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Plástico en llamas: Una historia de fuego y retardantes a la flama

Por José Alberto Rodríguez González, Departamento de Procesos de Polimerización del CIQA | alberto.rodriguez@ciqa.edu.mx

Aunque no nos demos cuenta, los plásticos se han vuelto parte de nuestra realidad cotidiana. Esto se debe a que paulatinamente han sustituido a otros materiales, como los metales, los cerámicos, incluso a la madera.

Gracias a su bajo costo de producción y peso liviano, los podemos encontrar en infinidad de productos de uso diario, tales como electrónicos, electrodomésticos, muebles, textiles, pinturas, automóviles, aviones, artículos de cocina, entre otros.

Sin embargo, su alta flamabilidad representa una desventaja, puesto que los hace potencialmente dañinos. Debido a esta característica un incendio es un riesgo latente en los lugares donde hay plásticos.

La cifra de incendios en inmuebles reportada por la Asociación Mexicana de Jefes de Bomberos es alarmante: en 2016, únicamente en tres de las ciudades más pobladas del país, se registraron cerca de 30 mil incendios, dando como resultado la pérdida de más de 3 mil vidas humanas y daños por 4.8 billones de pesos.

Dicha problemática ha motivado a universidades y centros de investigación al desarrollo de mecanismos de protección contra el fuego para plásticos de uso general. Pero, ¿cómo se logra que estos materiales retarden el quemado de los plásticos formulados?

El fuego se define como un “fenómeno caracterizado por la emisión de calor y de luz, generalmente con llama”.1 Su presencia se origina por la combinación de tres elementos indispensables: material combustible, oxígeno y una fuente incandescente.

Como su nombre lo indica, la fase gas es la zona fuera del plástico donde se presenta la combustión. En esta se encuentra la flama, que surge por el desprendimiento de compuestos volátiles provenientes del plástico, los cuales reaccionan con el oxígeno del ambiente que producen la liberación de energía calorífica y luminosa. Como subproductos se desprenden gases de combustión, tales como monóxido y dióxido de carbono (CO y CO2), así como otros volátiles que pueden ser tóxicos para el ser humano.

Por otra parte, lo que se conoce como fase condensada es prácticamente la masa del plástico. Este se divide en tres zonas principales. En la superficie del plástico expuesta a la flama se forma una capa de material quemado, denominada capa carbonosa.

Esta capa es crítica, ya que es la responsable del intercambio de masa y calor entre las fases gas y condensada. Por debajo se encuentra una capa de plástico fundido, designada como zona de descomposición térmica; ahí se generan los volátiles que luego migran y alimentan la llama. Por último, la zona de plástico intacto, la cual, a pesar de estar en contacto con el plástico fundido no presenta daño por la combustión.2

En la mayoría de los casos los mecanismos de resistencia a la flama son la única barrera entre la posible fuente de fuego y el elemento combustible. Estos mecanismos inhiben o interrumpen el ciclo de combustión del material. Para lograr este objetivo, en la formulación se añaden al plástico virgen cargas con propiedades antiflama, las cuales se incorporan durante el mezclado en fundido.

Las cargas pueden encontrarse en la masa total del compuesto o como un recubrimiento superficial. Las formulaciones con cargas en la masa presentan menor costo y mayor facilidad de mezclado, aunque a costa de una mayor concentración de carga, lo cual modifica las propiedades mecánicas del producto.

Por otro lado, aunque requieren de etapas adicionales en la fabricación para su aplicación, los recubrimientos antiflama permiten mantener las propiedades en masa del plástico. Entre las cargas utilizadas para proporcionar la resistencia a la flama podemos resaltar las siguientes3:

1) Compuestos halogenados. Uno de los retardantes más comunes en el mundo. Su efecto sobre la flama desacelera e inclusive inhibe el proceso de combustión, además de tener concentraciones relativamente bajas en la formulación (menores al 10% del peso total del compuesto). Sin embargo, en la década de los 90 se empezaron a retirar del mercado, ya que producen humos corrosivos y tóxicos para el ser humano.

2) Hidróxidos de aluminio y magnesio. Estos materiales son actualmente los más populares. Un inconveniente que presentan es la alta concentración de carga empleada para obtener la resistencia al fuego (aproximadamente el 50% del peso total del compuesto). Su concentración de polvo disminuye la facilidad de procesamiento del compuesto durante la fabricación de piezas, pero permite inhibir el proceso de quemado.

3) Otros materiales. En las últimas décadas ha tomado impulso el desarrollo de retardantes a la flama en forma de recubrimientos superficiales. Estos, a diferencia de los que se incorporan en la masa, solo ocupan una pequeña porción del total de la pieza. La característica principal de los materiales intumescentes es la formación de una capa carbonosa tridimensional en la superficie expuesta al fuego. Se encuentran disponibles en forma de pinturas o pueden ser aplicados a la pieza como películas.

Sobre este punto, es importante mencionar que el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) desarolló formulaciones de compuestos de Polipropileno y Polietileno con la mayoría de las cargas antiflama. Estos trabajos han permitido la obtención de materiales con un comportamiento de retardancia al fuego similar al logrado con cargas del 50% en peso de hidróxido de magnesio, pero utilizando una concentración 60% menor a la comercial. Asimismo, cuenta con prototipos de recubrimientos con un espesor de solo un 10% del espesor total de la muestra, que logran niveles de retardancia cercanos al estándar comercial.

REFERENCIAS

  1. Real Academia de la Lengua Española
  2. Bar, M., Alagirusamy, R., & Das, A. (2015). Flame retardant polymer composites. Fibers and Polymers, 16(4), 705–717. http://doi.org/10.1007/s12221-015-0705-6
  3. Bourbigot, S., Le Bras, M., Duquesne, S., & Rochery, M. (2004). Recent Advances for Intumescent Polymers. Macromolecular Materials and Engineering, 289(6), 499–511. http://doi.org/10.1002/mame.200400007
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