se requieren para cumplir con los requisitos de UL-94, como las clasificaciones V-0, y un tercio de APP podría ser reemplazado por mica que tenga el mismo rendimiento FR y mejores propiedades mecánicas. También se concluyó que a medida que disminuye el tamaño de las partículas, aumenta el área de la superficie, lo que proporciona mejores propiedades retardantes de llama. La mica también se utiliza en las formulaciones de cables retardadores de llama para aplicaciones eléctricas y electrónicas.
Talco
El talco es un silicato laminado de magnesio hidratado de origen natural, 3MgO · 4SiO2 · H2O. La hoja elemental está compuesta por una capa de magnesio-oxígeno/hidroxilo octaédrico, intercalada entre dos capas de silicio-oxígeno tetraédrico. Las superficies principales o basales de esta hoja elemental no contienen grupos hidroxilo ni iones activos, lo que explica su naturaleza hidrófoba e inercia. La mayoría de los talcos son de naturaleza laminar, son químicamente inertes, organofílicos y repelentes al agua en gran medida. El talco pierde progresivamente sus grupos hidroxilo por encima de los 900°C y, por encima de los 1050°C, se recristaliza en diferentes formas de enstatita (silicato de magnesio anhidro). El talco generalmente trabaja en sinergia con hidróxidos metálicos para mejorar la resistencia al fuego. El talco limita las emisiones de gases combustibles y la difusión de oxígeno mediante el efecto de la formación de espuma, lo que provoca una combustión retardada, crea un efecto de barrera física que limita la transferencia de calor y masa. Es un buen promotor de carbonización, mejora la cohesión de las cenizas y también genera menos humo.
Halloysita
Halloysita es un mineral de arcilla de aluminosilicato 1:1 con la fórmula empírica Al2Si2O5(OH)4 extraído de depósitos naturales. En términos de química, la halloysita es lo mismo que la caolinita, excepto que las láminas se enrollan en tubos. Las láminas asimétricas, cuando se enrollan, le dan al exterior del tubo una química similar a la silicona y al interior una química similar a la alúmina. Su baja densidad de hidroxilo en la superficie hace que sea más fácil de dispersar que otras nanoarcillas. La amplia aplicabilidad de la halloysita como retardante del fuego es una combinación de los siguientes efectos: • Libera agua por encima de 400ºC para apagar la llama • La descomposición endotérmica elimina el calor del fuego • Formación de carbón debido a la alta superficie • Sinergia con la fibra de vidrio mejora aún más la integridad del carbonizado • El lumen atrapa los productos de combustión volátiles El trabajo en halloysita en PET reforzado con fibra de vidrio reveló una sinergia entre halloysita y fibras de vidrio. Cuando se usó cualquiera de los refuerzos solo, las pruebas de FR produjeron un carbonizado de baja integridad. Sin embargo, la combinación de halloysita y vidrio produjo un carbón contiguo fuerte, que es beneficioso para el retardo del fuego. Esta sinergia entre la fibra de vidrio y la haloisita se confirmó recientemente en el polipropileno y se espera que se aplique a otros sistemas como la poliamida y el PBT, que son importantes termoplásticos comerciales. Los estudios de calorimetría de cono demostraron que la halloysita es eficaz para reducir la velocidad máxima de liberación de calor. En este caso, se representa PP, pero se ha visto lo mismo para EVA, LLDPE, EPDM y otras matrices de host. Halloysite funciona como un sinergista o incluso como un retardador de fuego independiente donde se puede lograr una clasificación V-0 en algunos casos. Para polímeros como el policarbonato que tienen algún grado de FR intrínseco, solo una pequeña adición de (<2% en peso) Halloysite puede llevar la clasificación de V-2 a V-0 mientras conserva buenas propiedades mecánicas. Los tubos huecos se pueden cargar con sinergista FR. Así, por ejemplo, los retardadores de fuego líquidos normalmente plastifican los polímeros haciendo que disminuyan la resistencia y el módulo. Añadiendo el FR líquido dentro de los tubos, se puede retener el efecto FR y reforzar el polímero. Halloysite podría funcionar como un retardador de llama independiente y también podría ser sinérgico con sistemas de fósforo, otros minerales y productos halogenados. Halloysite también podría ayudar a hacer frente a algunas de las desventajas de los retardadores de llama líquidos como el RDP utilizado en PC. Este tipo de aditivos son difíciles de dosificar y plastifican los plásticos, lo que provoca una pérdida de propiedades mecánicas. Cuando se mezclan retardadores de llama líquidos con halloysita, se pueden superar esas desventajas.