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Melhora das Propriedades Anti chama de polimers
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Tópicos Especiais: Degradação e flamabilidade de materiais
Aula 05 – Melhora das Propriedades anti-chama de Polímeros
Marcos Batistella
Flamabilidade depende muito das condições ambientais e da composição do compósito.O comportamento dos materiais pode ser descrito por vários fatores:
•Facilidade de ignição•Propagação das chamas•Resistência à penetração do fogo•Taxa de liberação de calor•Facilidade de extinção•Fumaça•Gases Tóxicos
Introdução
Introdução
• Ciclo do Fogo
• Degradação de Polímeros
Física
ResfriamentoFormação de uma barreiraDiluição dos gases combustíveis
Química
Fase gasosaFase solida
Físico-química
IntumescênciaCarbonização
Retardantes de chama – Modos de ação
•Cargas Minerais •Compostos Halogenados (Bromo)•Fósforo•Compostos Nitrogenados•Sistemas Intumescentes
Tipos de retardantes de fogo
•São compostos de fórmula geral RX, onde R é um radical orgânico e X um halogênio, que interferem no mecanismo de radicais livres em fase gasosa que dá origem ao processo de combustão
•A eficácia dos retardantes de chama halogenados aumenta na seguinte ordem: F < Cl < Br < I
•Grande quantidade de compostos utilizadas para vários polímeros• Ação na fase gasososa ou solida
Retardantes de fogo: Halogenados
Fase solida
Retardantes de Fogo Halogenados
Fase gasosa
Liberação de haogenados
Formação de haletos de hidrogênio
Neutralização dos radicais de alta energia
Retardantes de Fogo Halogenados
Retardante de chama Bromado
Aplicações
Hexabromociclodecano PS Expandido
Tetrabromobisfenol A PBT, PET, ABS
Decabromodifenil eter PP, Têxteis
Octabromodifenil eter ABS, PA, Espumas PU, Resinas epóxi
Polibromados bifenois Têxteis
Retardantes de fogo Halogenados
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Retardantes de fogo halogenados/Sb
•Os retardadores de fogo à base de melamina são compostos nitrogenados.•Três tipos de aditivos são utilizados:
–Melamina pura–Derivados da melamina–Homólogos da melamina
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Retardantes de Fogo: Melamina e seus derivados
•Modo de ação:–Fase gasosa–Fase solida
•Usada com Fosfatos
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Retardantes de Fogo: Melamina e seus derivados
•Os compostos foforados constituem uma nova classe de retardadores de fogo em plena expansão devido à pesquisa de alternativas eficazes ao uso de retardadores de fogo halogenados. Os compostos desta família contém fosforo em diferentes estados de oxidação:
–Fosforo elementar,–Fosfatos ou polifosfatos–Fosfinatos–Fosfonatos
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Retardantes de Fogo: Fosforados
•Mecanismos incluem a formação de uma superfície de vidro para proteger o substrato do oxigênio e da chama, a promoção de carbonização, que isola o substrato de calor e oxigênio, e inibição de radicais livres
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Retardantes de Fogo: Fosforados
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Retardantes de fogo fosforados agem na fase solida: Acido fosfórico e agua.
Formação de uma camada protetora composta por polímero e óxidos de fosforo
Retardantes de Fogo: Fosforados
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Fosfinatos metálicos (PA, PBT)
Poli fosfatos de amônio (PP, Poliéster)
DOPO (termofixos)
Fosforo (Poliamidas)
Retardantes de Fogo: Fosforados
•Foram inicialmente desenvolvidos para utilização em pinturas, têxteis e madeira.
•Formação de uma camada carbonosa expandida na superfície do material:
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Retardantes de fogo: Sistemas Intumescentes
•Normalmente, estas formulações são compostas por 3/4 compostos:
–Acido inorgânico não volátil;–Composto poli-hidroxilado (pentaeritritol)–Agente expansivo (aminas)–Ligante (material)
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Retardantes de fogo: Sistemas Intumescentes
•Todos minerais, mesmo inertes, tem importância na melhora das propriedades anti-chama:
–Redução na quantidade de material inflamável–Modificação da condutividade térmica,–Modificação da viscosidade–Modificação da estrutura do polímero (nucleação)
•Incidência direta
–Absorver energia na degradação–Liberação de gases não inflamáveis–Formação de camada vitrosa
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Retardantes de fogo: Cargas Minerais
Uso de cargas minerais:
Cargas Minerais Hidratadas
Argilas
Boratos
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Retardantes de fogo: Cargas Minerais
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Retardantes de fogo: Cargas Minerais
Carga Formula Tdecomp (°C)
ΔH decomp
(kJ/g)
Hidróxido de alumínio Al2O3.3H2O 180-200 1300
Hidróxido de Magnésio Mg(OH) 2 300-320 1450
Hidróxido de Cálcio Ca(OH) 2 430-450 1150
Nesquinita MgCO3.3H2O 70-100 1750
Hidromagnesita Mg5(CO3) 4(OH) 2.4H2O 220-240 1300
Huntita Mg3Ca(CO3)4 400 980
Ultracarb Hidroma/Huntita 220-400 1172
Boemita AlO(OH) 340-350 560
Retardantes de fogo: Cargas Minerais
FONTE: Hull, 2015
Retardantes de fogo: Nano compósitos
Seleção de retardadores de fogo: Famílias de polímeros
Polipropileno
• Aditivos halogenados
• Cargas Minerais hidratadas
• Intumescência• Poliol, acido e agente de expansão.
• Compostos contendo fosforo
Polipropileno
• Tetrabromo bisphenol A bis(2,3-dibromopropylether)
• Many flame retardant have been developed for PP in the last three decades.
•
Polipropileno
Polipropileno
• Intumescência
Poliamidas
• Importante em aplicações eletrônicas
• Poliestirenos contendo Bromo
• Cianurato de melamina
• Compostos contendo fosforo (fosfinatos)
• Cargas Minerais (nano compósitos)
Poliamidas
• Sinergias:• Fosfato de melamina
• Compostos contendo fosforo• Compostos Inorgânicos• Organo-fosforados
• Cargas Minerais
Evaporation Melon+ NH3
Décomposition
>500°C
360°-450°C
N
N N
NH2NH2
NH2
+
N
N N
OHHO
OHAcide cyanurique
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.Cyanurate de mélamine
Mélamine
N
N N
NH2NH2
NH2
+
250°-350°C
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.1-x
x
NH3
(Cyanamide,...)
+ HC=C=O
isocyanate Evaporation Melon+ NH3
Décomposition
>500°C
360°-450°C
N
N N
NH2NH2
NH2
+
N
N N
OHHO
OHAcide cyanurique
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.Cyanurate de mélamine
Mélamine
N
N N
NH2NH2
NH2
+
250°-350°C
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.1-x
x
NH3
(Cyanamide,...)
+ HC=C=O
isocyanate
acide polyphosphorique
polyphosphate d'ammonium(APP)
NH3_
(NH4PO 3)n (HPO 3)n
5-amidopentyl phosphate
+(HPO 3)n (CH2)5 C
O
NH (CH2)5 C
O
NH (O 2PO )n[ ( CH2)5 C
O
NH ]m (CH2)5 C
O
NH2
NH
O
PA-6 caprolactame
+ H2N C (CH2)5
O
+
S tru c tu re ch a rb o n n ée d ’o x yn itru re d e p h o sp h o re
acide polyphosphorique
polyphosphate d'ammonium(APP)
NH3_
(NH4PO 3)n (HPO 3)n
5-amidopentyl phosphate
+(HPO 3)n (CH2)5 C
O
NH (CH2)5 C
O
NH (O 2PO )n[ ( CH2)5 C
O
NH ]m (CH2)5 C
O
NH2
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O
PA-6 caprolactame
+ H2N C (CH2)5
O
+
S tru c tu re ch a rb o n n ée d ’o x yn itru re d e p h o sp h o re
Poliamidas - Fumaça
Fonte: Horold, 2004.
Poli Uretano
• Uso de aditivos ou Mudança da estrutura
• Extinção de redução material
• Redução na quantidade de ar fornecido
• Redução da difusão do fogo e geração de calor
• O aumento da energia necessária para o processo de combustão
Poli Uretano
• Reação com a chama impedindo a propagação de fogo
• Impedindo da difusão de oxigênio no polímero
• Redução da temperatura de chama com a remoção de energia do sistema
• Char.
• Expansão do polímero
Poli Uretano
Poli Uretano
• Halogenados
• Hidróxidos metálicos
• Compostos contendo fosforo
• Melamina
Poli Uretano
PVC
• Tri oxido de antimônio
• Halogenados
• Cargas Minerais
• Plastificantes contendo fosforo
PVC – Supressores de Fumaça
PVC
EVA
• Cargas Minerais
• Boratos de Zinco
• Nano cargas
EVA
Poliésteres (PET)
Poliésteres (PET)