R ETARDANTES A LA FLAMA NO HALOGENADOS

La eficiencia de un retardante a la flama no solo depende de su estabilidad térmica sino también, de su velocidad de degradación, velocidad de formación de la capa carbonosa y de la cantidad de esta última.[49] Sin embargo, la reducción y sustitución de retardantes a la flama altamente eficientes que contienen halógenos está en progreso; sobre todo, por los aspectos toxicológicos y ambientales que implican su uso.[50]

En años recientes, los retardantes a la flama intumescentes (IFR) han atraído la atención de muchos investigadores. Estos involucran la formación, durante el calentamiento, de

“swollen multicelular”, en el que la parte carbonizada actúa como aislante para el material.[48] Un sistema típico de IFR consta de tres componentes, un agente carbonizante (fuente de carbono), un catalizador carbonizante (fuente ácida) y un agente de aire (fuente de gas).[48] No obstante, hay cierto tipo de agentes carbonizantes, como los polioles que tienen problemas de exudación y de solubilidad en agua. Además, muchas veces no son compatibles con la matriz polimérica y las propiedades mecánicas del material se ven afectadas.[48]

Otros materiales utilizados con la misma finalidad, son los fosfatos orgánicos tales como el trifenilfosfato (TPP) entre otros, los cuales son eficaces en el mejoramiento de la estabilidad térmica del ABS; sin embargo, el inconveniente es que la temperatura de degradación de estos compuestos es muy baja en comparación con la temperatura de procesamiento del ABS, lo cual provoca su degradación parcial durante el procesamiento.[2]

Otra opción de retardantes a la flama libre de halógenos que también ha atraído interés no solo del sector académico sino también del sector productivo, son aquellos provenientes de minerales debido a su bajo costo y procesos de obtención amigables al ambiente.[3] Este tipo de retardantes inorgánicos, generalmente inertes, provocan, cuando un material polimérico es expuesto a la acción del fuego, los siguientes beneficios [51]:

 Reducen el contenido de productos “combustibles”.

 Modifican la conductividad térmica del material resultante y de todas sus propiedades termo-físicas.

 Cambian la viscosidad del material resultante evitando el goteo y propagación del fuego.

Todas estas acciones tienen una incidencia indirecta en el desarrollo del comportamiento del polímero frente el fuego. Algunos minerales son usados más específicamente como

44 retardantes a la flama debido al comportamiento que presentan a temperaturas elevadas.

Los retardantes a la flama minerales más comúnmente usados son los hidróxidos metálicos (especialmente los de aluminio y magnesio), hidrocarbonatos y boratos de zinc. Estos retardantes inorgánicos tienen una acción física directa de retardantes a la flama. Al aumentar la temperatura, se descomponen endotérmicamente y absorben energía. Además, liberan moléculas no inflamables (H₂O, CO₂), las cuales diluyen los gases combustibles, promoviendo así la formación de una cerámica protectora o capa vítrea.[51]

3.7.1. Hidróxidos metálicos

Estos pueden ser usados como retardantes a la flama, ya que los hidróxidos metálicos se descomponen endotérmicamente y liberan agua a temperaturas cercanas a la temperatura de descomposición del polímero. El Trihidróxido de Aluminio (ATH, Al(OH)₃) e Hidróxido de Magnesio (MDH, Mg(OH)2) son los minerales retardantes a la flama más ampliamente utilizados.[51]

La descomposición endotérmica del ATH ocurre entre 180-200°C, la cual es relativamente baja, y por lo tanto, el uso de este mineral está limitada a polímeros con bajas temperaturas de procesamiento, tales como el poli(etileno-acetato de vinilo) (EVA) y el polietileno de baja densidad (LDPE).[51] En contraste, el MDH presenta una temperatura de descomposición más elevada (> 300°C), la cual permite ampliar su uso en otros polímeros que son procesados en fundido a más altas temperaturas.

3.7.1.1. Hidróxido de magnesio (MDH)

El hidróxido de magnesio ha sido establecido como un retardante a la flama libre de ácidos, halógenos y supresor de humo. El MDH funciona del mismo modo que el ATH, la diferencia con respecto a éste, es que su degradación endotérmica, liberación de agua y formación de óxido de magnesio (𝑀𝑔𝑂, Ecuación 1), ocurre a temperaturas mayores a 300°C. La elevada temperatura de degradación hace del MDH, un material muy importante para ser empleado como retardante a la flama, sobre todo por las temperaturas de procesamiento utilizadas en algunos materiales poliméricos (extrusión, inyección, termo- formado, etc). Así por ejemplo, es ampliamente usado en termoplásticos tales como, polipropileno (PP), polietileno (PE) y poliamidas, entre otros.[4]

2 𝑀𝑔(𝑂𝐻)₂ ⟶ 2 𝑀𝑔𝑂 + 2 𝐻₂𝑂 (1300 𝐾𝐽 𝐾𝑔⁄ ) Ecuación 1

45 Por otro lado, con respecto al óxido de magnesio (MgO) producido durante la reacción endotérmica del MDH, existen reportes en los que se indica que éste se acumula en la superficie del material proporcionando así un aislamiento térmico, debido a que las ondas de calor son reflejadas (es decir, no son absorbidas).[52] La capa aislante de MgO se forma una vez que ya no se libera agua.[53]

El efecto retardante del MDH se basa en el enfriamiento del material y dilución de los gases combustibles formados durante la combustión, esto debido a la liberación de agua y a su descomposición endotérmica [50] y se ha observado que incluso a temperaturas de 400°C la acción retardante del MDH es muy efectiva. La Figura 24 muestra de manera esquemática los procesos físicos y químicos que ocurren durante la descomposición térmica del polímero, así como el mecanismo de retardancia a la flama del MDH. El mecanismo de descomposición endotérmica del MDH permite enfriar al material, a la vez que los productos de descomposición permiten i) diluir los gases combustibles a través de la liberación de agua y CO2 y ii) aislar al material de la fuente de calor a través de la formación de una capa de MgO.

Figura 24. Mecanismo de retardancia a la Flama del Mg(OH)2 actuando sobre los procesos físicos y químicos que ocurren durante la descomposición térmica del polímero.

Sin embargo, una desventaja que genera el uso de los hidróxidos metálicos, es que se requieren grandes cantidades de estos compuestos (> al 50% en peso) para poder conseguir

46 el efecto de retardante a la flama deseado.[4] La adición de estas grandes cantidades de MDH, origina que las propiedades mecánicas tales como la elongación a la ruptura, y resistencia al impacto se vean afectadas de manera significativa. Por otra parte, las grandes cantidades de este material dificultan su procesamiento debido al incremento en la viscosidad del fundido.[4]

Por otro lado, en un sistema polimérico con grandes contenidos de cargas, uno de los principales problemas que se observa es la variación de las propiedades mecánicas ocasionada por el bajo grado de dispersión de las partículas en la matriz de polímero.[4]

Para mejorar la interacción entre la partícula de MDH con la matriz polimérica, una de las soluciones empleadas ha sido la modificación superficial de las partículas. El método más empleado consiste en modificar la superficie de la carga con la ayuda de un agente de acoplamiento de bajo peso molecular o de algún agente tensoactivo, con los cuales se reduce eficazmente la tensión interfacial entre la partícula y la matriz polimérica.[4]

Como fue descrito en esta sección, aun cuando se han empleado distintas estrategias para mejorar la dispersión de las partículas de los hidróxidos metálicos en matrices de polímero, se tiene la necesidad de mejorar el grado de dispersión de las partículas sin afectar de manera negativa las propiedades mecánicas originales de la matriz del polímero. Esta necesidad impulsa la investigación sobre nuevas estrategias y métodos de procesamiento los cuales permitan alcanzar los requerimientos deseados de un material polimérico retardante a la flama con excelentes propiedades mecánicas. En la siguiente sección, se describe una de los métodos de procesamiento más novedosos empleados para mejorar la dispersión de sistemas poliméricos en fundido, el cual se presenta como una alternativa para el procesamiento de ABS/Mg(OH)₂.

3.8. Tecnología de tratamiento ultrasónico de polímeros en estado fundido (T-TUPF)