Nuevas direcciones en el retardo de llama de TPU: desde ésteres de fosfato hasta sistemas intumescentes, la sinergia fósforo-nitrógeno se está convirtiendo en el enfoque principal

Nuevas direcciones en el retardo de llama de TPU: desde ésteres de fosfato hasta sistemas intumescentes, la sinergia fósforo-nitrógeno se está convirtiendo en el enfoque principal

En la aplicación de elastómero de poliuretano termoplástico (TPU), la modificación del retardante de llama a menudo enfrenta el desafío de equilibrar la eficiencia y las propiedades físicas. Los retardantes de llama a base de fósforo, debido a sus diversos tipos y claros mecanismos de acción, se han convertido en una de las vías clave para resolver esta contradicción. Los retardantes de llama que contienen fósforo más utilizados incluyen principalmente los basados ​​en polifosfato de amonio (APP), los basados ​​en compuestos orgánicos de fósforo (OP) y los basados ​​en fósforo rojo.

Actualmente, los retardantes de llama de fósforo orgánico se utilizan ampliamente en retardantes de llama de poliuretano debido a su buena compatibilidad y estabilidad con el poliuretano. Algunos incluso pueden actuar como plastificantes para materiales de poliuretano. Los retardantes de llama de fósforo orgánico utilizados en el poliuretano son en su mayoría ésteres de fosfato y ésteres de fosfonato líquidos y sólidos. Ofrecen ventajas como alta eficiencia retardante de llama, baja viscosidad, buena compatibilidad, estabilidad térmica moderada y resistencia a los 'gráficos'.

La temperatura de descomposición de los retardantes de llama de fósforo orgánico afecta significativamente la retardación de llama del TPU. Se han realizado investigaciones sobre los efectos retardantes de llama del fosfato de tris (β-cloroetilo) y del fosfato de tris (2,3-dibromopropilo) en TPU, como se muestra en la siguiente tabla.

Se puede observar que aunque los dos retardantes de llama tienen estructuras y composiciones similares, sus efectos retardantes de llama difieren significativamente. Un análisis del mecanismo retardante de llama revela que los componentes retardantes de llama son más eficaces sólo cuando se liberan a una temperatura inferior o cercana a la temperatura de descomposición inicial del polímero. Si la temperatura de descomposición es demasiado baja, el retardante de llama puede descomponerse por completo antes de que el polímero se queme por completo, e incluso una parte puede perderse durante el procesamiento térmico, sin lograr el efecto deseado. Por el contrario, si la temperatura de descomposición es demasiado alta, es posible que los componentes retardadores de llama eficaces no se liberen lo suficiente durante la combustión del polímero, lo que también da como resultado un retardo de llama deficiente. Entre los retardantes de llama probados, la temperatura de descomposición térmica del fosfato de tris (β-cloroetilo) es de 240 a 280 °C, mientras que la del fosfato de tris (2,3-dibromopropilo) es >300 °C. La temperatura de descomposición térmica del poliuretano es de unos 400°C. La temperatura de descomposición del fosfato de tris (2,3-dibromopropilo) es más cercana a la del poliuretano, lo que lo hace relativamente compatible y, por lo tanto, su efecto retardante de llama es superior al del fosfato de tris (β-cloroetilo).

Los compuestos de éster de difosfato también pueden servir como retardantes de llama para materiales de poliuretano. El grupo que conecta los dos ésteres de fosfato puede ser alquileno, arileno, alquileno-arileno u otros grupos de enlace divalentes tales como -SO-, -S-, -SO₂-, etc. Sin embargo, un problema con estos retardantes de llama es que en condiciones ambientales superiores a 100°C, el propio retardante de llama o las impurezas existentes pueden volatilizarse del material de poliuretano, formando niebla sobre las superficies de vidrio. Este problema es particularmente grave en la industria automotriz. Se pueden utilizar polifosfatos para resolver este problema. Generalmente, agregar de 0,5 a 50 partes de un retardante de llama de polifosfato que contiene 10 grupos fosfato por 100 partes de material de poliuretano puede impartir un buen retardante de llama al mismo tiempo que previene la volatilización del retardante de llama a altas temperaturas y reduce la formación de niebla.

La mayoría de los retardantes de llama pueden migrar o volatilizarse dentro de los materiales de poliuretano, afectando la estabilidad de las propiedades del material. La introducción de compuestos con grupos hidroxilo en la molécula retardante de llama les permite reaccionar con isocianatos en el material de poliuretano, formando enlaces químicos y previniendo la migración y volatilización de las moléculas retardantes de llama. Tales agentes ignífugos pueden ser difosfatos o polifosfatos con hasta 10 grupos fosfato. Estas moléculas de di o polifosfato llevan al menos dos o más grupos hidroxilo capaces de reaccionar con isocianatos. Estos compuestos poseen una alta eficiencia retardante de llama y una excelente resistencia a la migración. Agregar 50 partes de dicho retardante de llama por 100 partes de material de poliuretano puede lograr un grado SE (autoextinguible) cuando se evalúa de acuerdo con la norma FMVSS 302.

Otra dirección de desarrollo de los retardantes de llama de fósforo orgánico son los retardantes de llama intumescentes. Se trata de compuestos de fósforo que logran retardo de llama mediante la acción combinada de múltiples mecanismos, incluida la sinergia fósforo-nitrógeno, la formación de espuma con gases no combustibles y la deshidratación y carbonización de polioles y ésteres para formar una capa de carbón retardante de llama. El mecanismo implica consumir los gases de descomposición producidos durante la combustión del polímero, promoviendo la formación de carbón no combustible y previniendo la reacción de oxidación, inhibiendo así la combustión. El Instituto de Investigación de la Industria Química de Shanghai compuso un nuevo retardante de llama intumescente libre de halógenos (ANTI-2) con sistema de fósforo y nitrógeno utilizando APP, formaldehído, melamina y prepolímero de melamina-formaldehído. Al utilizar ANTI-2 para retardar la llama del TPU, las pruebas de índice de oxígeno, clasificación de combustión UL94, resistencia a la tracción, alargamiento y dureza demostraron que ANTI-2 es un retardante de llama eficaz para los elastómeros de TPU. Cuando el contenido de ANTI-2 aumentó a más del 35%, la clasificación de combustión alcanzó V-0. Sin embargo, al aumentar el contenido de ANTI-2, la dureza del TPU modificado retardante de llama aumentó, la resistencia a la tracción disminuyó, mientras que el alargamiento no cambió significativamente.

A medida que avanza la tecnología retardante de llama , depender únicamente de sistemas tradicionales a base de fósforo ya no puede cumplir con los estrictos requisitos de resistencia a la temperatura, resistencia al amarilleo y procesamiento ultrafino en aplicaciones de TPU de alta gama. Los eficientes retardantes de llama de fosfinato orgánico modificado con tamaño de partículas ultrafinas desarrollados por Yinsu Flame Retardant han logrado avances significativos en la resistencia a altas temperaturas y al amarillamiento, ofreciendo una nueva dirección innovadora para resolver el conflicto entre la eficiencia del retardo de llama y la retención de propiedades en TPU.

Descargo de responsabilidad: este contenido es un extracto de literatura relevante y está destinado únicamente para compartir conocimientos, no para uso comercial.