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EuroWire – Marzo de 2009
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artículo técnico
Los sistemas calcio-cinc son una buena
alternativa a los estabilizadores a base de
plomo, como demuestra su actual uso
creciente. Las principales áreas de aplicación,
donde los sistemas Ca-Zn han tenido mayor
éxito, son el sector del alambre y cable, el
interior de automóviles, seguidas de tubos y
perfiles.
Se han elegido los compuestos metálicos
como estabilizadores sin plomo porque su
efecto en el cuerpo humano es despreciable
y, por lo tanto, es improbable que sean
sujetos a regulaciones y limitaciones en
el futuro. Combinando los estabilizadores
hechos de estos materiales, se ha desarrollado
una resina de PVC con un estabilizador sin
plomo adecuada para los aislamientos y los
revestimientos de los alambres.
3.2 La función de los retardantes de la
llama en el PVC
Se puede describir el proceso de combustión
con los pasos siguientes:
Calentamiento
•
Descomposición (pirolisis)
•
Ignición y combustión
•
Propagación con retorno térmico
•
El calentamiento del material por fuentes
térmicas externas aumenta la temperatura
del material, con una velocidad que depende
de la intensidad del calor emitido, de las
características de conductividad térmica
del material, del calor latente de la fusión y
vaporización, y del calor de descomposición.
Al alcanzar una determinada temperatura,
el material inicia a degradarse, formando
mezclas gaseosas y líquidos. Estas mezclas
se forman a una velocidad que depende de
la intensidad a la cual se calienta el material
polimérico.
La concentración de los productos en
descomposición, mezclándose con el aire
circundante, aumenta hasta alcanzar el
intervalo de inflamabilidad. En esta situación,
la presencia de una fuente de calor causa la
ignición de la mezcla. El calor producido es
irradiado parcialmente al material (retorno
térmico), de manera que éste continúa su
pirolisis.
La acción del retardante de la llama consiste
en eliminar o limitar uno de los factores,
actuando en modo físico o químico (o
ambos), en los productos líquidos, sólidos o
gaseosos que se forman durante el proceso.
La acción física es de tres tipos:
Enfriamiento del proceso de retorno
•
térmico, que interrumpe el suministro de
calor necesario para continuar la pirolisis
del material polimérico
Dilución de la mezcla de combustión
•
Formación de una capa protectora,
•
es decir, se protege el material
polimérico sólido con el oxígeno de la
rica fase gaseosa, mediante una capa
de protección sólida o gaseosa. Ésta
reduce el calor irradiado al polímero,
ralentizando por consiguiente la pirolisis
y reduciendo el aporte del oxígeno al
proceso de combustión
La acción química se puede distinguir en:
•
Reacción en fase gaseosa: los radicales
•
se generan a partir del retardante de la
llama químicamente para tomar parte en
el proceso de combustión
La reacción en fase condensada se puede
•
realizar de dos maneras. La primera
consiste en formar una capa protectora
carbonosa (residuo carbonoso) en
la superficie del polímero, que tiene
características de aislamiento térmico y
actúa como barrera entre los productos
de pirolisis y el oxígeno. La segunda
es que esta capa aumenta y retrasa el
proceso de retorno térmico
El retardante de la llama agregado al material
puede ser de varios tipos:
Reactivo: reacciona químicamente con el
•
polímero
Aditivo: mezclado al polímero
•
Reactivo y aditivo: contenidos en el
•
material en ambos modos
La selección de retardante de la llama es
influenciada por
Toxicidad
•
Biodegradabilidad
•
Estabilidad térmica en el polímero
•
Normalmente, el trióxido de antimonio
(Sb
2
O
3
) es agregado para reducir la
inflamabilidad
del
PVC
plastificado;
sin embargo, el Sb
2
O
3
detiene mejor el
mecanismo de la cadena de radicales en fase
gaseosa, pero aumenta la cantidad de humo
generado en caso de incendio.
Muchos fabricantes de PVC han mostrado
interés por otros aditivos retardantes de
la llama que son menos inflamables y no
producen componentes tóxicos o corrosivos.
El retardante de la llama no debería
influenciar negativamente a las características
específicas del PVC.
Cualquier mejora de la capacidad de
retardar la propagación de la llama debería
ir acompañada de una reducción de la
densidad del humo. En caso de incendio, el
PVC emite cloruro de hidrógeno (HCI), con la
humedad siempre presente en el aire.
Normalmente, se usa el carbonato de calcio
en el PVC como barredor de ácido y carga
rentable. Un retardante de la llama ideal
debería ofrecer también estas ventajas.
3.3 Estudio de una posible
incorporación de nanocargas
en el PVC
Se
ha
observado
recientemente
un
gran interés por los nanocompuestos
poliméricos
(PNC),
especialmente
por
los
nanocompuestos
polímero-arcilla.
Se pueden obtener tres tipos principales
de nanocompuestos cuando un silicato
estratificado es dispersado en una base
polimérica. Esto depende de la naturaleza
de los componentes usados como la base
polimérica, el silicato estratificado y el catión
orgánico. Si el polímero no puede intercalarse
entre las láminas de silicato, se obtiene un
microcompuesto. El compuesto de fases
separadas que se obtiene presenta las mismas
propiedades que los microcompuestos
convencionales.
Además de esta clase convencional de
compuestos carga-polímero, se pueden
obtener dos tipos de nanocompuestos:
Estructuras intercaladas, que se forman
•
cuando una o a veces varias cadenas
poliméricas extendidas son intercaladas
(entremetidas) entre las capas de
silicato. El resultado es una estructura
bien ordenada formada por varias capas
alternando capas poliméricas y capas
inorgánicas.
Estructuras exfoliadas o delaminadas,
•
que se obtienen cuando los silicatos son
dispersados completa y uniformemente
en una base polimérica continua. La
configuración de la delaminación reviste
un interés especial porque aumenta al
máximo las interacciones polímero-arcilla,
poniendo a disposición del polímero
toda la superficie de las capas. Esto
debería llevar a cambios significativos de
las propiedades mecánicas y físicas.
Para caracterizar las estructuras de los
nanocompuestos, se usan dos técnicas
analíticas complementarias. La difracción
de rayos X (XRD) se usa para identificar
estructuras intercaladas a través de la
determinación de los espacios entre las
capas.
Los
nanocompuestos
pueden
aportar mejoras significativas respecto a
los polímeros vírgenes, con el contenido de
los silicatos estratificados modificados en
el rango de 2-10wt%. Se pueden obtener
mejoras de varias propiedades:
propiedades mecánicas, como la tensión
•
compresión, doblado y fractura
•
Ciclo de combustión del polímero
▲
▲
Elementos
volátiles
oxígeno
Llama
Productos
Calor
Polímero
Ciclo de
combustión del
polímero
Dispersión
Fase gaseosa
Residuo
carbonoso
Fase
condensada
Intercalado
(nanocompuesto)
Exfoliado
(nanocompuesto)
Fases separadas
(microcompuesto)
Silicato estratificado Polímero
Diagrama que muestra los tres tipos principales de
▲
▲
nanocompuestos que se pueden obtener cuando
un silicato estratificado es dispersado en una base
polimérica