Soluciones retardantes de llama para plásticos modificados (Parte 1): características del producto + escenarios de aplicación, explicados en un artículo
Los retardantes de llama son compuestos que se añaden a los plásticos para frenar la propagación del fuego. Se utilizan ampliamente en componentes electrónicos y eléctricos, alambres y cables, construcción, electrodomésticos y otros campos.
Para evitar la combustión, los polímeros deben poseer estabilidad térmica, lo que significa que deben tener una baja probabilidad de descomponerse en gases inflamables bajo estrés térmico. Sin embargo, los polímeros con alta estabilidad térmica suelen tener limitaciones de rendimiento, ya que son demasiado costosos o difíciles de procesar.
Se puede impartir retardo de llama a los plásticos añadiendo varios retardantes de llama. Actualmente, existen múltiples retardantes de llama comerciales disponibles en el mercado. Seleccionar la mejor solución técnica para una aplicación específica puede resultar todo un desafío.
Esta guía le ayudará a comprender cómo elegir el retardante de llama adecuado para su aplicación objetivo y le presentará los criterios que debe tener en cuenta a la hora de tomar la decisión correcta.
I. El papel de los retardantes de llama en los plásticos
Debido a su naturaleza orgánica, los polímeros a menudo actúan como combustible en los incendios y se descomponen en productos combustibles cuando se calientan. A pesar de sus muchas ventajas, la inflamabilidad de los polímeros limita sus aplicaciones en muchos campos como la electricidad y la electrónica, el transporte y la construcción.
II. Tipos de retardantes de llama (Parte 1)
Existen varias categorías químicas importantes de retardantes de llama que se utilizan con polímeros, por ejemplo:
Retardantes de llama halogenados (incluidos compuestos bromados y clorados)
Retardantes de llama a base de fósforo (incluidos compuestos orgánicos de fósforo y fósforo rojo)
Retardantes de llama de hidróxido metálico (incluidos hidróxido de aluminio e hidróxido de magnesio)
Retardantes de llama a base de melamina
Retardantes de llama a base de silicio
Aparte de estas categorías químicas, existen otros retardantes de llama que pueden incorporarse a los polímeros. Se pueden clasificar en retardantes de llama aditivos y reactivos. Estos dos tipos pueden afectar propiedades similares (como viscosidad, flexibilidad, densidad, etc.) en diferentes polímeros. La siguiente tabla enumera algunas características de los retardantes de llama reactivos y aditivos.
1. Retardantes de llama bromados Los
retardantes de llama bromados (BFR) son la clase de retardantes de llama más comúnmente utilizada en la actualidad. Este tipo de retardante de llama es muy versátil y ofrece el mejor equilibrio entre rendimiento retardante de llama, propiedades mecánicas, procesabilidad y costo.
Los retardantes de llama bromados industriales se producen bromando bisfenol A. Esta reacción se lleva a cabo en presencia de un disolvente, por ejemplo:
La combinación de retardantes de llama bromados con minerales ayuda a mejorar las propiedades mecánicas, reduce la opacidad y la corrosividad del humo generado durante la combustión y ayuda a mitigar los riesgos ambientales derivados del humo de la incineración. Proporcionan soluciones eficaces que cumplen con los requisitos reglamentarios y ofrecen un rendimiento excelente para los productos.
2. Retardantes de llama clorados
Los compuestos clorados son moléculas que contienen una alta concentración de cloro y actúan principalmente químicamente en la fase gaseosa. Suelen utilizarse en combinación con trióxido de antimonio como sinérgico.
Los compuestos clorados se pueden dividir en términos generales en dos categorías principales:
Es necesario considerar varios parámetros al seleccionar compuestos clorados, incluido el contenido de cloro, la estabilidad térmica, la volatilidad y la forma física.
Parafinas Cloradas:
La estructura general de las resinas cloradas es:
C x H(2x+2-y) Cl y
Dependiendo de la longitud de la cadena de parafina, se encuentran disponibles diversos productos de resina clorada. Los grados líquidos se producen a partir de parafinas de cadena corta, mientras que los grados sólidos con un contenido de cloro del 70 al 72 % se producen a partir de ceras de alto peso molecular.
Una aplicación clave de las parafinas cloradas es como plastificante para PVC flexible en combinación con DOP o DINP, utilizado en pisos, cables, etc., para mejorar las propiedades retardantes de llama.
Los tipos sólidos con alto contenido de cloro se utilizan en termoplásticos, por ejemplo, combinados con trióxido de antimonio para el revestimiento de cables CTI en LDPE.
Alquilfosfatos clorados:
La molécula más común es:
Estos productos se utilizan principalmente en espumas de poliuretano rígidas y flexibles, con concentraciones de adición típicas que oscilan entre el 5% y el 15%, según la densidad de la espuma y la severidad de la prueba. Ejemplos de estándares de retardo de llama que se pueden lograr utilizando productos de fósforo clorado: espuma flexible BS4735, espuma rígida BS 476, NFP92-501, DIN 4102.
Compuestos alicíclicos clorados :
El dodecaclorodimetanodibenzo ciclooctano es una molécula disponible comercialmente. Sus principales ventajas incluyen:
Resistencia a altas temperaturas (hasta 320°C)
Buena resistencia al envejecimiento UV
Producto no plastificante
Actúa como relleno insoluble y no florece.
Valor CTI superior a 400°C en nailon ignífugo
Baja generación de humo
Baja densidad y rentable
Este producto se puede utilizar en varios polímeros, incluidos poliamidas, poliolefinas y polipropileno , y se puede combinar con varios sinergistas como trióxido de antimonio y borato de zinc.
3. Retardantes de llama orgánicos a base de fósforo
Los compuestos de fósforo orgánico son una de las principales categorías de retardantes de llama para termoplásticos y espumas de poliuretano, e incluyen principalmente fosfatos y fosfonatos. También pueden incluir compuestos de fósforo-halógeno y mezclas de fósforo con retardantes de llama halogenados (retardantes de llama bromados). Las aleaciones termoplásticas como PC/ABS y PPO/HIPS a menudo deben cumplir estrictos estándares de retardo de llama como UL94 V0. Los retardantes de llama a base de fosfato funcionan bien en estas resinas y ofrecen buenas propiedades físicas y estabilidad a los rayos UV.
En muchas aplicaciones, las espumas de PU rígidas y flexibles deben presentar un cierto grado de retardo de llama para pasar pruebas nacionales específicas de inflamabilidad. Los retardantes de llama a base de fósforo (tanto halogenados (fosfatos clorados) como no halogenados) se utilizan ampliamente en estas aplicaciones y se consideran opciones ideales que ofrecen un equilibrio entre buena procesabilidad, retardo de llama y propiedades físicas. En algunos casos, particularmente cuando se requiere un bajo nivel de quemado, se utilizan mezclas de fósforo y bromo.
Los productores de espuma de poliuretano pueden elegir entre aditivos reactivos y retardantes de llama a base de fósforo halogenados y no halogenados según la aplicación final, los requisitos clave y los estándares de retardo de llama que deben cumplirse. Estas opciones brindan flexibilidad para satisfacer las demandas del mercado en cuanto a rendimiento, compatibilidad, eficiencia, propiedades físicas, procesabilidad y costo.
Existen en el mercado diversos productos retardantes de llama a base de moléculas de fosfato. Algunos productos comunes basados en moléculas de fosfato incluyen:
Fosfato de trifenilo: se puede utilizar en mezclas de ABS/PC, PPO y otros plásticos de ingeniería, y resinas fenólicas.
Fosfato de tricresilo: se utiliza principalmente como plastificante retardante de llama en PVC y composiciones estirénicas. Los productos comerciales son mezclas de isómeros orto, meta y para, pero el isómero orto es muy tóxico y debe excluirse en la medida de lo posible.
Fosfatos de diarilo
Los fosfatos de diarilo comercializados incluyen bis(difenilfosfato) de resorcinol y bis(difenilfosfato) de bisfenol A.
RDP: normalmente un líquido incoloro, utilizado en ABS/PC, PBT y PPO. En comparación con los fosfatos de arilo o los fosfatos de alquilo, estos productos exhiben una menor volatilidad, una mayor resistencia al calor y un menor efecto plastificante. Por lo general, se requieren entre 10 y 15 phr para pasar las pruebas tradicionales de retardo de llama. En niveles de adición más bajos, el RDP puede mejorar la procesabilidad del ABS y los estirénicos para el moldeo por inyección de paredes delgadas.
BDP: similar al RDP, utilizado en las mismas aplicaciones con un nivel de adición de aproximadamente 20 phr. En comparación con el RDP, el BDP proporciona una mejor estabilidad en estado fundido y una menor volatilidad al polímero. Este producto también tiene buena estabilidad hidrolítica, lo que resulta beneficioso para polímeros como el policarbonato.
Fosfonatos de alquilo
La estructura general de los fosfonatos es:
El metilfosfonato de dimetilo es un retardante de llama muy eficaz debido a su alto contenido en fósforo. Sin embargo, la alta volatilidad limita su uso en PU rígido y poliésteres con alto contenido de relleno.
Fosfatos Cíclicos Diméricos u Oligoméricos
Suelen ser líquidos de gran viscosidad, lo que dificulta su manipulación. Algunos fabricantes ofrecen soluciones de masterbatch. Los fosfonatos cíclicos diméricos se pueden usar en PET a aproximadamente 6% en peso para fibras PET retardantes de llama y también en poliuretano rígido sin los inconvenientes de la volatilidad.
4. Retardantes de llama de fósforo rojo
El término 'fósforo rojo' se utiliza para describir uno de los alótropos del fósforo, que se obtiene calentando fósforo blanco a cerca de 300 °C en condiciones sin oxígeno. El color varía de naranja a morado intenso, según el peso molecular, el tamaño de las partículas y las impurezas.
El fósforo rojo es un polímero inorgánico amorfo. Sin embargo, los rayos X han identificado la presencia de varias formas cristalinas (generalmente contenido limitado, <10% w). Se sabe que el fósforo rojo puede actuar como aditivo único en polímeros que contienen nitrógeno y/u oxígeno, por ejemplo:
Los retardantes de llama de fósforo rojo deben usarse en poliolefinas, estirénicos, cauchos, etc., en combinación con agentes espumantes, formadores de carbón y/o hidróxidos inorgánicos.
Los retardantes de llama de fósforo rojo se utilizan normalmente para cumplir con requisitos elevados de retardo de llama. No producen humos tóxicos y tienen buenas propiedades eléctricas (es decir, altos valores de CTI) y mecánicas. Debido a consideraciones de color, no es adecuado para productos acabados blancos o de colores muy claros, pero sí para productos acabados de negro a gris medio.
Los retardantes de llama a base de fósforo rojo tienen una alta estabilidad térmica, lo que permite que los productos resistan duras temperaturas de extrusión de hasta 320 °C sin descomponerse, liberar sustancias peligrosas, generar residuos carbonosos o causar corrosión en los equipos de extrusión.
Arriba, describimos los conceptos básicos de los retardantes de llama y detallamos los retardantes de llama halogenados (bromo, cloro) y a base de fósforo (fósforo orgánico, fósforo rojo) más utilizados en el mercado. Cada uno tiene sus propias fortalezas y debilidades, y la selección requiere una consideración exhaustiva del tipo de polímero, las condiciones de procesamiento, el rendimiento del producto final y los requisitos reglamentarios.
En la siguiente parte, continuaremos profundizando en otras categorías importantes de retardantes de llama:
Retardantes de llama de hidróxido metálico (hidróxido de aluminio/magnesio): Representantes de la ruta ecológica sin halógenos, ¿cómo equilibrar el rendimiento con una alta carga de relleno?
Retardantes de llama a base de nitrógeno (melamina): ¿Cómo logran un retardador de llama eficiente a través de múltiples mecanismos?
Retardantes de llama nano y basados en silicio: ¿Cómo estas tecnologías emergentes aportan avances en el rendimiento con bajos niveles de adición?
