O tempo é um salvador de vidas em uma abordagem de segurança contra incêndio. Todos os produtos projetados para serem retardantes de chamas devem manter as pessoas seguras conseguindo impedir ou retardar a propagação do fogo - dando tempo para escapar do perigo. A tecnologia de retardamento das chamas pode cobrir quase tudo à nossa volta - mobílias residenciais, escritórios, veículos, aeronaves, a marinha comercial e até mesmo as indumentárias.
Para projetistas de produtos retardantes de chamas, existe uma miríade de aspectos a serem considerados antes de começar um trabalho com materiais. Por exemplo:
- Esse produto precisa ter consistência dura, macia ou elástica?
- Como é a aparência do material - brilhante, fosco, transparente ou pigmentado? Esse produto fica visível quando em uso ou é aplicado em um local onde o consumidor final não chegará a vê-lo?
- Esse produto precisará ser lavado e ser resistente à água?
- Quais métodos de testes serão utilizados?
- O sistema de retardamento de chamas deve continuar após o processo da fabricação?
- Quais são os limites regulatórios aceitáveis para esses materiais?
Para projetar produtos, é essencial entender os testes de retardante de chamas necessários pelos quais os produtos devem ser submetidos. Os padrões dos estados e países variam conforme a aplicação. Por exemplo:
- Padrões da Associação Nacional de Proteção contra Incêndios, tal como NFPA 701 Verificador de Inflamabilidade Vertical
- Underwriters Laboratory UL 94 para Flamabilidade do Plástico
- MVSS302 Padrão de Segurança do Veículo Motorizado
- ASTM E-.84 Teste do Túnel
- Padrão Britânico 5852 para Estofamentos
- Canadian Standards Association (CSA)
- California TB-603 Teste de Flamabilidade do Colchão
- DIN 4102 - B1 Alemão
- NFP 92503 M1 Francês
A lista continua. Todos têm o objetivo comum de proteger o público e dar tempo para escapar de uma situação de incêndio. Existem laboratórios independentes para fazer os testes dos produtos finais pelo mundo.
Presumindo que o desenvolvedor queira fazer testes, quais ferramentas estão disponíveis para criar um produto retardande de chamas? Fundamentalmente, a abordagem de extinção de incêndio é apagar uma ou mais pernas do triângulo de fogo: combustível, oxigênio e calor.
Combustível
Nos produtos de revestimento e compósito, o combustível pode ser o substrato de, por exemplo, papel, algodão, poliéster, náilon, filmes, madeira e polímeros combustíveis utilizados no setor da construção. Se possível, os materiais escolhidos não devem contribuir para a propagação de chamas em uma situação de incêndio. Fibras de vidro e cerâmica não queimam, e alguns materiais altamente projetados são muito resistentes à combustão, como Nomex®, Kevlar® e fibras de carbono.
Um teste de inflamabilidade é o Teste de Índice de Oxigênio Limitante (LOI%) ASTM D2863. Este teste mede a quantia mínima de oxigênio como a porcentagem que é necessária para manter a combustão de um polímero. Quanto mais alto o número, maior a resistência da chama. O conteúdo do oxigênio atmosférico é de 21 %. LOI acima de 21 % é considerado um retardador de chamas e, abaixo de 21 %, o polímero é considerado combustível.
Índice Limitante de Oxigênio (LOI) dos Materiais Mais Usados
| Material | % LOI | Início da Decomposição °C / Ponto de Fusão (Tm °C) | Componente Retardador de Chamas |
|---|---|---|---|
| Fibras de Vidro / Minerais | NA | NA | Não Inflama |
| PTFE | 95 | 300-327 - Não Inflama | Flúor |
| PVDC e Copolímero | 60 | 225-232 | Cloro |
| PVC e Copolímero | 37-39 | 245-270 | Cloro |
| NOMEX® | 28.5-30 | 350 | Fibra Para-Aramida |
| Polímero NHFR (Lubrizol) | 29,5 | 175-390 | Nitrogênio/Fósforo |
| Kevlar® | 29 | 500 | Fibra Meta-Aramida |
| Lã | 24-25 | 500-600 - Não Fundida | NOx de Amida |
| Poliuretano Brominado | 23 | 160-200 | Bromina |
| 21 % de oxigênio na atmosfera | |||
| Poliéster | 20-21 | 560 / Tm = 249 | Combustível |
| Náilon | 20-21.5 | 532 / Tm = 249 | Combustível |
| Polipropileno | 17-18 | 260 / Tm = 133 | Combustível |
| Ligante acrílico | 18-20 | 210 | Combustível |
| Algodão / Papel | 18-21 | 300 / Decomposição Lenta | Combustível |
| Estireno-Butadieno | 18 | 150-350 | Combustível |
Calor e Oxigênio
Esses outros dois elementos estão interrelacionados tanto quanto as etapas para removê-los da frente do incêndio. Muitos produtos químicos retardantes de chamas são acionados na fase gasosa. O gás dos polímeros ou aditivos funcionam para eliminar o oxigênio da frente das chamas. Materiais comuns da fase gasosa incluem nitrogênio, halogênios como bromina ou cloro, compostos fosfóricos e água. Ao mesmo tempo, há um efeito refrescante durante a decomposição desses materiais. Um outro mecanismo é a carbonização. A carbonização envolve os materiais da frente de chama e fornece uma barreira para a combustão.
A temperatura da decomposição dos materiais retardantes de chamas varia grandemente. É importante corresponder as temperaturas de decomposição com o compósito final em questão. Por exemplo, uma fibra de baixo ponto de fusão, como polietileno ou polipropileno, derreterá a 130 °C antes da temperatura da decomposição. Um compósito de fibra de vidro não encolherá sob a chama, e um material celulósico, como o papel ou o algodão, ficará na frente das chamas por mais tempo e receberá mais calor do que um material sintético de baixo ponto de fusão. APP, ATH, MC e DBDPE são comumente usados.
Temperaturas de Decomposição Típica de Materiais Comuns Retardantes de Chamas
| Material | Início da Decomposição em °C | Ingrediente Ativo ou Retardo de Chamas | % de peso da fase gasosa |
|---|---|---|---|
| Carbonato de Amônio* | 58 | Dióxido de Carbono + Água | 67 |
| Trihidrato de Alumínio (ATH) | 230 | Água. Carvão. | 35 |
| Polifosfato de Amônio (APP)* | 285-290 | Óxidos de Fósforo. Óxidos de Nitrogênio. Óxidos | 73 |
| Cianureto de Melamina (MC) | 305-320 | Nitrogênio e Óxidos. Água. Carvão. | 49 |
| Hidróxido de Magnésio | 330 | Água. Carvão. | 31 |
| Decabromo difenil etano (DBDPE) | 330 | Bromina. Carvão. | 82 |
| Carbonato de cálcio | 825 | Dióxido de Carbono. Água | 44 |
Sinergistas retardantes de chama
Sinergistas comuns, tais como trióxido de antimônio, pentóxido de antimônio e borato de zinco, estão incluídos nas formulações retardantes de chamas para impulsionar o desempenho geral e o custo econômico. Compostos de antimônio são frequentemente combinados com retardantes de chamas brominados e clorinados. Geralmente, Trióxido de Antimônio é usado com polímeros halogenados e aditivos em uma proporção de 3:1, ou na proporção de 5:1 de halogênio para Trióxido de Antimônio. Pentóxido de Antimônio é uma partícula coloidal que tem aparência transparente vs. o trióxido de antimômio que é um revestimento muito maior e opaco. Os compostos de boro funcionam similarmente com retardantes de chamas halogenadas e operam nas fases de vaporização e condensação da combustão.
Considerações Adicionais para Retardantes de Chamas
Gotas ardentes podem ocorrer quando o substrato da queima se rompe ou cai da amostra e continua a queimar. Muitos métodos de testes requerem um gotejamento ardente até a sua extinção em um período especificado. Outros testes padrão não permitem nenhuma gota flamejante. Ainda que possa ser difícil dominar um gotejamento ardente, particularmente em alguns substratos podem ser adicionados aditivos, tais como o cianureto de melanina aos compostos retardantes de chamas. Graus mais altos de reticulação do composto ou do substrato podem também ajudar a evitar o fluxo do revestimento, o que, por sua vez, pode ajudar a reduzir o gotejamento ardente.
Enquanto os retardantes de chamas halogenados são extremamente eficazes na prevenção de um incêndio, a fumaça e voláteis gerados pelo desenvolvimento completo do fogo estão sob escrutínio. A densidade e toxicidade da fumaça é uma imensa preocupação ao considerarmos a sobrevivência em uma situação de incêndio. O foco nos retardantes de chamas sem halogênio cresceu para a redução da fumaça, bem como para a diminuição de toxicidade da fumaça. Cargas hidratadas também têm provado incutir um efeito supressor poderoso da fumaça no revestimento retardante de chamas.
Além disso, gotas ardentes e produção de fumaça na incadescência são regularmente medidas e limitadas durante testes de chamas. A incadescência é uma combustão lenta residual que continua após a remoção da chama. Isso é preocupante, pois pode possivelmente causar reignição do fogo mesmo após extinguida a chama inicial. Dependendo do substrato, polifosfato de amônio, borato de zinco e melamina são comumente usados para suprimir, reduzir ou impedir a incadescência.
Revestimentos Intumescentes
Uma abordagem especial retardante de chamas é a produção de revestimentos que formam um carvão espumoso na presença da chamas para isolar a superfície da chama. A camada de carvão bloqueia tanto o calor quanto o oxigênio na frente de chamas. Os sistemas intumescentes mais comuns utilizam os componentes a seguir em uma base seca.
- Uma fonte ácida (polifosfato de amônio) [Ácido fosfórico] - 3 partes
- Fonte de carbono (dipentaeritritol) - 1 parte
- Um agente de expansão (melamina) [agente de expansão de nitrogênio] - 1 parte
- Ligante para manter todos os itens juntos - [idealmente, na própria formação de carvão] - 1-2 partes
A fraqueza dos revestimentos intumescentes é que eles não são duráveis e podem ser danificados com água.
Assegurando a Proteção Certa
Os produtos químicos retardantes de chamas geralmente contêm halogênio, com base de fósforo ou intumescente e combinam enchimentos e agentes sinergistas (ou misturas dos ditos produtos químicos) para atuarem em uma ou mais fases do mecanismo de combustão. Para criar um sistema retardante de chamas bem-sucedido - revestimentos ou compósitos - devem ser considerados muitos fatores. O substrato a ser tratado (ou revestido) comandará o tipo de retardante de chamas a ser selecionado. Os testes pelos quais o substrato de compósito deve passar influenciarão os níveis de retardante de chamas. Os métodos de acabamento e revestimento ajudarão a definir as propriedades físicas do sistema retardante de chamas. As considerações de custo e restrições de saúde/ambientais também moldarão o processo de formulação.
A Lubrizol pode ajudar os formuladores a identificar uma abordagem concreta para explorar os produtos químicos certos em consideração para variadas aplicações retardantes de chamas. Fale conosco para tomar o próximo passo.
NOMEX® e Kevlar® são marcas registradas de DuPont de Nemours, Inc.
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