Protección ignífuga sin halógenos para poliamidas con refuerzo de fibra de vidrio

A menudo, menos es más

Dr. Schacker
Clariant GmbH, Gersthofen01/08/2004

Reportaje industria química y plásticos técnicos

En los últimos años, las características que se exigen a las sustancias ignífugas han cambiado considerablemente. Además de su eficacia en caso de incendio, sus características ecológicas en todas las fases de la vida útil del producto juegan también un papel importante.

Un factor también decisivo, a fin de reducir los costes de producción, es la posibilidad de procesamiento rentable de los aditivos ignífugos, por una parte deben ser susceptibles de ser integrados de forma óptima en el proceso de producción. Por otra parte, no deben afectar o limitar las propiedades de los compuestos.

Estos criterios también se han tenido en cuenta en el desarrollo de la sustancia ignífuga no halogenada Exolit OP 1312 (TP) M1 de Clariant. Incluso cantidades pequeñas de este aditivo son suficientes para dotar a las poliamidas de protección ignífuga.

Poliamida, un material con enorme potencial de crecimiento

Las poliamidas son, y no sólo por las amplias opciones de modificación mediante materiales de relleno, elastómeros y aditivos que ofrecen uno de los materiales sintéticos técnicos más importantes. En los últimos años, las propiedades de las poliamidas en cuanto a su comportamiento de procesamiento, el incremento de su ductilidad, la solidez mecánica, la estabilidad en el tiempo y ante influencias meteorológicas frente al envejecimiento por calor y la hidrólisis, la resistencia a sustancias químicas, así como su seguridad contraincendios, han sido mejoradas de forma continuada.

Gracias a estas mejoras, los materiales basados en la poliamida han alcanzado importantes cuotas de mercado en áreas de uso técnico. Su consumo anual se incrementará, hasta el año 2010, en aproximadamente un 7 por ciento a escala mundial, hasta situarse en aproximadamente 3,6 millones de toneladas [1].

La industria electrónica y eléctrica es, junto con la industria automovilística, el sector con mayor consumo de materiales de poliamida con protección ignífuga. En estos sectores, la seguridad contraincendios de los componentes de plástico se encuentra regulada por varios estándares internacionales y nacionales (UL, IEC, DKE, CENELEC; véase recuadro 1), si bien las disposiciones legales en materia de protección ignífuga sin emisiones y ecológica son cada vez más estrictas, más amplias y más uniformes en todo el mundo.

Además, en el proyecto de la Comisión Europea para la Directiva WEEE (Reglamento de desechos eléctricos y electrónicos) se reclaman conceptos de reciclado para todos los materiales [2]. Según este proyecto, los plásticos con contenidos en halógenos tienen que ser recogidos y procesados o, en su caso, reciclados por separado, lo que sólo será posible a un coste sustancialmente superior. Esto causará el uso preferencial de sustancias ignífugas no halogenadas.

Compuestos organofosfáticos como nueva sustancia ignífuga alternativa

Ya en el año 1998 se informó de la nueva categoría de principio activo de los organofosfatos [3], que permitía la producción de sustancias ignífugas con adaptación óptima y sin sustancias activas con contenido en halógenos. Los ulteriores desarrollos de la empresa Clariant nos han llevado a una fórmula sinergista para poliamidas: así, por ejemplo, en el caso del Exolit OP 1312 (TP) M1, recién desarrollado por Clariant, se trata de una sustancia ignífuga basada en una sal orgánica del ácido de fosfina y un sinergista.

Los compuestos de fosfato tienen un efecto ignífugo, en caso de incendio, el compuesto de fosfato se descompone y genera una densa e impermeable capa de carbono que protege al plástico de una ulterior oxidación. Además, en muchas sustancias ignífugas con base de fósforo se provoca la espumación de esta capa, lo que aísla de las llamas al material aún no incendiado (intumescencia). Como este proceso se produce exclusivamente en la superficie sólida del material, las emisiones son minimizadas, una propiedad extremadamente decisiva para las sustancias ignífugas del futuro. De esta circunstancia también resulta la propiedad positiva de la reducción de la densidad de gas de combustión y la disminución de gases de combustión corrosivos y tóxicos comparado con sustancias ignífugas con contenido en halógeno.

Sin embargo, en el desarrollo de nuevas sustancias ignífugas hay otros aspectos importantes además de los de seguridad y los medioambientales. Para una producción baja en costes también una buena formación de compuestos y la procesabilidad de los polímeros con protección ignífuga ha de ser garantizada. Otro aspecto importante es que por la añadidura de las sustancias ignífugas no se pueden perjudicar las propiedades mecánicas y eléctricas de los materiales de poliamida.

En una serie de pruebas se determinaron las propiedades más importantes de compuestos con Exolit OP 1312 (TP) M1 sin halógenos, de poliamida sin protección ignífuga y de una poliamida con halógenos y con protección ignífuga, comparando a continuación los resultados.

La industria electrónica y eléctrica es, junto con la automovilística, el sector con mayor consumo de materiales de poliamida con protección ignífuga

Condiciones de prueba

Las fórmulas utilizadas en las pruebas se indican en la tabla 1. En el caso de la poliamida con halógenos y con protección ignífuga se trata de una fórmula comercialmente conocida que contiene poliestireno bromado, trióxido de antimonio y politetrafluoretileno. Es utilizada cuando para los componentes se necesitan propiedades mecánicas muy buenas y una elevada estabilidad. Ambas fórmulas con protección ignífuga alcanzan la clasificación UL 94 V-0 con 0,8 mm (véase recuadro 2). Todas las pruebas se realizaron bajo las mismas condiciones en una extrusionadora con husillo doble Leistritz (ZSE 27-44D).

Índice de fusión

El índice de fusión es un parámetro muy importante a los efectos de la formación del compuesto y en el moldeo por inyección. Durante la formación del compuesto, un índice de fusión elevado permite un menor cizallamiento y, de esta forma, un mayor rendimiento. Para poder rellenar durante su procesamiento por moldeo por inyección moldes grandes y complejos, es necesario un elevado índice de fusión. En la imagen 1, el índice de fusión del compuesto con Exolit OP 1312 (TP) M1 muestra una ligera bajada a causa de la añadidura de un material de relleno, en este caso la sustancia ignífuga, comparado con la poliamida sin protección ignífuga. El valor con el poliestireno bromado es sustancialmente más bajo.

Propiedades eléctricas

Para el mercado de la industria electrónica y eléctrica, los datos de referencia eléctricos son especialmente importantes. Uno de los muchos métodos para medir las propiedades de los materiales en presencia de corriente eléctrica es el Comparative Tracking Index (CTI). En éste, una solución definida de electrolitos es goteada entre dos electrodos, contando las gotas, hasta que una corriente de corto circuito determinada pasa por la superficie. El valor CTI es la mayor tensión en la que no se produce ninguna corriente de corto circuito tras 50 gotas. Los resultados se reflejan en la imagen 2, en la que queda claro que el valor CTI no resulta influenciado por Exolit OP 1312 (TP) M1, mientras que el valor de la fórmula desciende considerablemente con poliestireno bromado.

Densidad de los compuestos

Otra propiedad importante de los materiales sintéticos es su densidad, que dota a este tipo de materiales de una ventaja frente a los metales. En la industria plástica, generalmente se indican los precios de los materiales como precio por unidad de masa, siendo comparados entre ellos a partir de este dato. Sin embargo, la comparación en sí debería realizarse en base al precio por unidad de volumen, ya que las piezas terminadas son definidas por su forma y, en consecuencia, por su volumen. De esta forma, piezas más ligeras ofrecen una mejor relación precio/volumen.

El segundo aspecto, y que realmente es más importante, es la posibilidad relacionada de realizar una construcción más ligera, algo que resulta importante sobre todo en el sector automovilístico y en materia de transportes. En la imagen 3 se representan las densidades de los compuestos. Comparado con el material ignífugo con contenido en halógeno, Exolit OP 1312 (TP) M1 ofrece la ventaja de que el efecto de protección contraincendios requerido ya se consigue con reducidas cantidades de aditivos y con una baja densidad del material ignífugo, lo que tiene un efecto positivo sobre la densidad de los compuestos equipados de esta forma.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de los plásticos son la categoría más importante por la que éstos pueden ser clasificados. Todos los desarrolladores de una sustancia ignífuga desean que su material tenga un efecto lo más inerte posible en el polímero, es decir, que no afecte las propiedades mecánicas del polímero base. Por esta razón, tal y como han puesto de manifiesto las pruebas, también aquí un bajo grado de relleno de los aditivos es una ventaja.

Los resultados de la prueba de resistencia al estiramiento están resumidos en la tabla 2. Todos los datos han sido obtenidos con muestras condicionadas (almacenamiento bajo condiciones de clima normal, 23°C, 50 por ciento de humedad relativa) que son también los más representativos del uso cotidiano. Ambos compuestos de protección ignífuga muestran un aumento del módulo E que se debe al efecto de los materiales de relleno. La composición de los compuestos ignífugos no es tan homogénea como en la Poliamida 6.6 GF, por ello la resistencia a la tracción desciende hasta un nivel del 80 por ciento del valor de partida sin protección ignífuga. Sin embargo, esto es suficiente para la mayoría de las aplicaciones. Algo parecido ocurre también con el alargamiento a la rotura. Por lo tanto, los datos de tracción y alargamiento de los dos compuestos con protección ignífuga apenas se distinguen entre ellos.

Los reducidos grados de relleno de la sustancia ignífuga ofrecen unas posibilidades de diseño mucho más amplias en el procesado

Las mismas conclusiones extraídas en cuanto a las propiedades de tracción y alargamiento también son aplicables a las resistencias a los impactos. En la tabla 3, se reflejan los valores hallados según Charpy.

En resumen hay que constatar que las propiedades mecánicas de ambos sistemas de protección contraincendios apenas se diferencian entre ellos. Ambos cumplen los mismos elevados requisitos en cuanto a la estabilidad mecánica que se exige a la poliamida 6.6 con refuerzo de fibra de vidrio.

Conclusiones

Exolit OP 1312 (TP) M1 es una sustancia ignífuga no halogenada con un perfil de propiedades muy bueno, basada en una sal orgánica del ácido de fosfina y un sinergista. Para alcanzar la importante clasificación UL 94 V-0 con 0,8 mm, basta con cargas reducidas (15 a 18 por ciento) de esta sustancia ignífuga tan eficaz. Esto les aporta una ventaja a los fabricantes de compuestos y a los aplicadores, consistente en que las propiedades del material como la solidez, la resistencia a impactos y el comportamiento de corriente de fuga de las poliamidas con protección ignífuga con Exolit OP 1312 (TP) M1 cambia sustancialmente.

Por otra parte, los reducidos grados de relleno de la sustancia ignífuga ofrecen, en comparación con los aditivos convencionales con halógenos, unas posibilidades de diseño mucho más amplias en el procesado, así como una mayor funcionalidad de las piezas terminadas. Como, además, el Exolit OP 1312 (TP) M1 es blanco y tiene un poder coloreante reducido, los ajustes de color se pueden realizar sin ningún tipo de problemas. En este sentido, esta nueva categoría de sustancias ignífugas sin contenido en halógenos nos debe hacer esperar evoluciones interesantes tanto de los materiales como de las aplicaciones..

Bibliografía

[1] CS/VKE-AA-Mafo Wirtschaftsdaten – Versión de: 15.01.04, pág. 48

[2] Directive of the European Parliament and the Council on Waste Electrical and Electronic Equipment, Draft Proposal, Brussels 2001

[3] W. Wanzke, S. Hörold, R. Walz, “Neue Entwicklungen mit Phosphorverbindungen für technische Kunststoffe“, 3ª Jornada Sectorial Plásticos, Sustancias antiincendio e ignífugas, Süddeutsches Kunststoff-Zentrum, Würzburg, 1998, Clariant GmbH