Lo esencial sobre un sistema ignífugo exitoso

Publicado por  Equipo de recubrimientos de alto rendimiento el 08/04/2020

El tiempo es una cuestión fundamental cuando se habla de seguridad contra incendios. Todos los productos diseñados para ser ignífugos están pensados para mantener a las personas seguras ya sea previniendo un incendio o reduciendo su velocidad, lo que da tiempo para escapar del peligro. La resistencia al fuego está integrada en casi todo lo que nos rodea: muebles para el hogar, oficinas, vehículos, aerolíneas, embarcaciones comerciales e incluso algunas prendas de vestir.

Para los diseñadores de productos ignífugos, existe una variedad de factores a considerar antes de comenzar el trabajo de desarrollo con los materiales. Por ejemplo:

  • ¿El producto debe ser duro, blando o elástico?
  • ¿Es importante la apariencia: brillante, mate, transparente o pigmentada? ¿Es un producto visible cuando se usa o se aplica donde el consumidor final no lo verá?
  • ¿El producto necesita ser lavado y resistente al agua?
  • ¿Qué métodos de prueba se utilizarán?
  • ¿Un sistema ignífugo sobrevivirá el proceso de fabricación?
  • ¿Cuáles son los límites regulatorios aceptables para los materiales?

Conocer la prueba de resistencia al fuego que deben pasar es fundamental para diseñar productos. Las normas nacionales y estatales varían según la aplicación. Por ejemplo: 

  • Las normas de la Asociación Nacional de Protección contra los Incendios (NFPA), como la NFPA 701 sobre Inflamabilidad vertical de telas
  • Underwriters Laboratory UL 94 de Inflamabilidad de materiales plásticos
  • Norma de seguridad para vehículos motorizados MVSS 302
  • Prueba del túnel ASTM E-.84
  • Norma británica 5852 para tapicería
  • Asociación Canadiense de Normalización (CSA)
  • California TB-603 de Inflamabilidad de colchones
  • DIN 4102 - B1 alemana
  • NFP 92503 M1 francesa

La lista continúa. Todas comparten el objetivo de proteger al público y dar tiempo para escapar de una situación de incendio. Y existen laboratorios independientes para probar los productos terminados en el mundo.

Suponiendo que el desarrollador conoce las pruebas, ¿qué herramientas están disponibles para crear un producto ignífugo? Básicamente, el enfoque para apagar una llama es eliminar una o más patas del triángulo de fuego: combustible, oxígeno y calor.

Combustible

En recubrimientos y productos compuestos, el combustible puede ser el sustrato, por ejemplo, papel, tejidos de nylon, poliéster, algodón, películas, madera y polímeros combustibles utilizados en la industria de la construcción. Siempre que sea posible, deben elegirse materiales que no contribuyan al combustible en una situación de incendio. Las fibras de vidrio y cerámica no se queman, algunos materiales de alta ingeniería son muy resistentes a la combustión como el Nomex®, el Kevlar® y las fibras de carbono.    

Una prueba de combustibilidad es la Prueba de índice de oxígeno limitante (LOI%) ASTM D2863.  Esta prueba mide la cantidad mínima de oxígeno como requisito porcentual para facilitar la combustión de un polímero. Cuanto más elevado sea el número, mayor será la resistencia al fuego. El contenido de oxígeno atmosférico es del 21%.   Un LOI por encima del 21% se considera ignífugo y por debajo del 21% se considera que un polímero es combustible.

Índice de oxígeno limitante (LOI) de materiales de uso común 

Material LOI % Inicio de la descomposición °C / Punto de fusión (Tf °C) Componente ignífugo
Fibras de vidrio / minerales ND ND No se prende fuego
PTFE 95 300-327 - No se prende fuego Flúor
PVDC y copolímero 60 225-232 Cloro
PVC y copolímero 37-39 245-270 Cloro
NOMEX® 28.5-30 350 Fibra de para-aramida
Polímero retardante de llama no halógeno (NHFR) (Lubrizol) 29.5 175-390 Nitrógeno/Fósforo
Kevlar® 29 500 Fibra meta-aramida
Lana 24-25 500-600 - No se funde Amida NOx
Poliuretano bromado 23 160-200 Bromo
21% de oxígeno en la atmósfera
Poliéster 20-21 560 / Tf = 249 Combustible
Nylon 20-21.5 532 / Tf = 249 Combustible
Polipropileno 17-18 260 / Tf =  133  Combustible
Aglutinante acrílico 18-20 210  Combustible
Algodón / Papel 18-21 300 / Descomposición lenta  Combustible
Caucho estireno-butadieno  18 150-350  Combustible
 

Calor y oxígeno

Estas otras dos patas están interrelacionadas en cuanto a los pasos a seguir para eliminarlas de un frente de fuego. Muchas sustancias químicas ignífugas actúan en la fase gaseosa. El gas que se desprende de polímeros o aditivos sirve para eliminar el oxígeno del frente de fuego. Los materiales comunes en fase gaseosa incluyen el nitrógeno, los halógenos como el bromo o el cloro, los compuestos de fósforo y el agua. Al mismo tiempo, se produce un efecto de enfriamiento a medida que estos materiales se descomponen.  Otro mecanismo es la carbonización. La sustancia carbonosa aísla los materiales del frente de fuego y proporciona una barrera que impide la combustión.

La temperatura de descomposición de los materiales ignífugos varía mucho. Es importante combinar las temperaturas de descomposición con el compuesto final en cuestión. Por ejemplo, una fibra de bajo punto de fusión como el polietileno o el polipropileno se fundirá a los 130 °C, antes de la temperatura de descomposición. Un compuesto hecho de fibra de vidrio no se encogerá por la llama, y un material celulósico como el papel o el algodón permanecerá en el frente de fuego por más tiempo y experimentará más calor que un sintético de bajo punto de fusión.   Normalmente se utilizan el polifosfato de amonio (PFA), trihidrato de aluminio (THA), cianurato de melamina (CM) y decabromodifenil etano (DBDPE, por sus siglas en inglés).

Temperaturas de descomposición típicas de materiales ignífugos comunes

Material Inicio de la descomposición °C Ingrediente activo o resistencia al fuego % en peso de la fase gaseosa
Carbonato de amonio* 58 Dióxido de carbono + agua 67
Trihidrato de aluminio (THA) 230 Agua. Sustancia carbonosa 35
Polifosfato de amonio (PFA)* 285-290 Óxidos de fósforo. Óxidos de nitrógeno. Óxidos 73
Cianurato de melamina (CM) 305-320 Nitrógeno y óxidos. Agua. Sustancia carbonosa. 49
Hidróxido de magnesio 330 Agua. Sustancia carbonosa 31
Decabromodifenil etano (DBDPE) 330 Bromo. Sustancia carbonosa 82
 Carbonato de calcio 825 Dióxido de carbono. Agua 44
* *Indica solubilidad en agua, a menos que se trate especialmente

Sinergistas ignífugos

Los sinergistas comunes, como el trióxido de antimonio, el pentóxido de antimonio y el borato de zinc se incluyen en formulaciones ignífugas para mejorar el rendimiento general y el costo económico.   Los compuestos de antimonio a menudo se combinan con materiales ignífugos bromados y clorados. El trióxido de antimonio se utiliza comúnmente con polímeros y aditivos halogenados en una proporción de  3:1 a 5:1 de halógeno a trióxido de antimonio. El pentóxido de antimonio es una partícula coloidal de apariencia transparente en comparación con el trióxido de antimonio que es un recubrimiento mucho más grande y opaco. Los compuestos de boro funcionan de manera similar con materiales ignífugos halogenados y actúan en las fases condensada y de vapor de la combustión.

Consideraciones adicionales para materiales ignífugos

Pueden producirse gotas flamígeras cuando el sustrato ardiente se rompe o se cae de la muestra y continúa quemándose.   Muchos métodos de prueba requieren que la gota flamígera se extinga dentro de un período de tiempo determinado.   Otras normas de prueba no permiten ninguna gota flamígera. Aunque las gotas flamígeras pueden ser difíciles de resolver, en particular en ciertos sustratos, se pueden agregar aditivos como el cianurato de melamina a los compuestos ignífugos.   Un mayor grado de reticulación dentro del compuesto o el sustrato también puede ayudar a prevenir el flujo del recubrimiento, lo que, a su vez, puede ayudar a reducir las gotas flamígeras.

Si bien los materiales ignífugos halogenados son extremadamente efectivos para prevenir un incendio, el humo y las sustancias volátiles generadas por el incendio totalmente desarrollado han sido objeto de escrutinio. La densidad y toxicidad del humo son cuestiones de gran preocupación cuando se considera la capacidad de supervivencia en una situación de incendio. Se ha aumentado el foco en los materiales ignífugos libres de halógenos para reducir el humo, así como para disminuir su toxicidad. Los rellenos hidratados también han demostrado impartir un marcado efecto supresor de humo en recubrimientos ignífugos.   

Además de las gotas flamígeras y la generación de humo, se mide y delimita la luminiscencia residual con regularidad durante los ensayos de inflamabilidad.   La luminiscencia residual es la combustión residual ardiente que permanece después de que se elimina la llama. Es un problema dado que posiblemente pueda causar que el fuego se vuelva a encender incluso después de extinguida la llama inicial. Dependiendo del sustrato, el polifosfato de amonio, el borato de zinc y la melamina se usan comúnmente para suprimir, reducir o prevenir la luminiscencia residual.

Recubrimientos intumescentes

Un enfoque ignífugo especial consiste en fabricar recubrimientos que forman una espuma carbonosa en presencia de fuego que aísla la superficie de la llama. La capa carbonosa bloquea tanto el calor como el oxígeno en el frente de fuego. Los sistemas intumescentes más comunes utilizan los siguientes componentes en seco.

  • Una fuente ácida (polifosfato de amonio) [ácido fosfórico] - 3 partes
  • Fuente de carbono (dipentaeritritol) - 1 parte
  • Un agente espumante (melamina) [agente espumante de nitrógeno] - 1 parte
  • Aglutinante para mantener esto unido - [idealmente que se forme la sustancia carbonosa] - 1-2 partes

La debilidad de los recubrimientos intumescentes es que no son muy duraderos y pueden dañarse con el agua.

Garantizar la protección adecuada

Las sustancias químicas ignífugas generalmente contienen halógenos, son a base de fósforo o son intumescentes y son rellenos y sinergistas combinados (o mezclas de dichas sustancias químicas) de modo de actuar en una o más fases durante el mecanismo de combustión. Para crear un sistema, recubrimiento o compuesto ignífugo existoso, se deben considerar numerosos factores. El sustrato a tratar (o recubrir) dictará el tipo de material ignífugo seleccionado. Las pruebas que el sustrato o compuesto debe pasar influirá en los niveles de resistencia al fuego. El método de acabado y recubrimiento ayudará a definir las propiedades físicas del sistema ignífugo. Las cuestiones de costo y las limitaciones sanitarias/ambientales también determinarán el proceso de formulación.

Lubrizol puede ayudar a los especialistas en desarrollo de fórmulas a identificar un enfoque sólido para explorar las sustancias químicas adecuadas a considerar para distintas aplicaciones ignífugas. Contáctenos para dar el siguiente paso.

NOMEX® y Kevlar® son marcas registradas de DuPont de Nemours, Inc.

Equipo de recubrimientos de alto rendimiento

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