04 Dic TEJIDOS IGNÍFUGOS – Parte 2: Acciones para evitar la combustión y propagación
El campo de los textiles resistentes al fuego, es uno de los que más crecimiento ha tenido en la industria textil. Además es muy amplio.
Con la intención de ser lo más abarcativos posible y poder compartir con el lector, al menos una parte de los considerables avances que se han producido en ésta materia en los últimos años, decidimos ir publicando varias notas de interés respecto al tema. Si bien utilizaremos cierto criterio en el orden en las que irán apareciendo, las notas podrán leerse en forma independiente una de otras.
Parte 2 – Retardantes de llamas
1_ Introducción
En la nota anterior (Mecanismos de Ignición), hicimos un resumen acerca de como se queman los materiales. Ahora analizaremos las estrategias y los mecanismos de acción, utilizados para evitar la ignición o su propagación.
Antes de comenzar con el análisis, haremos algunos comentarios sobre cómo ralentizar o interrumpir el proceso de combustión, prestando una mayor atención a los materiales orgánicos:
- Los anillos, dobles enlaces y estructuras aromáticas, son menos inflamables que los hidrocarburos saturados porque tienen menos hidrógeno por unidad de peso.
Estos materiales requieren que se rompan más enlaces, para liberar fragmentos de combustible inflamables, lo que reduce la energía de combustión.
- La presencia de enlaces 0—H y C—0 reduce la energía de combustión, puesto que el combustible ya se ha oxidado parcialmente.
- Los enlaces C—X (donde X es un halógeno) también indican un enlace ya oxidado y quizás alguna interferencia con la oxidación en estado de vapor.
- Algunos materiales incluídos en el combustible sólido, por ejemplo Sb2O3, actúan como catalizadores para la reticulación, disminuyendo la capacidad de producir fragmentos de combustible volátiles y aumentando la formación de carbonilla.
- La presencia de fósforo/nitrógeno, promueve la deshidratación de los carbohidratos y su combinación suele ser un buen retardante de llama para la celulosa.
2_ Polímeros formadores de fibras resistentes a altas temperaturas.
Estos tienden a ser de carácter altamente aromático(1), con cadenas principales de polímeros rígidos, que poseen valores de transición de segundo orden muy altos, ausencia de transiciones de fusión alcanzables y temperaturas de descomposición raramente inferiores a 400 °C.
Generalmente, cuanto menor es el contenido alifático(2), menor es la relación hidrógeno/carbono, por lo tanto, menor es la inflamabilidad de cualquier polímero.
Los polímeros de cadena aromática, generalmente tienen relaciones H / C < 1, por lo que su capacidad para generar especies de degradación volátiles e inflamables a temperaturas inferiores a 500 °C, es muy limitada.
En consecuencia, tienen valores de LOI generalmente superiores a 30% y generalmente se consideran suficientemente resistentes a las llamas, como para utilizarlas en tejidos ignífugos.
(1) Aromáticos : compuestos orgánicos que contienen un anillo plano insaturado de átomos, que se estabiliza mediante la interacción de los enlaces que forman el anillo.
(2) Alifáticos : compuestos orgánicos que disponen de una cadena abierta (ya sea lineal o ramificada) como estructura de sus moléculas.
Transiciones térmicas y valores de LOI para determinados polímeros formadores de fibras aromáticas resistentes a altas temperaturas :
3_ Estrategias ignífugas para romper con el ciclo de combustión.
Para que un material polimérico experimente una combustión en llamas, primero debe degradarse para generar volátiles combustibles que escapen y se mezclen con una atmósfera oxidativa.
Siempre que la temperatura esté por encima de la temperatura de ignición o haya una fuente de ignición adecuada, esta mezcla se encenderá.
Las llamas producirán productos gaseosos, humo y vapores, así como calor.
Parte del calor se conducirá o irradiará al polímero original, para causar una mayor degradación. Siempre que este calor sea lo suficientemente intenso, se establecerá un ciclo de combustión.
Utilizaremos el siguiente esquema para comprender como se pueden diseñar y adoptar diferentes estrategias ignífugas, para romper con el ciclo de combustión :
Ciclo de combustión, con los mecanismos de acción de los diferentes retardantes de llama, para romper con dicho ciclo y evitar así, la formación y/o propagación de la llama.
La figura muestra los tres mecanismos principales de acción (A), (B) y (C) , utilizados para cortar el ciclo de combustión y evitar la propagación de la llama.
MECANISMO (A)
Ofrece un efecto de barrera térmica a través de la formación de carbón u otros residuos y/o un efecto de disipador térmico, mediante el cual el calor se elimina o se evita que regrese al polímero.
Dentro de éste grupo se incluyen aquellos que tienen altos calores de fusión y/o degradación y/o deshidratación (por ejemplo agentes que contienen fósforo inorgánico y orgánico, hidróxido de aluminio o ‘hidrato de alúmina’ en recubrimientos posteriores), así como aquellos con propiedades intumescentes. Los boratos simples, operan mediante la formación de depósitos de superficie vítrea, que actúan como una barrera térmica al sustrato textil subyacente.
MECANISMO (B)
Está ejemplificado por la mayoría de los retardantes de llama que contienen fósforo y nitrógeno en celulosa (por ejemplo, algodón) y complejos de lana y metales pesados en lana.
La formación de carbón, es más difícil de lograr en las fibras termoplásticas comunes que no reticulan durante la degradación térmica. La excepción son las fibras poliacrílicas, en las que es evidente la formación de carbón y esto se mejora en presencia de retardantes de llama que contienen fósforo y nitrógeno como el polifosfato de amonio.
MECANISMO (C)
Actúa incorporando especies que rompen químicamente la reacción en cadena de la llama, o bien diluyendo físicamente las especies de reacción presentes.
El primero, ocurre cuando intervienen retardantes de llama que contienen halógeno (por ejemplo Br* o Cl*), generalmente en combinación con óxido de antimonio III como sinergista.
La dilución física de la llama, ocurre cuando hay retardantes que liberan agua (como hidratados) o cuando existen retardantes que promueven la formación de carbón, asi como también con aquellos retardantes que contienen halógenos, pero que liberan haluros de hidrógeno, antes de entrar en especies de rotura de cadenas químicas, como mencionamos en el primer caso.
3.1_ Observaciones :
Existen varios retardantes de llama que funcionan en más de un modo. Desde luego, estos son los más efectivos.
Además, algunas formulaciones ignífugas, producen productos intermedios en fase líquida, que humedecen las superficies de las fibras, actuando como barreras térmicas y de oxígeno: las bien establecidas mezclas de borato / ácido bórico, actúan de esta manera y promueven la formación de carbón.
4_ Conclusión
Sin duda, los retardantes de llama más efectivos, son aquellos que promueven la formación de carbón, al convertir la estructura de la fibra orgánica, en un residuo carbonoso o carbonizado (modo (B)).
Indirectamente, estos retardantes de llama, que requieren absorción de calor para que funcionen, ofrecerán adicionalmente el modo (A) y, al liberar moléculas no inflamables, como CO2 (dióxido de carbono), NH3 (amoníaco) y H2O (agua), durante la formación de carbón, también el modo (C).
Además, el carbón se comporta como una réplica carbonizada del tejido original, que continúa funcionando como una barrera térmica, a diferencia de las fibras termoplásticas inherentemente ignífugas, por ejemplo.
Los retardantes de llama que forman carbón, por lo tanto, ofrecen resistencia a la llama y al calor, a una fibra textil y, por lo tanto, pueden competir con muchas de las llamadas fibras resistentes al calor y a la llama de alto rendimiento, como las aramidas y fibras similares.
Sergio De Guevara
Consultor Corporativo. Especialista en Indumentaria laboral y de protección