Nueva generación de plásticos resistentes al calor y al fuego
Gracias a la nanotecnología, el proyecto europeo PHOENIX permite sustituir los aditivos ignífugos halogenados por nuevas sustancias más respetuosas con el medio ambiente y la salud.
La tecnología desarrollada en el proyecto permite reducir al 15% la presencia de aditivos, frente al 30% o 60% que es necesario incorporar actualmente en el caso de otros aditivos no halogenados.
Hoy en día, los aditivos ignífugos halogenados se emplean en un amplio rango de artículos comerciales como equipos eléctricos y electrónicos, cables de baja tensión o electrodomésticos. La importancia de eliminarlos de la composición de estos productos se debe a que se trata de unas sustancias peligrosas tanto para el medioambiente como para la salud pública, y de hecho, su uso y reciclaje se contemplan en diferentes directivas europeas como la WEEE y la RoHS, según explica Begoña Galindo, investigadora principal del proyecto en AIMPLAS.
El problema de los aditivos no halogenados que podemos encontrar actualmente en el mercado como alternativa a los tradicionales es que son mucho menos eficaces. Es decir, los polímeros deben ser aditivados con entre un 30% y hasta un 60% de sustancia ignifugante para conseguir un buen comportamiento frente al fuego, mientras que los halogenados son eficaces empleando únicamente un 15% de aditivo. Pero al incorporar un porcentaje tan elevado de carga en la matriz polimérica se modifican en gran medida las propiedades mecánicas del compuesto final que así resulta mucho más frágil.
En el proyecto, además de AIMPLAS, participan otros 14 socios incluyendo centros tecnológicos y empresas de ocho países europeos entre las que destacan las españolas como Avanzare y Conductores Eléctricos Revi. Con una duración de 48 meses y un presupuesto de siete millones de euros, este proyecto europeo coordinado por el centro valenciano, tiene como objetivo desarrollar una nueva generación de plásticos ignífugos prescindiendo de los tradicionales aditivos retardantes halogenados.
The research leading to these results has received funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under Grant Agreement nº 310187
Tendencias en materiales ignifugantes
En los últimos años, los materiales convencionales están siendo sustituidos por polímeros sintéticos, pero la mayoría de ellos son inflamables y en presencia de un fuerte calor y oxígeno pueden arder.
Por este motivo se hace imprescindible investigar para obtener plásticos ignífugos. Para ello hay que trabajar en el desarrollo de materiales retardantes a la llama que disminuyan los peligros del fuego.
El objetivo principal de la ignifugación es incrementar la resistencia de un material al fuego y disminuir la velocidad de propagación de la llama y calor desprendidos. Sin la ayuda de estos materiales ignífugos, la mayoría de los plásticos estarían vetados para su uso en diversos sectores.
Retardantes de llama tradicionales
La demanda de retardantes de llama ha ido variando en los últimos años, ya que además de su efectividad en caso de incendio, los sistemas ignífugos han de cumplir una serie de requisitos:
• No deben ser tóxicos
• No deben migrar
• Deben mantener sus propiedades mecánicas
En el campo de retardantes a la llama, los aditivos halogenados (basados en compuestos de orgánicos de bromo y cloro) han competido tradicionalmente en desventaja debido a regulaciones medioambientales. Este hecho obliga a que en muchas aplicaciones sea necesario el empleo de aditivos no halogenados como hidróxidos de magnesio o trióxidos de aluminio.
Sin embargo se requiere una concentración elevada para alcanzar un grado de enfriamiento capaz de inhibir la ignición. En caso de incendio, el agua, originalmente incorporada como hidrato, es liberada, y el plástico vuelve a ser inflamable. Otro inconveniente es que estos aditivos incorporados en porcentajes tan altos afectan a la procesabilidad y a las propiedades físicas y térmicas del material.
Además de los retardantes de llama anteriores, se utiliza el óxido de antimonio por su efecto sinérgico con los compuestos halogenados y otros retardantes como el ácido bórico y productos orgánicos fosfohalogenados.
Los sistemas ignífugos basados en fósforo obstaculizan el proceso de combustión provocando una carbonización de la superficie, la cual protege de los subsiguientes efectos de calor e interrumpe el suministro de oxígeno y, por lo tanto, la propagación de las llamas. Un mecanismo que es considerablemente más efectivo que la liberación puramente física del agua.
Nanoretardantes a la llama
La última generación de ignifugantes son los llamados nanomateriales. La mayoría de los nanocompuestos de matriz polimérica poseen partículas con una elevada relación de aspecto y superficie específica que facilita la interacción entre el polímero y la partícula.
Empleando pequeñas cantidades de carga (0.5-5%) pueden aumentarse propiedades como la rigidez, resistencia térmica y disminuirse otras como la absorción de agua y permeabilidad a gas.
Durante estos últimos años se está estudiando la influencia de distintas nanopartículas en el comportamiento al fuego de materiales plásticos tanto de forma aislada como en combinación con otros sistemas ignifugantes, logrando resultados muy esperanzadores. El interés de los nanocompuestos se centra en la disminución del tiempo de ignición y la eliminación del goteo. Todo ello debido a la formación de una capa de carbonilla o red tridimensional durante el progreso del fuego, que protege al resto del material de propagar el incendio.
Se pueden distinguir tres tipos de nanocompuestos dependiendo de cuántas dimensiones de las partículas dispersas son del orden de nanómetro.
1. Las Nano-1D son estructuras laminares planas como las nanoarcillas
2. Las Nano-2D son estructuras longitudinales como los nanotubos o las nanofibras de carbono
3. Las Nano-3D son nanopartículas isodimensionales, como las nanopartículas esféricas de sílice
Uno de los retos actuales de la nanotecnología es el desarrollo de metodologías que permitan obtener nanocompuestos de un grado de dispersión uniforme así como una fuerte unión matriz-partícula, hecho que influirá significativamente en las propiedades finales del nanocompuesto.
Plásticos ignífugos: desarrollo de nuevos materiales compuestos sostenibles para el Transporte Público y Construcción
En marzo de 2016 se iniciaron los trabajos del proyecto PYROS, cuyo objetivo principal es la investigación y el desarrollo de composites sostenibles de alta resistencia al fuego para aplicaciones técnicas en el transporte público y la construcción.
Para ello, se potenciará el uso de materiales sostenibles, entre los que cabe destacar los materiales poliméricos tanto de naturaleza termoplástica como de naturaleza termoestable, y estructuras textiles de fibras naturales, los cuales permitirán desarrollar composites sostenibles, respetuosos con el medio ambiente.
Para la consecución del objetivo global del proyecto las tareas de investigación están orientadas al desarrollo de soluciones técnicas tales como:
• Investigación y desarrollo de composites sostenibles de matriz termoplástica y termoestable de alta resistencia al fuego.
• Fabricación a escala piloto de demostradores a partir de los composites sostenibles desarrollados con posibilidades de aplicación en el sector de la construcción y el transporte público.
Nuevos materiales plásticos
Durante 2016 se trabajará en el desarrollo y validación de la siguiente tipología de materiales:
• Hilados con capacidad ignífuga por aditivación de productos FR.
• Films termoplásticos con capacidad FR.
• Resinas termoestables con capacidad FR.
• Hilados y tejidos de fibras naturales con acabados ignífugos.
• Hilados híbridos a partir de los hilados poliméricos y los hilos de fibra naturales FR.
• Tejidos híbridos a partir de los hilados híbridos desarrollados.
• Composites termoplásticos y termoestables ignífugos optimizados para su validación y posterior traslado de los resultados a la fabricación de los demostrados en un entorno relevante.
Este proyecto ha solicitado apoyo económico a la Conselleria d’Economia Sostenible, Sectors Productius, Comerç i Treball a través del IVACE, y cuenta con fondos FEDER de la UE, dentro del Programa Operativo FEDER de la Comunitat Valenciana 2014-2020.
AIMPLAS, referentes en la investigación en nanomateriales
La nanotecnología permite dotar al plástico de propiedades antimicrobianas, auto-reparables, ignifugantes, medioambientales o de conductividad eléctrica, entre otras. AIMPLAS es un centro de referencia en nanomateriales, demostrado al ser la institución que más retorno obtuvo en el 7º Programa Marco Europeo en materia de Nanociencias, Materiales Nanotecnologías y Nuevas Tecnologías de Producción (NMP).