Per chi lavora con la plastica, l’utilizzo di additivi antifiamma è spesso richiesto per diminuire il rischio di propagazione del fuoco in caso di incendio.
Abbiamo spiegato in uno nostro precedente articolo la differenza tra antistatici e antifiamma, dove abbiamo anticipato come funziona la combustione e il ruolo che gli additivi flame retardant hanno nel combatterla. Oggi entriamo un po’ più nel dettaglio dei meccanismi antifiamma.
Gli additivi ritardanti di fiamma spengono il fuoco?
Partiamo da un presupposto fondamentale: il compito degli antifiamma è interrompere o rallentare una o più fasi del ciclo di combustione (per esempio ritardando l’innesco o riducendo la velocità di sviluppo del calore) limitando la propagazione della fiamma. In una situazione ideale, il flame retardant riesce anche a spegnere la fiamma, ma l’obiettivo principale è guadagnare tempo per poter scappare o intervenire in maniera sostanziale sull’incendio.
Un additivo antifiamma può agire in diverse fasi (condensata, gassosa, durante il riscaldamento o durante la fusione); non esiste quindi un unico meccanismo valido per tutti gli additivi, come non esiste un antifiamma valido per tutti i polimeri. Per questo la fase di analisi del prodotto e di confronto gli altri attori della filiera di produzione (compoundatori, stampatori, etc) è fondamentale, per individuare la soluzione più adatta al singolo prodotto.
I principali meccanismi ritardanti di fiamma
Water development (o meccanismo di sviluppo d’acqua)
Questo primo meccanismo prevede l’utilizzo di idrossidi inorganici – i più utilizzati sono l’idrossido di alluminio e l’Idrossido di magnesio – che si decompongono endotermicamente quando riscaldati, dando vita a una reazione che assorbe il calore e libera vapore acqueo. Si ottengono quindi:
- raffreddamento, sottraendo calore al polimero
- diluzione dei gas infiammabili e dell’ossigeno grazie al vapore acqueo
- formazione di un residuo inorganico che può contribuire alla formazione di una barriera protettiva.
Fase Gas
In questo caso gli additivi intervengono sui radicali che propagano la combustione, come idrogeno, ossigeno e ossidrile, durante la fase gassosa. Si possono utilizzare composti bromurati oppure additivi a base fosforo.
Possiamo riassumere in maniera semplificata le differenze tra le due categorie come segue:
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ASPETTO
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ADDITIVI BROMURATI
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ADDITIVI A BASE DI FOSFORO
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Meccanismo prevalente
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Inibizione radicalica nella fase gassosa
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Inibizione in fase gassosa, formazione di char in fase condensata oppure entrambi |
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Specie attive
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Acido bromidrico e specie contenenti bromo
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Specie radicaliche fosforate, acidi fosforici/polifosforici e residui ricchi di fosforo |
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Efficienza
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Generalmente elevata a concentrazioni relativamente basse |
Variabile e dipendente dalla struttura chimica
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Sinergici comuni
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Triossido di antimonio e altri composti metallici
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Composti azotati, cariche minerali, sali metallici e altri sinergici |
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Principali criticità
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Possibile formazione di prodotti corrosivi o problematici durante la combustione |
Possibile necessità di dosaggi più elevati, influenza sulle proprietà e sulla processabilità |
Formazione di char
Questo meccanismo è promosso da additivi carbonizzanti, che stabilizzano il carbonio contenuto nel polimero e allontanano fisicamente la fonte di calore dalla sua superficie, attraverso la creazione di una barriera protettiva (char).
Si riducono quindi la volatilità delle sostanze combustibili verso l’atmosfera e il passaggio dell’ossigeno verso il polimero.
Meccanismo a intumescenza
Simile al precedente, in quanto anche qui si forma uno strato di char, è il meccanismo dell’intumescenza. Quando riscaldato, il sistema si espande e forma uno strato carbonizzato, poroso e multicellulare, che si caratterizza per una bassa conducibilità termica.
Si combinano in questo caso un’azione chimica e una fisica, in grado di ridurre significativamente il rilascio del calore e la propagazione della fiamma.
Meccanismo a gocciolamento
Infine, c’è il sistema di gocciolamento: a differenza dei meccanismi precedenti, che agiscono sulla fiamma o sulla superficie del polimero, gli additivi dripping agiscono chimicamente sul materiale polimerico, favorendo il gocciolamento del materiale fuso.
Durante la combustione il ritardante di fiamma rompe le catene del polimero, che diventano più corte, favorendo in questo modo l’allontanamento del materiale fuso, rimuovendo così calore e combustibile dalla zona interessata.
Per riassumere, un additivo antifiamma agisce interrompendo il collegamento tra produzione di combustibile, chimica della fiamma e trasferimento di calore. La scelta del giusto ritardante di fiamma va verificata caso per caso, tenendo conto della struttura del polimero, dalle condizioni di lavorazione, dalle proprietà meccaniche e – ultimo ma non ultimo – dai requisiti ambientali e regolatori.
Per questo, ti invitiamo a contattarci per approfondire insieme le necessità legate al tuo prodotto, con una mail a salesteam@greenchemicals.green! 😊
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E per avere un quadro riassuntivo sotto mano, ecco una tabella conclusiva con la comparazione dei vari meccanismi che spiegano come funziona un additivo antifiamma per materiali plastici.
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MECCANISMO
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AZIONE PRINCIPALE
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VANTAGGI
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SVANTAGGI
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POLIMERI IN CUI E' UTILE
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Sviluppo di acqua e raffreddamento |
Decomposizione endotermica, assorbimento di calore, diluizione della fiamma e formazione di residuo minerale |
Privo di alogeni, basso fumo, buona applicabilità in cavi ed edilizia |
Richiede elevati dosaggi; può ridurre proprietà meccaniche e processabilità |
EVA, PE, PP, elastomeri e alcuni termoindurenti |
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Inibizione in fase gassosa con bromo |
Interruzione delle reazioni radicaliche nella fiamma tramite specie bromurate |
Elevata efficacia a basso dosaggio; ampia applicabilità |
Possibili prodotti corrosivi, fumo e problematiche regolatorie; spesso richiede sinergici |
PE, PP, HIPS, ABS, PA, PBT, PET e PC |
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Inibizione in fase gassosa con fosforo |
Riduzione dell’attività dei radicali della fiamma tramite specie fosforate volatili |
Possibilità di combinare elevata efficienza e assenza di alogeni |
Solo alcune molecole sono sufficientemente volatili; prestazioni dipendenti dal polimero |
PBT, PA, resine epossidiche e alcune tecnoplastiche |
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Formazione di char
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Disidratazione, reticolazione e carbonizzazione del polimero o dell’additivo |
Riduce produzione di combustibile e trasferimento di calore |
Richiede un sistema carbonizzante efficace; il char può fessurarsi o ossidarsi |
PA, PBT, PET, resine epossidiche, PC/ABS |
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Intumescenza
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Formazione di uno strato espanso e isolante di char |
Forte riduzione del trasferimento di calore e massa; possibilità di sistemi halogen-free |
Formulazione complessa; possibile alto dosaggio; char fragile o sensibile all’umidità |
PP, PE, EVA, rivestimenti, elastomeri e termoindurenti |
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Gocciolamento
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Il polimero fuso si allontana dalla zona della fiamma |
Può favorire l’autoestinguenza dei provini termoplastici |
Le gocce possono propagare l’incendio; meccanismo dipendente dal test |
Alcuni termoplastici, poliolefine e tecnoplastiche |
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Diluzione con gas inerti
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Liberazione di gas non combustibili che diluiscono combustibile e ossigeno |
Può contribuire a raffreddamento e diluizione |
Raramente sufficiente come unico meccanismo |
Sistemi intumescenti, additivi azotati e idrossidi minerali |