Aditivos ignífugos para dispersiones utilizadas en revestimientos

Los aditivos ignífugos (FR) para dispersiones poliméricas como PVAC (acetato de polivinilo), estireno-butadieno (SBR), estireno-acrílicos (SAE), acrílicos puros y VAE (etileno acetato de vinilo) suelen centrarse en sistemas sin halógenos, no tóxicos y compatibles con el agua ya que estos aglutinantes se utilizan principalmente en revestimientos y adhesivos de base acuosa.

Aditivos ignífugos para dispersiones poliméricas

El objetivo de estos aditivos es interrumpir el ciclo de combustión, normalmente formando una barrera protectora de carbón o liberando gases no combustibles. Los tipos más comunes de aditivos para estos sistemas a base de agua son inorgánico y intumescente tipos:

Clase de aditivo	Ejemplos	Mecanismo	Compatibilidad	Dispersiones aplicables
Hidróxidos inorgánicos	Trihidrato de aluminio (ATH)Hidróxido de magnesio (Mg(OH)2 o MH)	Descomposición endotérmica, libera vapor de agua, que enfría la llama y diluye los gases combustibles. Actúa como relleno y supresor de humos.	Excelente compatibilidad, no tóxico, respetuoso con el medio ambiente.	PVAC, VAE, acrílicos de estireno, acrílicos puros, SBR. VAE es compatible con ATH y MH.
Sistemas intumescentes	Polifosfato de amonio (APP)Pentaeritritol, Melamina. A menudo se utiliza en sinergia con otros agentes como Grafito expandible (EG).	Forma una capa hinchada y aislante capa de carbonilla (intumescencia) al calentarse, que actúa como barrera física a la transferencia de calor y oxígeno.	Requiere una formulación cuidadosa para la estabilidad de la dispersión y la integridad de la película final. Los sistemas APP/EG muestran una excelente sinergia.	Especialmente eficaz para Acrílicos de estireno (SAE) para alcanzar altas clasificaciones FR (por ejemplo, UL-94 V-0). Se utiliza en todos los tipos.
Fósforo/Nitrógeno	Diversos retardantes del fuego al agua sin halógenos (por ejemplo, fosfatos líquidos específicos, Synthro-Nyl tipo aditivos).	Actúa en fase condensada (favorece la carbonización) y/o en fase gaseosa (enfriamiento radical).	Se consigue una buena compatibilidad con formulaciones especializadas de base acuosa.	Todos los tipos, a menudo comercializados como sin halógenos soluciones.
Halogenados FR	Por ejemplo, compuestos bromados.	Libera radicales halógenos en la fase gaseosa, apagando la llama.	Ahora es menos común debido a la preocupación por el medio ambiente y la toxicidad.	Se utiliza cuando el alto rendimiento es crítico, pero generalmente se evita en los revestimientos modernos a base de agua.

Los aditivos ignífugos (FR) para dispersiones poliméricas como PVAC (acetato de polivinilo), estireno-butadieno (SBR), estireno-acrílicos (SAE), acrílicos puros y VAE (etileno acetato de vinilo) suelen centrarse en sistemas sin halógenos, no tóxicos y compatibles con el agua ya que estos aglutinantes se utilizan principalmente en revestimientos y adhesivos de base acuosa.

Aditivos ignífugos para dispersiones poliméricas

El objetivo de estos aditivos es interrumpir el ciclo de combustión, normalmente formando una barrera protectora de carbón o liberando gases no combustibles. Los tipos más comunes de aditivos para estos sistemas a base de agua son inorgánico y intumescente tipos:

Clase de aditivo	Ejemplos	Mecanismo	Compatibilidad	Dispersiones aplicables
Hidróxidos inorgánicos	Trihidrato de aluminio (ATH)Hidróxido de magnesio (Mg(OH)2 o MH)	Descomposición endotérmica, libera vapor de agua, que enfría la llama y diluye los gases combustibles. Actúa como relleno y supresor de humos.	Excelente compatibilidad, no tóxico, respetuoso con el medio ambiente.	PVAC, VAE, acrílicos de estireno, acrílicos puros, SBR. VAE es compatible con ATH y MH.
Sistemas intumescentes	Polifosfato de amonio (APP)Pentaeritritol, Melamina. A menudo se utiliza en sinergia con otros agentes como Grafito expandible (EG).	Forma una capa hinchada y aislante capa de carbonilla (intumescencia) al calentarse, que actúa como barrera física a la transferencia de calor y oxígeno.	Requiere una formulación cuidadosa para la estabilidad de la dispersión y la integridad de la película final. Los sistemas APP/EG muestran una excelente sinergia.	Especialmente eficaz para Acrílicos de estireno (SAE) para alcanzar altas clasificaciones FR (por ejemplo, UL-94 V-0). Se utiliza en todos los tipos.
Fósforo/Nitrógeno	Diversos retardantes del fuego al agua sin halógenos (por ejemplo, fosfatos líquidos específicos, Synthro-Nyl tipo aditivos).	Actúa en fase condensada (favorece la carbonización) y/o en fase gaseosa (enfriamiento radical).	Se consigue una buena compatibilidad con formulaciones especializadas de base acuosa.	Todos los tipos, a menudo comercializados como sin halógenos soluciones.
Halogenados FR	Por ejemplo, compuestos bromados.	Libera radicales halógenos en la fase gaseosa, apagando la llama.	Ahora es menos común debido a la preocupación por el medio ambiente y la toxicidad.	Se utiliza cuando el alto rendimiento es crítico, pero generalmente se evita en los revestimientos modernos a base de agua.

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Retos en el desarrollo de recubrimientos ignífugos

El desarrollo de recubrimientos ignífugos eficaces presenta varios obstáculos de formulación y rendimiento:

1. Mantenimiento de las propiedades físicas y mecánicas: La elevada carga de aditivos ignífugos (especialmente cargas minerales como ATH/MH o componentes intumescentes) necesaria para una retardancia de llama efectiva puede repercutir negativamente las propiedades esenciales del revestimiento, como:
   • Resistencia mecánica/flexibilidad: Disminución de la elasticidad, aumento de la fragilidad.
   • Adherencia: Reducción de la fuerza de adherencia al sustrato.
   • Resistencia al agua y a la intemperie: La porosidad puede aumentar, comprometiendo la durabilidad.
2. Compatibilidad y estabilidad en dispersiones: El aditivo FR (a menudo un polvo sólido) debe ser se dispersan fácilmente y permanecen estables dentro de la emulsión polimérica (dispersión) sin causar:
   • Coagulación o floculación de las partículas de polímero.
   • Liquidación o mala estabilidad de almacenamiento.
   • Espuma durante el procesamiento o la aplicación.
3. Alta carga requerida: Para una protección suficiente contra el fuego, los aditivos FR deben añadirse a menudo a un alta concentración (carga elevada), lo que eleva el coste y agrava los compromisos de propiedad enumerados anteriormente.
4. Preocupaciones medioambientales y sanitarias: Hay un fuerte impulso de la industria hacia sin halógenos, baja toxicidad y baja emisión de humos Sistemas FR. Sustituir los retardantes de llama halogenados, eficaces pero problemáticos, por alternativas inocuas para el medio ambiente que ofrezcan un rendimiento comparable es un reto importante.
5. Lograr la multifuncionalidad: Los revestimientos modernos suelen requerir multifuncionalidad (por ejemplo, retardancia de llama, resistencia a la corrosión, autocuración, hidrofobicidad). La incorporación de múltiples aditivos funcionales puede dar lugar a conflictos donde se compromete una propiedad para conseguir otra.

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Diferencias en las propiedades ignífugas de los polímeros

La inflamabilidad inherente del propio polímero base afecta al tipo y cantidad de aditivo FR necesario.

• VAE (etileno acetato de vinilo):
  • Propiedad inherente: La VAE suele tener un menor índice de inflamabilidad que el estireno acrílico y el estireno butadieno. Esto lo hace comparativamente más fácil y económico formular con aditivos FR para cumplir las normas contra incendios.
  • Razón: La presencia del acetato de vinilo que suele arder con menos fuerza que las estructuras aromáticas, contribuye a su menor inflamabilidad inherente.
• Estireno-butadieno (SBR) y estireno-acrílicos (SAE):
  • Propiedad inherente: Estos polímeros, en particular el SBR y el SAE, contienen el estireno un hidrocarburo aromático que es altamente combustible y produce importantes humo y hollín cuando se queman. Se considera que tienen un muy alta inflamabilidad y un bajo Índice Límite de Oxígeno (LOI).
  • Requisito FR: Esta alta inflamabilidad significa que requieren cargas más potentes y/o más elevadas de aditivos FR. Sistemas intumescentes como APP/EG son particularmente vitales para que SAE alcance altas clasificaciones de resistencia al fuego (por ejemplo, UL-94 V-0), ya que generan eficazmente una carbonización para aislar el material base altamente inflamable.
• PVAC (acetato de polivinilo) y acrílicos puros:
  • Propiedad inherente: Ambos son combustibles, pero los acrílicos puros y el PVAC tienden a tener una inflamabilidad inherente en alguna parte. entre el VAE y los polímeros a base de estireno. Los acrílicos puros son totalmente acrílicos y muy carbonosos y, aunque pueden presentar una mejor estabilidad a los rayos UV que los polímeros que contienen estireno, siguen necesitando un tratamiento FR para las aplicaciones ignífugas. El PVAC es químicamente similar a la parte de acetato de vinilo del VAE, pero sin el componente de etileno.
  • Requisito FR: Responden fácilmente a los aditivos FR comunes (ATH, MH, APP), y la formulación específica depende en gran medida de los requisitos de fuego de la aplicación final.

Índice de inflamabilidad

En índice de inflamabilidad es un medida numérica que indica el peligro potencial de incendio de un material. Cuantifica la facilidad de ignición de un material y su capacidad para mantener la combustión.

Un valor más alto del índice de inflamabilidad corresponde típicamente a un material que se inflama más fácilmente y plantea un mayor riesgo de incendio.

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Características principales

El índice de inflamabilidad es el resultado de pruebas de fuego normalizadas y combina múltiples factores relacionados con el comportamiento de un material en combustión:

• Encendido: La rapidez con la que el material se inflama cuando se expone a una llama o al calor.
• Propagación de la llama: La rapidez con que la llama se propaga por la superficie del material.
• Factor de calor/liberación: La cantidad de calor generada durante la combustión.
• Tiempo de combustión: La duración durante la cual el material sigue ardiendo después de retirar la fuente de ignición.

Es importante tener en cuenta que el término "índice de inflamabilidad" puede referirse a diferentes normas y escalas específicas, según el país o la aplicación (por ejemplo, códigos de construcción, transporte, etc.).

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Cómo se determina el índice de inflamabilidad

El índice de inflamabilidad de un material se determina mediante pruebas normalizadas contra incendios protocolos. Un método común, como el especificado en la norma australiana AS 1530.2utiliza un Prueba de quemado vertical y suele diseñarse para materiales finos y flexibles, como textiles o sarking (láminas finas utilizadas en la construcción).

Método de ensayo AS 1530.2

1. Preparación: Una muestra del material se monta verticalmente en un bastidor.
2. Encendido: Se aplica una llama, a menudo procedente de una fuente de calor de alcohol puro, a la base del material durante un periodo determinado.
3. Medición: Se observan y miden varios criterios:
   • Altura de la llama: La altura máxima alcanzada por la llama.
   • Hora de la llama: La duración de la llama sobre el material.
   • Factor calor: Medida relacionada con el calor producido.
4. Cálculo: El número de índice es un resultado calculado combinando estos criterios, lo que suele dar como resultado una puntuación que oscila entre el 0 a 100aunque algunas normativas específicas pueden exigir una puntuación mucho más baja para que un material se considere conforme (por ejemplo, una puntuación de 5 o 6).

Este índice se utiliza para evaluar el riesgo potencial de incendio de un material durante el inicio de un incendioEl sistema permite comparar cuantitativamente la inflamabilidad de distintos materiales.

Aplicaciones VAE típicas

Las dispersiones de copolímeros de acetato de vinilo y etileno (VAE) son excepcionalmente útiles como aglutinantes en una amplia variedad de revestimientos y aplicaciones, especialmente cuando flexibilidad, gran adherencia a sustratos polares y respeto al medio ambiente (bajo contenido en COV) son requisitos fundamentales.

Su versatilidad se debe a la incorporación de etileno, que reduce la temperatura de transición vítrea del polímero (Tg), dando lugar a una película blanda y flexible sin necesidad de plastificantes externos.

He aquí un desglose de los revestimientos y aplicaciones en los que el VAE resulta más útil:

1. Recubrimientos arquitectónicos (pinturas)

El VAE es una opción líder para pinturas al agua, especialmente para aplicaciones interiores, debido a su excelente combinación de rendimiento y perfil medioambiental.

Aplicación/Producto	Ventaja clave de VAE
Pinturas para paredes interiores (planas y semibrillantes)	Bajo olor y bajo VOC: El VAE es uno de los principales componentes de las pinturas ecológicas y sin emisiones.
Pinturas de alto rendimiento para interiores	Excelente resistencia a la abrasión: Proporciona una película duradera que resiste la limpieza y el lavado.
Formación de películas a baja temperatura	El VAE puede formar una película continua y duradera a temperaturas cercanas a 0∘C sin necesidad de añadir disolventes coalescentes.
Buen poder de ocultación (opacidad)	Contribuye a que la pintura cubra eficazmente la superficie subyacente, lo que a menudo permite reducir el dióxido de titanio.
Revestimientos texturizados	Proporciona durabilidad y flexibilidad para acabados más gruesos y texturizados.
Revestimientos de paredes exteriores	Ofrece buenas resistencia al agua y adherencia, aunque algunas aplicaciones exteriores de gama alta pueden preferir otros polímeros por su mayor resistencia a los rayos UV.

2. Materiales de construcción y edificación

El VAE se utiliza ampliamente en su forma de emulsión líquida y también como Polvo de polímero redispersable (RDP)que se mezcla con morteros de mezcla seca.

Aplicación/Producto	Ventaja clave de VAE
Membranas cementosas	Flexibilidad y resistencia a las grietas: Mejora la elasticidad de los productos a base de cemento, lo que les permite soportar mejor el movimiento y evitar el agrietamiento.
Adhesivos para baldosas y morteros de rejuntado	Adherencia superior: Aumenta la adherencia a diversos sustratos y mejora la resistencia y la trabajabilidad.
Morteros de reparación y compuestos para fratasar	Resistencia a la flexión y trabajabilidad: Mejora la resistencia mecánica y facilita la aplicación del material.
Selladores de hormigón	Proporciona películas resistentes, flexibles y resistentes al agua.

3. Adhesivos

La polaridad natural del VAE lo convierte en un aglutinante excepcional para materiales como la madera y el papel.

Aplicación/Producto	Ventaja clave de VAE
Adhesivos para madera	Fuerte adhesión a sustratos polares: Excelente adhesión a madera, papel y textiles.
Adhesivos para envases y papel	Rápida velocidad de ajuste y una buena tachuela húmeda.
Adhesivos para suelos	Proporciona flexibilidad y resistencia a la humedad.

4. Textiles y no tejidos

Las dispersiones de VAE se utilizan como aglutinantes y acabados para tejidos.

Aplicación/Producto	Ventaja clave de VAE
Procesado de telas no tejidas (médicas, higiénicas)	Funciona como aglutinante para consolidar las fibras sueltas, mejorando resistencia mecánica y flexibilidad.
Impresión textil	Actúa como aglutinante de pigmentos para la solidez del color y la resistencia al lavado.
Soporte de moqueta	Se utiliza para unir las fibras de la moqueta y proporcionar durabilidad.

Principales ventajas de las dispersiones VAE

Entre las propiedades de la VAE que la hacen tan útil en estos ámbitos se incluyen:

• Flexibilidad y resistencia: Debido al efecto plastificante interno del monómero de etileno, las películas son muy flexibles y resistentes sin la migración de plastificantes externos.
• Adherencia: Presenta una excelente adherencia a una amplia gama de sustratos, especialmente materiales polares como la madera, el papel y el hormigón.
• Perfil medioambiental: De base acuosa y bajo olor, ayuda a los formuladores a cumplir las normas de bajo COV (Compuestos Orgánicos Volátiles), eliminando a menudo la necesidad de agentes coalescentes.
• Resistencia al agua: Forma una película con buena resistencia al agua y a los álcalis.

Reducir o sustituir el contenido de ATH por dispersiones de VAE

El trihidrato de aluminio (ATH) es un retardante de llama no halogenado ampliamente utilizado, pero existen varias alternativas, especialmente cuando se requieren temperaturas de procesado más elevadas o cuando se buscan mecanismos retardantes de llama diferentes.

Las alternativas primarias pueden agruparse en otros hidróxidos metálicos, otros minerales inorgánicos y compuestos orgánicos no halogenados.

I. Hidróxidos metálicos (mismo mecanismo, diferente temperatura)

Estos compuestos funcionan de forma similar al ATH: se descomponen endotérmicamente para absorber calor y liberar vapor de agua, que enfría el material y diluye los gases inflamables.

Alternativa	Fórmula química	Temperatura de descomposición	Ventajas clave sobre ATH	Aplicaciones primarias
Hidróxido de magnesio (MDH)	Mg(OH)2	≈300-330∘C	Mayor estabilidad térmica: Puede utilizarse en polímeros que requieren temperaturas de procesamiento más elevadas, como el polipropileno y las poliamidas.	Polipropileno, poliamidas, alambres y cables, termoplásticos técnicos.
Hidrato de óxido de aluminio (Boehmita)	AlOOH	≈320∘C	Mayor estabilidad térmica: Adecuado para termoplásticos de ingeniería y actúa como sinergista con fosfinatos metálicos.	Termoplásticos técnicos, circuitos impresos.

Exportar a hojas de cálculo

Nota sobre los hidróxidos metálicos: Aunque son muy eficaces, tanto el ATH como el MDH suelen requerir altos niveles de carga en el polímero para lograr una retardancia a la llama suficiente, lo que a veces puede afectar negativamente a las propiedades mecánicas del material.

II. Otros retardantes de llama inorgánicos y minerales

Estas opciones suelen funcionar como supresores del humo, formadores de carbón o sinergistas.

• Borato de zinc (ZnB)
  • Mecanismo: Multifuncional, actúa tanto en fase sólida como gaseosa. Favorece la formación de un capa de carbonización estable y vítrea y actúa como supresor del humo y del resplandor. También puede liberar su propia agua de hidratación por encima de 290∘C.
  • Úsalo: A menudo se utiliza en combinación con otros retardantes de llama (incluidos ATH y MDH) para conseguir un efecto sinérgico, o como sustituto del trióxido de antimonio (un sinergista halogenado).
• Grafito expandible (EG)
  • Mecanismo: Se trata de un intumescente material. Cuando se expone al calor, se expande significativamente para formar una capa aislante de carbón, que protege al polímero subyacente del calor y el oxígeno.
  • Úsalo: Eficaz para reducir los riesgos de incendio, a menudo se utiliza en sinergia con otros retardantes de llama no halogenados como el ATH o el fósforo rojo.

III. Productos ignífugos químicos y orgánicos no halogenados

Estos sistemas suelen funcionar formando una capa de carbón aislante (intumescencia) o interfiriendo en la química de la combustión.

• Compuestos a base de fósforo
  • Ejemplos: Fósforo rojo (RP), polifosfato de amonio (APP) y diversos organofosfatos.
  • Mecanismo: Son principalmente activos en la fase sólida promoviendo la formación de un capa de carbonilla en la superficie del polímero, que actúa como barrera contra el calor y el oxígeno. Algunas formas también pueden liberar compuestos volátiles de fósforo para eliminar los radicales libres en la llama (fase gaseosa).
• Compuestos a base de nitrógeno
  • Ejemplos: Melamina, cianurato de melamina (MCA), diciandiamida (DICY).
  • Mecanismo: Suelen liberar gases inertes de nitrógeno cuando se calientan, lo que diluye la concentración de oxígeno en la llama. También pueden funcionar junto con compuestos de fósforo en sistemas intumescentes para ayudar a formar un char.
• Sistemas intumescentes
  • Mecanismo: Se trata de formulaciones complejas que suelen incluir una fuente de ácido (por ejemplo, APP), una fuente de carbono y un agente espumante. Cuando se calientan, se hinchan y forman una gruesa capa protectora de espuma de carbón.

La mejor alternativa depende totalmente de la aplicación específica, del polímero que se utilice, de la temperatura de procesado requerida y del rendimiento y el coste deseados frente al fuego.