Investigación sobre tecnología de retardo de llama y supresión de humo del cloruro de polivinilo (PVC)
La resina de cloruro de polivinilo (PVC) posee muchas propiedades excelentes, como buena procesabilidad, excelente aislamiento, bajo costo, fácil modificación, resistencia al desgaste y a la corrosión, buenas propiedades mecánicas integrales y una larga vida útil. Se utiliza ampliamente en diversos campos, incluidos la industria, la agricultura, el transporte, la construcción, las comunicaciones y la atención sanitaria. La propia resina de PVC es altamente ignífuga y autoextinguible. Los productos de PVC sin plastificantes tienen un buen retardo de llama, con un contenido de cloro del 56% y un índice límite de oxígeno (LOI) de hasta 50, lo que lo convierte en un excelente material retardante de llama. Sin embargo, durante el procesamiento y uso, a menudo se incorporan grandes cantidades de plastificantes para mejorar la flexibilidad y durabilidad de los productos. Desafortunadamente, la incorporación de grandes cantidades de plastificantes reduce significativamente su retardo de llama, haciendo que el PVC pierda sus propiedades autoextinguibles y se convierta en un material combustible. Además, tanto el PVC rígido como el flexible generan grandes cantidades de humo durante la combustión. Este denso humo contiene numerosos gases tóxicos y nocivos como monóxido de carbono, compuestos de benceno, cloruro de hidrógeno, etc., que provocan asfixia y reducen el discernimiento integral, dificultando en última instancia la capacidad de identificar y elegir rutas de escape. Esto crea contaminación ambiental y amenaza la vida humana y la seguridad de la propiedad, generando un grave peligro de incendio. Las estadísticas muestran que el 82,5% de las muertes por incendios se deben a asfixia por gases tóxicos producidos durante la combustión. Por lo tanto, fortalecer la investigación sobre el retardo de llama y la supresión de humo del PVC tiene una importancia práctica significativa.
I. Mecanismo de generación de humo del cloruro de polivinilo
Los principales productos generados después de la pirólisis de polímeros aromáticos incluyen HCl, polienos, benceno, compuestos aromáticos, olefinas de bajo peso molecular y alcanos. Estos productos se pirolizan aún más para producir grandes cantidades de humo negro. Durante la combustión del PVC, se elimina el HCl, formando hidrocarburos insaturados de doble enlace conjugados. Debido a la escisión de la cadena de carbono se forman productos de bajo peso molecular y radicales libres. El reordenamiento molecular y la ciclación forman núcleos de benceno, que luego se polimerizan en resina con una estructura de anillo aromático condensado. En consecuencia, el PVC produce una cantidad considerable de humo negro durante la combustión. Especialmente cuando se incorporan grandes cantidades de plastificantes al PVC, las moléculas de plastificante participan en reacciones químicas a alta temperatura de productos intermedios, generando grandes cantidades de humo negro durante la combustión, lo que aumenta significativamente la producción de humo al quemar PVC.
II. Discusión sobre el mecanismo de supresión de humo del PVC
El proceso de combustión de los productos de PVC se puede dividir en tres etapas: descomposición del producto al calentarlo para producir gases combustibles, combustión de estos gases en un ambiente que contiene oxígeno y el calor generado que sostiene la combustión de material fundido o sólido. Por lo tanto, la retardación de llama se puede lograr interrumpiendo una o más de estas etapas a través de mecanismos tales como retardación de llama en fase condensada, retardación de llama en fase gaseosa, interrupción del intercambio de calor y retardación de llama intumescente. La retardación de llama en fase condensada implica retardantes que retrasan o previenen la descomposición térmica en la fase sólida. El retardador de llama en fase gaseosa implica retardantes que retrasan o interrumpen la reacción de combustión en cadena en la fase gaseosa. La interrupción del intercambio de calor implica retardantes que eliminan parte del calor generado durante la combustión del PVC, reduciendo el calor absorbido por el material por debajo de su temperatura de descomposición, reduciendo así la generación de gases inflamables y provocando la autoextinción. El retardo de llama intumescente combina mecanismos de fase condensada y de fase gaseosa, con reacciones que ocurren principalmente en la fase condensada pero que también involucran la fase gaseosa.
III. Métodos para retardar la llama y suprimir el humo del PVC
1. Usar plastificantes retardantes de llama en lugar de convencionales
La adición de plastificantes inflamables de uso común para el PVC, como el ftalato de dioctilo (DOP), disminuye el índice de oxígeno del PVC. Por lo tanto, reemplazar parcial o totalmente los plastificantes inflamables convencionales con plastificantes retardantes de llama comúnmente utilizados para PVC flexible, tales como fosfatos de triarilo y fosfatos de alquildiaril, es un método para mejorar la retardación de llama de los productos de PVC plastificado. Sin embargo, para lograr mejores efectos retardantes de llama, los fosfatos generalmente se usan en combinación con otros retardantes de llama, aprovechando los efectos sinérgicos para mejorar el rendimiento.
2. Usar aditivos inorgánicos
Los aditivos inorgánicos se encuentran entre los retardantes de llama y supresores de humo más investigados y aplicados en los últimos años. Los aplicados al PVC incluyen principalmente metales de transición, sus óxidos, sales, etc., como compuestos de cobre, molibdeno, hierro, estaño, zinc y plomo.
Los sistemas clave incluyen:
Sistema Magnesio-Aluminio-Boro: Al(OH)₃ y Mg(OH)₂ son los retardantes de llama más utilizados a nivel mundial.
Sistemas de antimonio-bismuto y silicio-estaño: los retardantes de llama a base de antimonio son opciones tradicionales. Los compuestos de silicio y estaño se utilizan a menudo como supresores de humo para el PVC en combinación con otros retardantes de llama.
Sistema de cobre y zinc: numerosas investigaciones muestran que los compuestos de cobre son supresores de humo muy eficaces. Los compuestos del sistema de cobre y zinc ofrecen ventajas como alta eficiencia retardante de llama, baja toxicidad y costo relativamente bajo, lo que lo convierte en uno de los sistemas retardantes de llama de más rápido desarrollo.
Sistema hierro-cobalto-níquel: Los compuestos de hierro incluyen principalmente Fe₂O₃, Fe₃O₄, Fe₂O₃·H₂O, FeSO₄, los compuestos de cobalto incluyen Co(acac)₂ (acetilacetonato de cobalto), CoCO₃, los compuestos de níquel incluyen NiO, Ni(acac)₂, NiC₂O₄.
Sistema Molibdeno-Tungsteno-Manganeso: Los compuestos de molibdeno son principalmente sus sales y óxidos inorgánicos, siendo predominante el MoO₃ (trióxido de molibdeno) en su estado hexavalente. Los compuestos de manganeso incluyen MnCO₃, Mn₂O₃, MnSO₄.
Sistema titanio-circonio-vanadio: TiO₂, Zr(acac)₄ (acetilacetonato de circonio) y VO(acac)₂ (acetilacetonato de vanadilo) muestran buenos efectos de supresión del humo.
3. Uso de tecnología de reticulación
La tecnología de reticulación es un método relativamente nuevo aplicado al retardante de llama del PVC en los últimos años. Métodos como la radiación, la adición de óxidos metálicos o la adición de peróxidos pueden reticular los polímeros. El efecto sinérgico ignífugo de la reticulación sobre PVC flexible es especialmente útil en la práctica. La mejora de la eficiencia retardante de llama de los sistemas inorgánicos mediante tecnología de reticulación está recibiendo cada vez más atención y representa un área nueva y potencialmente de alto crecimiento en la investigación de retardantes de llama.
En resumen, el PVC es propenso a generar grandes cantidades de humo negro y gases tóxicos durante la combustión, lo que plantea importantes riesgos para la seguridad. El empleo de métodos como plastificantes retardantes de llama, la introducción de aditivos inorgánicos como cobre y zinc y la modificación de reticulación pueden mejorar eficazmente sus propiedades de retardo de llama y supresión de humo. La combinación de múltiples mecanismos retardantes de llama para lograr efectos sinérgicos es clave para mejorar la seguridad del PVC, lo que tiene gran importancia para salvaguardar la vida humana y el medio ambiente.
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