Additivi, prove di laboratorio, differenze ed impieghi commerciali ed industriali dei polimeri flame retard (autoestinguenti)

di Marco Arezio

Le plastiche flame retardant (resistenti al fuoco o autoestinguenti) sono materiali polimerici modificati per resistere all'ignizione e rallentare la propagazione delle fiamme.

Questa proprietà è particolarmente importante in numerosi ambiti applicativi, come l'elettronica, l'edilizia e i trasporti, dove la resistenza al fuoco è cruciale per la sicurezza.

L'aggiunta di additivi flame retardant è il metodo più comune per conferire alle plastiche proprietà resistenti al fuoco.

Tipi di Additivi Flame Retardant

Gli additivi flame retardant si classificano in diverse categorie, a seconda della loro composizione chimica e del meccanismo d'azione:

Additivi Alogeni: Comprendono composti a base di bromo e cloro. Funzionano rilasciando alogeni che interferiscono con la reazione di combustione nella fase gassosa.

Additivi Fosforati: Operano principalmente nella fase solida, promuovendo la carbonizzazione e riducendo la quantità di materiale infiammabile vaporizzato.

Idrossidi di Metallo: Come l'idrossido di alluminio e di magnesio, questi additivi rilasciano acqua quando si scaldano, che aiuta a raffreddare il materiale e a diluire i gas combustibili.

Additivi Intumescenti: Formano una schiuma carboniosa protettiva sulla superficie del materiale quando esposti al calore, isolando il materiale sottostante dalla fonte di calore.

Funzionamento dell'Inibizione della Fiamma

L'inibizione della fiamma nelle plastiche funziona attraverso vari meccanismi, a seconda del tipo di additivo utilizzato:

Diluizione dei Gas Combustibili: Alcuni additivi rilasciano gas inerti che diluiscono i gas combustibili nell'area della fiamma, riducendo la combustione.

Barriera Fisica: Gli additivi intumescenti formano una barriera carboniosa che isola termicamente il materiale e impedisce l'accesso dell'ossigeno.

Raffreddamento: L'acqua rilasciata dagli idrossidi di metallo assorbe calore, abbassando la temperatura della combustione.

Interferenza Chimica: Alogeni e altri composti possono interferire con le reazioni radicaliche nella zona di combustione, rallentando la reazione.

Prove di Laboratorio per Catalogare le Plastiche Non Infiammabili

Vediamo quali sono le prove principali per catalogare il grado di infiammabilità e come si eseguono:

Test UL 94

Il test UL 94, gestito da Underwriters Laboratories (UL), è uno dei metodi più riconosciuti e ampiamente utilizzati per valutare le proprietà di infiammabilità dei materiali polimerici utilizzati in dispositivi elettrici ed elettronici.

Questo test classifica i materiali in base alla loro capacità di estinguere le fiamme dopo essere stati accesi in condizioni controllate.

Il test viene eseguito applicando una fiamma a un campione del materiale per un periodo specificato e osservando il comportamento del materiale in termini di tempo di combustione dopo la rimozione della fiamma, il gocciolamento di materiale infiammabile e la lunghezza della combustione.

In base ai risultati, i materiali sono classificati in diverse categorie, come V-0, V-1, V-2, HB, 5VB, e 5VA:

V-0, V-1, V-2: Indicano che il materiale si autoestingue entro un certo tempo dopo l'accensione. La distinzione tra le classi dipende dal tempo di autoestinguenza e dalla presenza di gocciolamento di particelle infiammate.

HB: La classificazione più bassa, indica una velocità di combustione orizzontale in un certo intervallo.

5VB e 5VA: Sono test più severi che valutano la resistenza all'accensione quando il campione è sottoposto a un carico termico elevato. 5VA rappresenta la massima resistenza alla fiamma senza gocciolamento di materiale, mentre

5VB: permette un certo gocciolamento.

Test di Ossigeno Limitante (LOI)

Il test di Ossigeno Limitante (LOI) misura la percentuale minima di ossigeno nell'atmosfera necessaria per sostenere la combustione di un materiale polimerico.

Viene eseguito in un'apposita apparecchiatura dove il campione viene posto in una colonna di vetro e esposto a una miscela controllata di azoto e ossigeno, aumentando gradualmente la concentrazione di ossigeno fino a quando il materiale non continua a bruciare per un tempo prestabilito dopo l'accensione.

Il valore di LOI è una misura diretta dell'infiammabilità del materiale: maggiore è il valore di LOI, minore è l'infiammabilità del materiale.

Materiali con valori di LOI superiori al 21% (la percentuale di ossigeno nell'aria) sono considerati più resistenti al fuoco. Questo test è particolarmente utile per confrontare la resistenza al fuoco di diversi materiali sotto un'unica metrica standardizzata.

Test di Infiammabilità a Cono Calorimetrico

Il test di infiammabilità a cono calorimetrico è un metodo avanzato che fornisce dati dettagliati sulla risposta di un materiale all'esposizione al calore.

Durante il test, un campione del materiale viene esposto a un flusso radiante crescente in presenza di una sorgente di accensione, simulando gli effetti di un incendio in fase iniziale.

Il cono calorimetrico misura la velocità di rilascio di calore, la produzione di fumo e la perdita di massa del campione nel tempo, fornendo un profilo completo della sua reattività al fuoco.

Questi dati aiutano a comprendere come il materiale contribuirà alla crescita e alla propagazione dell'incendio, consentendo agli ingegneri di progettare materiali e prodotti con prestazioni migliorate di sicurezza antincendio.

Questo test è particolarmente utile nella valutazione di materiali per l'edilizia e l'ingegneria dei trasporti

Rendere Flame Retardant un Polimero Riciclato

Il processo di rendere flame retardant un polimero riciclato, sia da post-consumo che da post-industriale, richiede attenzione nella selezione degli additivi compatibili con il tipo di polimero e nel mantenimento delle proprietà meccaniche del materiale riciclato. Il processo include:

Analisi del Materiale: Identificazione della composizione del polimero riciclato per scegliere gli additivi più adatti.

Incorporazione degli Additivi: Gli additivi possono essere miscelati meccanicamente con il polimero durante il processo di estrusione o possono essere applicati come rivestimenti superficiali.

Mantenimento delle Caratteristiche dopo il Riciclo Meccanico

Il riciclo meccanico può influenzare le proprietà flame retardant dei polimeri a causa della degradazione termica o meccanica del polimero e degli additivi durante il processo di riciclo.

La stabilità delle proprietà flame retardant in un polimero riciclato dipende da:

- La stabilità termica degli additivi flame retardant.

- La compatibilità degli additivi con il processo di riciclo.

- La capacità di ridistribuire uniformemente gli additivi nel polimero durante il riciclo.

Per mantenere le caratteristiche flame retardant, può essere necessario aggiungere ulteriori additivi o stabilizzatori durante il processo di riciclo.

La valutazione delle proprietà del materiale riciclato attraverso test di laboratorio è cruciale per garantire che il materiale riciclato soddisfi i requisiti di sicurezza e di prestazione.

Impiego dei Polimeri Autoestinguenti per la Produzione di Articoli ad uso Industriale e Civile

I polimeri flame retardant sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni, specialmente in edilizia, dove la resistenza al fuoco è cruciale per la sicurezza degli edifici.

Questi materiali sono progettati per ridurre la velocità di combustione, limitare la diffusione delle fiamme e contribuire a prevenire incendi.

Nell'edilizia, i polimeri flame retardant trovano applicazione in numerosi prodotti, tra cui isolanti termici, rivestimenti, cavi elettrici, e componenti strutturali.

Polimeri Flame Retardant Utilizzati in Edilizia

Polistirene Espanso (EPS) e Polistirene Estruso (XPS): Sono ampiamente utilizzati come isolanti termici per cappotti esterni e per l'isolamento di pavimenti, tetti e muri. Possono essere trattati con additivi flame retardant per ridurre l'infiammabilità.

Polietilene Espanso (EPE): Utilizzato per l'isolamento termico e l'ammortizzazione degli impatti, l'EPE può essere modificato per migliorare la resistenza al fuoco, rendendolo adatto per applicazioni in edilizia.

Polimeri Intumescenti: Questi materiali si espandono quando esposti al calore, formando una barriera carboniosa che protegge il materiale sottostante dalle fiamme. Sono utilizzati in vernici, mastici, e rivestimenti per cavi elettrici.

Polivinilcloruro (PVC) Flame Retardant: Il PVC è utilizzato in una varietà di applicazioni in edilizia, inclusi i rivestimenti per cavi e i tubi. Il PVC può essere reso flame retardant attraverso l'aggiunta di additivi specifici.

Polimeri Fenolici: Questi materiali sono noti per le loro eccellenti proprietà di resistenza al fuoco e sono utilizzati in schiume isolanti e compositi.

Applicazioni di Articoli Autoestinguenti in Edilizia

Isolamento Termico: I materiali isolanti flame retardant sono essenziali per prevenire la diffusione del fuoco attraverso le cavità dei muri e altri spazi isolati negli edifici.

Rivestimenti e Vernici: Forniscono una protezione passiva contro il fuoco a strutture, travi e colonne, contribuendo a mantenere l'integrità strutturale in caso di incendio.

Cavi elettrici e Tubi: L'utilizzo di materiali flame retardant in questi componenti riduce il rischio di incendi elettrici e limita la diffusione del fuoco.

Differenze nelle Resistenze al Fuoco degli Isolanti per Cappotti Termici

Gli isolanti termici possono variare significativamente nella loro resistenza al fuoco a seconda del materiale, della densità, e della presenza di additivi flame retardant. Ecco alcune differenze chiave:

Resistenza Termica: Alcuni isolanti, come quelli a base di fibra minerale (lana di roccia, lana di vetro), offrono migliori prestazioni di resistenza al fuoco rispetto a quelli organici (EPS, XPS) a causa della loro natura incombustibile.

Emissione di Fumi e Gas Tossici: I materiali organici tendono a produrre fumi densi e gas tossici quando bruciano, mentre i materiali inorganici hanno prestazioni migliori in questo aspetto.

Classificazione di Reazione al Fuoco: I materiali isolanti sono classificati secondo norme europee (ad esempio, Euroclassi A1, A2, B, C, ecc.) che indicano la loro reattività al fuoco. Materiali classificati come A1 sono non combustibili, mentre quelli in classe B, C, ecc., hanno crescenti livelli di infiammabilità.

Applicazione e Spessore: La resistenza al fuoco di un isolante può anche dipendere dall'applicazione specifica e dallo spessore del materiale.

Maggiore è lo spessore, migliore può essere la resistenza al fuoco, ma questo dipende anche dalla composizione del materiale e dalla presenza di additivi flame retardant.

Per esempio, un isolante più spesso può offrire un tempo di resistenza al fuoco maggiore perché richiede più tempo per essere completamente compromesso dalle fiamme.

Tuttavia, non è solo lo spessore a determinare l'efficacia, la qualità del materiale e la sua capacità di resistere alla propagazione del fuoco sono altrettanto cruciali.

Nei materiali isolanti, gli additivi flame retardant possono agire in sinergia con lo spessore per migliorare la resistenza al fuoco.

Materiali con densità maggiore o trattati con specifici additivi chimici possono esibire prestazioni superiori anche con spessori minori.

Pertanto, la scelta del materiale isolante adeguato per un'applicazione specifica richiede un'attenta considerazione non solo delle proprietà fisiche come lo spessore ma anche della composizione chimica e della capacità di resistere al fuoco.

Nell'ambito dell'edilizia, la normativa vigente spesso specifica requisiti minimi per la resistenza al fuoco degli isolanti, tenendo conto sia dello spessore che della composizione del materiale.

Questi standard garantiscono che i materiali utilizzati negli edifici offrano un livello adeguato di protezione in caso di incendio, contribuendo così alla sicurezza degli occupanti e alla preservazione della struttura stessa.