Retardantes de llama inorgánicos

También se pueden utilizar retardantes de llama inorgánicos en espumas de poliuretano. Los ejemplos comunes incluyen trióxido de antimonio, hidróxido de aluminio, boratos y polifosfato de amonio. Sin embargo, los retardantes de llama inorgánicos suelen estar en forma de polvos particulados. Cuanto más fino sea el polvo, mejor será para aplicaciones de espuma. Ciertos procesos mecánicos de formación de espuma no pueden utilizar materiales espumantes que contengan polvos sólidos, lo que limita la aplicación de retardantes de llama inorgánicos en espumas de poliuretano.

(1) Trióxido de antimonio

El trióxido de antimonio, también conocido como óxido de antimonio o antimonio blanco, tiene la fórmula molecular Sb₂O₃. Aparece como un polvo blanco con un tamaño de partícula promedio de 1–3 μm, una densidad relativa de 5.2–5,7, y un punto de fusión de 652–656°C. Es insoluble en agua, alcohol y disolventes orgánicos, pero soluble en ácidos concentrados y soluciones alcalinas fuertes. Cuando se usa solo, el trióxido de antimonio tiene un bajo efecto retardante de llama. Debe combinarse con retardantes de llama halogenados para lograr un mejor rendimiento. Durante la combustión del polímero, se descompone para formar una densa capa protectora de gas en la superficie del material, aislando el oxígeno. Además, el trióxido de antimonio reacciona con compuestos halogenados durante la combustión para producir haluros de antimonio, que absorben una cantidad significativa de calor de combustión, reducen las temperaturas de la superficie e inhiben y retrasan eficazmente la combustión.

Debido a su diferencia de densidad con respecto a la resina de poliuretano, el trióxido de antimonio es difícil de dispersar y generalmente se usa solo en aplicaciones especializadas.

(2) Hidróxido de aluminio

El polvo de hidróxido de aluminio es el relleno y retardante de llama inorgánico más utilizado, aplicable a varios polímeros. Su desventaja es la necesidad de grandes cantidades, lo que aumenta la viscosidad del material. La forma principal utilizada como retardante de llama es α-hidróxido de aluminio trihidrato, que se presenta como un polvo cristalino blanco fino con un tamaño de partícula promedio de 1–20 μm y una densidad relativa de 2,42.

El hidróxido de aluminio contiene una gran cantidad de agua cristalina (hasta un 34% en masa). Esta agua cristalina permanece estable durante la producción de espuma pero se descompone rápidamente a las temperaturas de combustión de la espuma. alrededor 200°C, libera una cantidad significativa de vapor de agua, absorbiendo el calor de la combustión, reduciendo la temperatura de la superficie del material y formando barreras no combustibles entre la fuente de fuego y la espuma. Esta dilución de oxígeno en la zona de combustión proporciona propiedades retardantes de llama. El hidróxido de aluminio también es un supresor de humo, ya que reduce el humo y las emisiones de gases tóxicos. Durante la combustión, se produce óxido de aluminio, que favorece la formación de una capa protectora carbonizada en la superficie del polímero.

Como retardante de llama para espumas de poliuretano, se agrega principalmente mediante formulación o impregnación en suspensión para espumas blandas de células abiertas. El hidróxido de aluminio no es tóxico y es seguro de usar.

(3) Fosfato de amonio y polifosfato de amonio

El fosfato de amonio y el polifosfato de amonio (APP) contienen un alto contenido de fósforo (30–32%) y nitrógeno (14–16%), que proporciona excelente retardo de llama, estabilidad dimensional, resistencia a la hidrólisis y estabilidad térmica para espumas rígidas. Estos retardantes de llama producen un mínimo de humo durante la combustión y no generan haluros de hidrógeno. La producción de monóxido de carbono y cianuro de hidrógeno también es significativamente menor que la de las espumas de poliuretano que contienen halógenos. La toxicidad y corrosividad de los gases generados son comparables a las de los materiales no retardantes de llama.

APP es un polvo fino blanco cristalino o amorfo que consta de polímeros de cadena larga no ramificados. Dependiendo del grado de polimerización (n), la APP se clasifica como soluble en agua (n=10–20) o insoluble en agua (n>20). La APP cristalina, de uso común, tiene una excelente estabilidad térmica, baja solubilidad en agua, higroscopicidad mínima y buena dispersabilidad. Es químicamente estable y no reacciona con otros materiales. APP es un retardante de llama seguro, eficiente, no halógeno a base de fósforo con propiedades de supresión de humo. Es ampliamente utilizado en recubrimientos intumescentes ignífugos, polietileno, polipropileno, poliuretano, resinas epoxi, productos de caucho, tableros de fibra y agentes extintores de incendios en polvo seco. Sin embargo, como el APP es un polvo sólido, puede obstruir los cabezales mezcladores durante la formación de espuma mecánica, lo que lo hace inadecuado para espumas blandas en bloque.

(4) Fósforo rojo

El fósforo rojo actúa como retardante de llama al descomponerse térmicamente para formar capas de ácido fosfórico. → ácido metafosfórico → ácido polifosfórico. Estas capas cubren la superficie combustible, actuando como una barrera. El ácido fosfórico y el ácido metafosfórico exhiben fuertes propiedades de deshidratación, lo que hace que los polímeros se deshidraten en carbono, formando una capa de carbón vítreo en la superficie del polímero. Este carbón aísla el oxígeno y proporciona un resistente retardante de llama a altas temperaturas. Los retardantes de llama de fósforo rojo son eficaces, requieren dosis pequeñas, son rentables, de baja toxicidad y tienen sinergia con retardantes de llama halogenados como TCEP y DMMP. Mejoran la formación de carbón junto con compuestos que contienen nitrógeno, mejorando el retardo de llama tanto en la fase sólida como en la gaseosa.

La tecnología de encapsulación produce retardantes de llama de fósforo rojo encapsulados ultrafinos, lo que resuelve los problemas de absorción de humedad y aumenta la resistencia al fuego.

(5) Otros retardantes de llama inorgánicos

Otros retardantes de llama inorgánicos incluyen borato de zinc, metaborato de bario, hidróxido de magnesio y compuestos de óxido de antimonio y sílice.

Los retardantes de llama sólidos añadidos a materias primas líquidas tienden a sedimentarse. Por lo general, se agregan durante o inmediatamente antes de la formación de espuma. Cuando se agrega a mezclas de poliéter, se necesita agitación continua para mantener la uniformidad. Los retardantes de llama sólidos aumentan la viscosidad del material y reducen la fluidez de la espuma. La adición de cargas retardantes de llama inorgánicas puede afectar negativamente las propiedades de la espuma. Cuanto más fino sea el tamaño de las partículas, mejor será el retardo de llama y menos adverso será el impacto sobre las propiedades de la espuma.

Debido a la presencia de partículas sólidas, ciertos procesos de espumación mecánica con cabezal mezclador no se pueden utilizar. Algunas empresas nacionales e internacionales han desarrollado cabezales mezcladores especializados capaces de manejar cargas de polvo sólido.