I. Propiedades retardantes de llama y desafíos del PVC
El PVC (cloruro de polivinilo) contiene hasta un 56% de cloro en peso. Cuando se quema, libera gas cloruro de hidrógeno (HCl) y exhibe algunas propiedades autoextinguibles (índice de oxígeno límite, LOI ≈ 45%). Sin embargo, existen los siguientes desafíos en las aplicaciones prácticas:
1. PVC flexible: la adición de plastificantes (como DOP y DINP) reduce significativamente el LOI (por debajo del 20%), lo que requiere la adición de retardantes de llama;
2. Humo y toxicidad: La combustión libera HCl, dioxinas y humo denso;
3. Estabilidad térmica: Es propenso a descomponerse durante el procesamiento a alta temperatura, lo que requiere el uso sinérgico de estabilizadores térmicos y retardantes de llama.
II. Tipos de retardantes de llama en plásticos de PVC
1. Retardantes de llama a base de halógenos
• Retardantes de llama clorados: como la parafina clorada; los que tienen un contenido de cloro del 50 % se utilizan principalmente como plastificantes auxiliares para plásticos de PVC, mientras que los que tienen un contenido de cloro del 70 % se utilizan principalmente como retardantes de llama.
2. Retardantes de llama a base de fósforo
• Retardantes de llama inorgánicos a base de fósforo: como el fósforo rojo y el polifosfato de amonio (APP). El fósforo rojo es muy eficaz como retardante de llama, pero tiene poca compatibilidad con las resinas y requiere microencapsulación.
• Retardantes de llama orgánicos a base de fósforo: como ésteres de fosfato y fosfafenantreno. Los ésteres de fosfato sirven como retardadores de llama y plastificantes y se usan comúnmente en PVC flexible.
3. Retardantes de llama a base de nitrógeno: como la melamina y el cianurato de melamina (MCA), que a menudo se utilizan en combinación con retardantes de llama a base de fósforo.
4. Retardantes de llama inorgánicos: como el sulfato de aluminio trihidrato y la nanosílice.
III. de uso común Retardantes de llama sinérgicos
1. Retardante de llama de trióxido de antimonio: normalmente se utiliza junto con retardantes de llama halogenados. Durante la etapa inicial de combustión, el trióxido de antimonio se funde primero, formando una película protectora en la superficie del material de PVC que lo aísla del aire; baja la temperatura de combustión mediante una reacción endotérmica dentro del material; a altas temperaturas, el trióxido de antimonio se vaporiza, diluyendo la concentración de oxígeno en el aire y proporcionando así un efecto retardante de llama; cuando se usa junto con cloruros generados por la combustión del PVC, el cloruro de antimonio resultante captura los radicales libres en su estado gaseoso, lo que ayuda aún más a retardar la llama. Por ejemplo, agregar trióxido de antimonio a los compuestos de cables de PVC aumenta el índice de oxígeno, mejorando sus propiedades retardantes de llama. El trióxido de antimonio, que ha sido sometido a un procesamiento especial, no solo proporciona retardo de llama sino que también reduce la emisión de humo, lo que lo hace particularmente adecuado para su uso en compuestos de cables de PVC .
2. Hidróxido de aluminio: Reduce la emisión de humos del PVC y mejora sus propiedades ignífugas. Cuando se descompone por el calor, absorbe una gran cantidad de calor y el óxido de aluminio resultante forma una película protectora en la superficie del material, aislándolo del oxígeno y el calor. Al mismo tiempo, el vapor de agua producido durante la descomposición diluye las concentraciones de gases inflamables y oxígeno.
3. Hidróxido de magnesio: Se descompone para producir óxido de magnesio y agua, lo que proporciona una buena supresión del humo. A medida que disminuye el tamaño de las partículas, el índice de oxígeno del PVC aumenta, mientras que la tasa máxima de liberación de humo y la densidad del humo disminuyen. Además, tiene un impacto mínimo en las propiedades mecánicas del PVC y puede cumplir ciertos requisitos de aplicación.
4. Fósforo rojo: normalmente se utiliza fósforo rojo microencapsulado , que ofrece ventajas como bajos niveles de adición, alta eficiencia retardante de llama, baja emisión de humo y baja toxicidad. Cuando se quema, forma ácido metafósfico, que luego se polimeriza en una fase polimérica estable, creando una capa protectora sobre el plástico que lo aísla del oxígeno. Al mismo tiempo, el fósforo rojo también se puede mezclar con otros retardantes de llama inorgánicos para reducir la cantidad de retardante de llama necesaria y mejorar el procesamiento y las propiedades físico-mecánicas del PVC.
5. Retardantes de llama a base de silicona: utilizan organosilicio y organoboro como portadores y quelan varios grupos funcionales. Cuando se usan en combinación con varios sistemas retardantes de llama, forman gases de moléculas pequeñas que aíslan el oxígeno durante la combustión, diluyen los gases inflamables y absorben calor para reducir la temperatura. Esto promueve la carbonización y la formación de película de la matriz polimérica después de la combustión, mejorando la eficacia retardante de llama y suprimiendo el goteo de la masa fundida. Además, mejoran la compatibilidad de fases entre los distintos componentes y la matriz polimérica en materiales compuestos, mejorando así las propiedades mecánicas del material.
6. a base de nitrógeno Retardantes de llama : los ejemplos incluyen triazinas y sus derivados, así como melamina. Si bien su eficacia es limitada cuando se usan solos, producen un efecto sinérgico cuando se combinan con retardantes de llama a base de fósforo. Los retardantes de llama compuestos, como los compuestos de melamina y polifosfatos, pueden mejorar la retardación de llama del PVC.
IV. Estándares de clasificación de retardo de llama para plásticos de PVC
Los estándares comunes incluyen el estándar UL 94, que se divide en clasificaciones V-0, V-1, V-2 y HB. La clasificación V-0 tiene los requisitos más altos: la muestra de prueba debe autoextinguirse en 10 segundos sin que ningún material que gotee encienda pelusa o materiales similares; la clasificación HB tiene los requisitos más bajos y se basa en una prueba de combustión horizontal, con la clasificación determinada por la velocidad de combustión.
V. Mecanismo de acción de los retardantes de llama
1. Absorción de calor: Los retardantes de llama sufren una reacción endotérmica a altas temperaturas, lo que reduce la temperatura de la superficie del material combustible y reduce la generación de gases inflamables, suprimiendo así la combustión.
2. Efecto de recubrimiento: Durante la combustión, los retardantes de llama forman una capa sólida o líquida que aísla el material del oxígeno y evita la combustión.
3. Inhibición de reacciones en cadena: los iones de haluro generados por la descomposición de compuestos halógenos reaccionan con los radicales libres durante la combustión, reduciendo la concentración de radicales libres y, por lo tanto, ralentizando la velocidad de combustión.
4. Asfixia por gases no inflamables: por ejemplo, los retardantes de llama a base de nitrógeno se descomponen para producir gases no inflamables, que diluyen los gases inflamables y reducen la velocidad de combustión.
5. Efecto de carbonización: Los retardantes de llama a base de fósforo producen ácido fosfórico, ácido metafosfórico y otros compuestos durante la combustión, lo que promueve la carbonización en la superficie de los plásticos y forma una capa de carbón que aísla del calor y bloquea el oxígeno.
VI. Aplicaciones de retardantes de llama
1. Perfiles de PVC-U: en los perfiles de PVC-U, la adición de ésteres de fosfato de cloramina mejora significativamente el retardo de llama, mientras que también se pueden utilizar retardantes de llama inorgánicos como nanosílice y sulfato de aluminio trihidrato para mejorar el aislamiento térmico y la estabilidad térmica.
2. Compuestos de cables de PVC: Los retardantes de llama, como las parafinas cloradas y los ésteres de fosfato, se utilizan comúnmente para mejorar la retardación de llama y la resistencia al calor de los cables.
3. Tuberías de PVC: En las tuberías de PVC utilizadas en la construcción, los retardantes de llama inorgánicos, como la nanosílice, pueden suprimir eficazmente la propagación de las llamas durante la combustión.
VII. Análisis de estudios de casos clásicos
1. Modificación ignífuga de los compuestos de cables de PVC: al agregar una cantidad adecuada de parafina clorada y el masterbatch de fósforo rojo FRP-950X de Yinsu Flame Retardant Company (en una concentración del 2%) a los compuestos de cables de PVC, el rendimiento ignífugo de los cables mejora significativamente, lo que les permite cumplir con la clasificación UL 94 V0 y reemplazar completamente el trióxido de antimonio. Mediante esta modificación, se reduce el calor generado y la densidad del humo producido durante la combustión del cable, manteniendo buenas propiedades mecánicas.
2. Aplicaciones ignífugas para perfiles de PVC-U: En los perfiles de PVC-U utilizados en la construcción, se añaden fosfato de cloramina y nanosílice. Durante la combustión, el fosfato de cloramina libera gases de nitrógeno y cloro, formando una capa de carbón que evita la propagación del fuego; La nanosílice, con sus características de partículas finas, inhibe la propagación de la llama y la conducción del calor. Este sistema ignífugo compuesto mejora significativamente el rendimiento ignífugo de los perfiles de PVC-U, haciéndolos más seguros para su uso en aplicaciones de construcción.
Como lo muestra el análisis anterior, el retardo de llama en el PVC debe tener en cuenta sus características inherentes (alto contenido de cloro, sensibilidad de procesamiento) y lograr alta eficiencia, baja toxicidad y bajo costo mediante el uso sinérgico de mezclas retardantes de llama (como fósforo, hidróxido metálico y supresores de humo). La aplicación de retardantes de llama en plásticos de PVC es de gran importancia, ya que no sólo mejora la seguridad contra incendios del material sino que también preserva sus excelentes propiedades físicas y mecánicas.
