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Ritardanti di fiamma nei polimeri

  |   Chimica, Chimica Organica

I ritardanti di fiamma presenti nei polimeri sono composti chimici aggiunti con l’obiettivo di inibire o ritardare l’accensione o la combustione della plastica.

Nella maggior parte dei casi i polimeri innescano o propagano incendi perché, essendo composti organici, si decompongono in prodotti combustibili volatili quando sono esposti al calore

La combustione delle macromolecole porta alla scissione delle catene polimeriche in unità più piccole, che alla fine sono abbastanza piccole da diventare volatili e sono rilasciate nell’atmosfera. Queste piccole unità, formate da elementi come azoto, ossigeno, zolfo, fluoro e cloro, sono potenzialmente dannose. Per questo motivo, i ritardanti di fiamma sono aggiunti alle formulazioni polimeriche.

I ritardanti di fiamma nei polimeri si dividono in tre principali gruppi chimici: alogenati, organofosforici e inorganici

Alogenati

Cloro e bromo sono gli unici alogeni utilizzati come ritardanti di fiamma nei polimeri. I ritardanti di fiamma bromurati (BFR) sono di gran lunga i più utilizzati, perché sono più efficaci, costano meno e hanno un’applicazione più ampia. Da un punto di vista ambientale, tuttavia, sono altamente resistenti alla degradazione chimica, biologica e fotolitica e sono in grado di migrare a lungo raggio e di bioaccumularsi nei tessuti viventi.

Tra questi composti vi sono il tetrabromo bisfenolo-A e l’esabromociclododecano.

Il meccanismo d’azione di questi composti avviene allo stato gassoso, indotto dalle elevate temperature di combustione in cui le molecole reagiscono con i radicali formatisi durante il processo di combustione.

Organofosforici

In questa classe di composti è presente il fosforo nella loro struttura.  Il loro meccanismo d’azione in fase gassosa è molto simile a quello dei composti alogenati. I radicali idrogeno e idrossile possono essere sostituiti da radicali meno energetici o combinati per formare prodotti gassosi innocui. Tuttavia, a differenza dei precedenti, i composti organofosforici sono anche in grado di agire in fase condensata. Essi durante il processo di combustione producono acidi fosforici, i quali, reagendo con il supporto, producono una carbonizzazione che funge da protezione del supporto stesso. La loro principale area di applicazione è nelle formulazioni di poliammidi, poliesteri, poliolefine e polistirene, in particolare nei componenti di isolamento elettrico ed elettronico.

Tra essi vi sono il tris(cloropropil)fosfato, i derivati ​​dell’acido fosfinico e il polifosfato di ammonio.

Inorganici

I ritardanti di fiamma inorganici includono tipicamente idrossido di alluminio Al(OH)2 e di magnesio Mg(OH)2. Il meccanismo d’azione di questi composti differisce profondamente da quelli organici.

Essi, infatti, non possono evaporare per effetto del calore di combustione; tuttavia, possono decomporsi in gas non infiammabili, principalmente acqua  mediante reazioni endotermiche. Attualmente, l’idrossido di alluminio è quello più comunemente impiegato, grazie al basso costo e alla buona compatibilità con la maggior parte dei materiali plastici, in particolare PVC e PE. La decomposizione dell’idrossido di alluminio avviene tra 180 e 200 °C secondo la reazione endotermica:

2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O

La decomposizione endotermica dell’idrossido di alluminio porta principalmente al raffreddamento del polimero e alla formazione di uno strato protettivo di ossido di alluminio. Inoltre, la formazione di vapore acqueo diminuisce la concentrazione di ossigeno in prossimità della superficie, ostacolando la reazione di combustione.

L’idrossido di magnesio ha lo stesso effetto ignifugo dell’idrossido di alluminio, ma un diverso intervallo di temperatura di decomposizione (300–330 °C); pertanto, può essere impiegato in polimeri come polipropilene e poliammidi, che sono solitamente lavorati a temperature più elevate