Mejora la seguridad con compuestos poliméricos

retardantes a la llama con óxido de grafeno

Los compuestos poliméricos (plásticos de ingeniería) son utilizados ampliamente en la industria automotriz, la construcción, la industria alimenticia, la aeroespacial y otros sectores. Su uso esta basado en la relación peso/resistencia, estabilidad física, resistencia química y resistencia a la corrosión.

Sin embargo, la mayoría de los polímeros, debido a su naturaleza, son inflamables y combustibles. Es decir, son materiales que se incendian rápidamente cuando son expuestos al fuego, sufriendo degradación y liberación calor para posteriormente iniciar la propagación de las llamas. Durante la combustión de los polímeros, liberan humo (hollín) y gases tóxicos que son un peligro para la seguridad de la vida humana y los bienes materiales.

Durante la combustión de materiales poliméricos intervienen cuatro componentes clave: calor, oxígeno, combustible y reacción de radiales libres. La retardancia a la flama de los materiales compuestos poliméricos puede conseguirse inhibiendo o perturbando uno o varios de estos componentes.

En los últimos años, se han realizado múltiples investigaciones para desarrollar aditivos que ayuden a inhibir o reducir la inflamabilidad de los polímeros, estos aditivos son conocidos como retardantes a la flama.

Los retardantes a la flama convencionales pueden clasificarse en dos principales categorías, en función de sus componentes: retardantes de flama inorgánicos y retardante de flama orgánicos. Los primeros incluyen hidróxido, óxido metálico, fosfato, silicato entre otros. Tiene excelente estabilidad térmica, no son tóxicos, son de bajo costo y no producen contaminación. Sin embargo, los retardantes de flama inorgánicos están limitados por elevada carga, baja compatibilidad y agregación. Por otro lado, los retardantes de flama orgánicos incluyen retardantes de flama que contienen halógenos, fósforo, fósforo-nitrógeno, etc. Estos últimos presentan alta eficacia y buena compatibilidad con los polímeros. Su principal desventaja es que tienen restricción porque pueden liberar gases tóxicos y ser nocivos durante la combustión, poniendo en peligro la salud de las personas y el medio ambiente.

Actualmente el óxido de grafeno (GO), es el nanomaterial más novedoso para su uso como retardante de flama, debido a que exhibe alta eficacia como retardante con bajas cargas y no es tóxico. Su eficiencia está asociado que el óxido de grafeno tiene un fuerte efecto barrera, alta estabilidad térmica y gran capacidad de absorción superficial que son favorables para reducir eficazmente la transferencia de calor y masa.

Los retardantes de flama a base de grafeno pueden mejorar la resistencia a la flama de los polímeros mediante la inhibición de los dos términos clave: calor y combustible. Más concretamente, el óxido de grafeno puede funcionar como retardante de flama de diferentes formas sinérgicas.

1. En primer lugar, el GO posee una estructura de capas bidimensional única y puede promover la formación de una densa capa continua de carbón durante el proceso de combustión. El carbón puede actuar como barrera física para impedir la transferencia de calor desde la fuente de calor y retrasar el escape de productos (pirolisis) del sustrato polimérico.
2. En segundo lugar, el GO tienen una gran área superficial específica y puede adsorber eficazmente compuestos orgánicos volátiles inflamables o dificultar su liberación y difusión durante la combustión.
3. En tercer lugar, el GO contienen abundantes grupos reactivos que contienen oxígeno (grupo carboxilo en los bordes, así como grupos epoxi e hidroxilo en los planos basales en las láminas). Por ejemplo, los grupos que contienen oxígeno pueden sufrir descomposición y deshidratación a baja temperatura, absorbiendo así calor y enfriando el sustrato polimérico durante la combustión. Mientras tanto, los gases generados por deshidratación pueden diluir la concentración de oxígeno alrededor de la periferia de ignición, disminuyendo el riesgo de propagación de fuego.
4. También puede modificar el comportamiento reológico del polímero e impedir su goteo, dificultando así la liberación y difusión de productos volátiles de descomposición a través del ”efecto laberinto” y afectando a la retardancia a la flama de los compuestos (por ejemplo, modificando la clasificación UL-94, el índice de oxígeno (OI) y el tiempo de ignición (TTI).

En estudios realizados, se ha encontrado que la incorporación de óxido de grafeno funcionalizado (5 % en peso) en Polipropileno (PP), incremento el módulo de Young y el límite elástico del PP en un 53 % y un 11 %, respectivamente. Mientras que en los resultados de la prueba de flamabilidad (UL-94), indica que la presencia de GO produce un cambio en el comportamiento de la masa fundida y evita que el material gotee.

Por otro lado, se han reportado la preparación de compuestos poliméricos en mezclado en fundido (extrusión), de Poliestireno/GO, donde se encontró que el GO (5 %) puede promover la carbonización en la superficie del polímero (capa de material carbonizado) y en el interior la presencia de un carga o relleno que presenta alta resistencia al calor y contribuye a la formación de residuos de carbón, mejorando la resistencia a la flama de los compuestos a base de poliestireno.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch, ha desarrollado y tiene a la venta una amplia gama de masterbatches con óxido de grafeno, basados en varios polímeros, como PP, HDPE, LDPE, PET y PA6.

La incorporación de grafeno y derivados de grafeno (GO) a matrices poliméricas, ha permitido el desarrollo de compuestos poliméricos con mejores propiedades mecánicas, con mayor estabilidad térmica, capacidad de barrera contra gases y reducir la flamabilidad de los compuestos poliméricos.

Referencias

1. Han Y, Wu Y, Shen M, Huang X, Zhu J, Zhang X. Preparation and properties of polystyrene nanocomposites with graphite oxide and graphene as flame retardants. J Mater Sci 48:4214.
2. Hofmann D, Wartig K-A, Thomann R, Dittrich B, Schartel B, Mu¨lhaupt R. Functionalized graphene and carbon materials as additives for melt-extruded flame retardant polypropylene. Macromol Mater Eng 298:1322.
3. Dittrich B, Wartig K-A, Hofmann D, Mu¨lhaupt R, Schartel B. Flame retardancy through carbon nanomaterials: carbon black, multiwall nanotubes, expanded graphite, multi-layer graphene and graphene in polypropylene. Polym Degrad Stab 98:1495.