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Los fosfinatos metálicos, como los de Clariant, convencen gracias a sus sobresalientes propiedades

Plásticos y electricidad - aditivo ignífugo, el tercer e indispensable elemento en la relación

Elmar Schmitt, Sebastian Hörold
Clariant Produkte (Alemania) GmbH, Pigments & Additives Division
28/04/2008

28 de abril de 2008

Como consecuencia de la globalización, la competencia en la industria eléctrica y electrónica (E&E) será cada vez más dura. Además, en este sector hay que cumplir una serie de requisitos legales a nivel mundial, que plantean cada vez mayores exigencias. La seguridad de los equipos, así como la de su utilización se encuentran en primerísimo lugar como factores de éxito. No basta el comportamiento del equipo y las piezas en caso de incendio, sino, sobre todo, la protección preventiva contra las llamas de los materiales empleados.
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Junto a estos aspectos técnicos de los materiales, las consideraciones de carácter ecológico y económico juegan un papel determinante. Además, también juegan un papel muy importante los numerosos deseos del fabricante de aparatos eléctricos en cuanto a las propiedades físicas y de procesado de los materiales. En este campo, los plásticos son los materiales óptimos para numerosas aplicaciones. Dotados de los aditivos adecuados, como, por ejemplo, una sustancia ignífuga eficiente, se puede disponer de polímeros capaces de satisfacer las más altas exigencias de la industria eléctrica y electrónica.

Pero, ¿qué es una sustancia ignífuga?

Para la protección contra las llamas hay disponibles numerosos compuestos químicos, los cuales se diferencian mucho entre sí por sus propiedades físico-químicas, su toxicología y su comportamiento medioambiental. Su parecido se encuentra en el efecto, ya que todos ellos reducen la inflamabilidad de los materiales. Como componente determinante encontramos diferentes elementos como: fósforo, bromo, cloro, nitrógeno o boro. También el hidróxido de aluminio o magnesio actúan como ignífugos. El efecto retardante de la llama puede basarse tanto en reacciones químicas como en la secuenciación de reacciones radicales en la llama o sobre efectos físicos como el enrarecimiento y enfriamiento de la atmósfera de combustión.

Hasta ahora, los ignífugos halogenados se encuentran ampliamente difundidos. Sin embargo, debido a su posible peligrosidad para el medio ambiente, desde hace algún tiempo se hallan en medio de una controversia, a lo que hay que agregar la llegada de la directiva europea WEEE (Reglamento de desechos eléctricos y electrónicos) (Tabla 1), según la cual, las piezas de plástico dotadas de ignífugos con contenido de halógeno tienen que ser recogidas y procesadas por separado, lo cual incide negativamente en los costes. Por estas razones, la tendencia hoy en día es la utilización de sistemas ignífugos libres de halógeno.

Fosfinato metálico - una excelente alternativa

Las sustancias a base de fosfinatos metálicos constituyen una gama relativamente nueva dentro de los aditivos ignífugos. Desde hace algunos años, Clariant ofrece, bajo la denominación comercial Exolit OP, este tipo de ignífugo.
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Figura 1: estructura química del ignífugo a base de fosfinato
Las ventajas fundamentales de esta clase de productos son su extraordinaria efectividad y su escasa influencia sobre las propiedades del material. Estos productos no halogenados son térmicamente estables hasta 350 ºC y reaccionan en la fase sólida. Debido a esto, por una parte se minimiza la densidad de los gases de humo y, por otra, se evita la formación de otros gases corrosivos. Mediante la formación de una densa capa parcialmente espumosa, el calor desprendido es relativamente bajo. Los productos en base a fosfinato convencen, también, por su baja tendencia a la migración. Además cumplen con importantes exigencias toxicológicas. El test de Ames no arroja ninguna mutagenicidad para este ignífugo. Las investigaciones sobre toxicidad muestran un efecto muy escaso sobre organismos acuáticos (peces, crustáceos, bacterias y algas), por lo cual no es necesaria ninguna identificación o clasificación especial. Como la mayoría de los aditivos para plásticos, los fosfinatos son relativamente estables química y biológicamente y por lo tanto, difíciles de degradar.

Las aplicaciones de esta línea de ignífugos cubren actualmente desde los enchufes e interruptores de corriente en base poliamida (PA) y polibutilentereftalato (PBT) hasta máscaras y placas protectoras para soldar, placas para circuitos impresos, además de los materiales básicos para estas placas, ya sean rígidas o flexibles.

Para la protección contra las llamas hay disponibles numerosos compuestos químicos, los cuales se diferencian mucho entre sí por sus propiedades físico-químicas, su toxicología y su comportamiento medioambiental

Análisis de los ignífugos en base fosfinato - criterios y materiales

Los aditivos para protección contra las llamas basados en fosfinatos metálicos han sido sometidos a extensos análisis, que detallamos en este artículo. En primer lugar se analiza su comportamiento respecto a las normas y directivas vigentes. Luego, mediante numerosas pruebas se analiza su influencia sobre las propiedades mecánicas y eléctricas de diferentes polímeros. Como polímeros se han utilizado las poliamidas PA 6, PA 66 y PA 6T tanto con refuerzo de fibra de vidrio, como sin él. También se han probado los poliésteres polibutilen- (PBT) y polietilentereftalato (PET), reforzados y no reforzados. Seguidamente se presentan los resultados para las poliamidas. Las ventajas descritas valen, igualmente para los poliésteres analizados.

El ignífugo con contenido de halógeno utilizado para la comparación es una fórmula convencional que contiene poliestireno bromado, trióxido de antimonio y politetrafluoretileno (Br-PS/ATO/PTFE).

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Tabla 1: importantes regulaciones y directivas nacionales e internacionales.

Se cumplen las normas y directrices técnicas de protección contra incendio

Las sobrecargas, el uso inadecuado, así como los errores en el acabado y montaje son los peligros principales de los productos electrotécnicos. De ahí que las exigencias técnicas de protección contra incendio consistan en evitar que, en caso de errores, se produzca una inflamación de las piezas y la propagación del fuego al entorno.

También es un objetivo, asegurar los aparatos contra focos de ignición externos, como, por ejemplo, una vela encendida.

Que un material pueda ser usado para determinada aplicación depende de su comportamiento ante el fuego y las exigencias técnicas de protección contra incendios contenidas en las normas y especificaciones nacionales e internacionales.

Como resultado de la globalización de la industria electrotécnica, organizaciones como la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y Underwriters Laboratories (UL) de los Estados Unidos, han adquirido relevancia mundial. Estas organizaciones se desarrollaron independientemente, partiendo de sus propias reglamentaciones nacionales. También las Normas Europeas que poseen el estatus de normas nacionales dentro de los países que conforman el CENELEC (países de la Comunidad Europea más Suiza) tienen, en esencia, este origen. Estas regulaciones han sido completadas con directivas para la recolección y tratamiento de residuos eléctricos y electrónicos (WEEE), así como la prohibición de usar determinados materiales agresivos con el medio ambiente (RoHS).

A continuación se presentan dos ejemplos que muestran que los aditivos ignífugos a base de fosfinatos cumplen con las normas y directivas vigentes.

Prueba de filamento incandescente según normas IEC

Para los aparatos destinados a funcionar sin vigilancia, por los cuales fluye corriente de alta intensidad (más de 0,2 A), existen las más altas exigencias. Las normas de la IEC prescriben, entre otras, una prueba de inflamabilidad para plásticos (Glow Wire Flammability Index GWFI) a 850 ºC. Esto es válido tanto para las muestras de los materiales a probar como para las piezas terminadas.

Para determinar el índice de inflamabilidad (GWFI) se presiona, durante 30 segundos, un filamento incandescente contra el material de muestra (figura 2). Seguidamente se comprueba la temperatura a la que se extingue la llama en la muestra al retirar el filamento en un lapso de 30 segundos. Además, un trozo de papel de seda colocado bajo la muestra del material, no debe encenderse por goteo del material o por emisión de partículas incandescentes. Las poliamidas dotadas de una sustancia ignífuga de la línea Exolit OP cumplen sin dificultad con estas exigencias.

GWIT No hay ignición a la temperatura de referencia (ignición=llama dura más de 5 s).

GWFI Extinción de la llama antes de 30 s a la temperatura de referencia.

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Figura 2: Aparato para la prueba de filamento incandescente, Test IEC 60695.

Efectos de la RoHS

La reciente directiva RoHS, 2002/95/EC prohíbe, entre otras, la utilización de componentes de plomo en las placas para circuitos impresos. Como consecuencia, las operaciones de soldadura deben ser realizadas a temperaturas entre 30 y 50 ºC mayores a lo que era usual hasta ahora. Los compuestos que contienen fosfinatos

permiten cumplir con estos requisitos, por lo que resulta posible producir placas para circuitos impresos con este material libre de halógenos. Además, los compuestos de PA-T con aditivos ignífugos de este tipo no forman ampollas ('blistering') inclusive a altas temperaturas y no se decoloran.

Otras propiedades y valores característicos de los materiales - resultados convincentes

Las propiedades físicas, químicas y eléctricas de los materiales poliméricos ignifugados son los puntos más importantes a tener en cuenta en la aplicación de un aditivo ignífugo. Como base de un desarrollo sostenible, el reaprovechamiento de los materiales adquiere, cada vez, mayor importancia.

Algunos de estos aspectos se describen a continuación.

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Tabla 2: Propiedades mecánicas de PA 66 (protector: Exolit OP 1312) con diferentes contenidos de fibra de vidrio (FV).

Propiedades mecánicas

Un aspecto fundamental para la clasificación de los polímeros son sus propiedades mecánicas. Las poliamidas reforzadas con fibra de vidrio muestran propiedades mecánicas sobresalientes. La tabla 2 refleja la variación de los parámetros mecánicos más importantes en la poliamida PA 66, dependiendo del contenido de fibra de vidrio.

Al aumentar el contenido de fibra de vidrio, el módulo-E y la resistencia a la tracción aumentan proporcionalmente, mientras que, por el contrario, el alargamiento de rotura disminuye. La resistencia al impacto y la resiliencia alcanzan su máximo valor con un contenido de fibra de vidrio de 35%, volviéndose frágil el material al sobrepasar este límite, por lo cual podemos deducir que las propiedades mecánicas óptimas se alcanzan con un contenido de fibra de vidrio del 35%.

Mediante un cambio en la formulación del polímero, como, por ejemplo, la incorporación de un ignífugo u otros aditivos, las propiedades del material polimérico se deben mantener, preferiblemente, invariables. El desafío fundamental constituye, ante todo, la fragilidad del material. La siguiente gráfica muestra los efectos de los aditivos ignífugos sobre las propiedades mecánicas de PA-T con 30% de refuerzo de fibra de vidrio (FV).

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Figura 3: Propiedades mecánicas de PA-T (FV 30%): Módulo-E, resistencia a la tracción y alargamiento de rotura.
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Figura 4: Propiedades mecánicas de PA-T ( FV 30%): resistencia al impacto y resiliencia
En resumen, se puede afirmar que los parámetros estudiados apenas se alteran después de añadir los aditivos ignífugos, por lo cual resultan apropiados para sus aplicaciones. Los materiales dotados de protectores contra las llamas convencionales o de Exolit OP muestran propiedades mecánicas comparables, sin cambios significativos en la resiliencia. Estas buenas propiedades mecánicas, sobre todo la viscosidad, aseguran que con estos materiales se puedan inyectar piezas con paredes de bajo espesor e inclusive partes movibles de los interruptores eléctricos.
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Tabla 3: Propiedades eléctricas de PA 66 (FV 30%).

Propiedades eléctricas características

Las propiedades eléctricas características del material son un requisito indispensable para la utilización de los plásticos en aplicaciones de electrónica. Como ejemplo se ha analizado la resistencia a las corrientes eléctricas (Comparative Tracking Index, CTI) como dato característico del material. Para determinar el valor CTI, se gotea una solución electrolítica entre dos electrodos. Se cuentan las gotas hasta que se determina una conductividad. El valor CTI es la mayor tensión a la que, después de 50 gotas, no se presenta conductividad. Las poliamidas aditivazas con Exolit OP, alcanzan el valor CTI 600V sin ningún problema, al igual que PA-T y PA 66.

La tabla 3 muestra, además, que los compuestos protegidos con fosfinatos (PA 66 FV 30%) se caracterizan, en general, por una buena capacidad de aislamiento.

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Figura 5: Protección contra las llamas para piezas gris alba, con Exolit OP.

Coloración

Hasta ahora, a menudo se había utilizado el fósforo rojo como ignífugo para las poliamidas. Debido a su buena propiedad de aislamiento, las poliamidas con este tipo de protección contra las llamas han sido utilizadas especialmente para piezas de aislamiento eléctrico y carcasas en instalaciones eléctricas. Sin embargo, una desventaja del fósforo rojo es su propio color, el cual sólo permite la elaboración de piezas rojas u oscuras. El ignífugo Exolit OP constituye una excelente alternativa, ya que por su poca coloración propia permite la fabricación de piezas más claras. De tal forma, que el ampliamente difundido gris alba y hasta el color propio de cada empresa, pueden ser realizados sin dificultad.

Densidad

La baja densidad es una ventaja fundamental de los polímeros frente a los metales. Esto permite aligerar el peso de los productos acabados y reducir su coste. De esta forma, el cliente puede ahorrar material y dinero. Ya con la dosificación de pequeñas cantidades de Exolit OP como ignífugo, se logra el requerido efecto protector contra las llamas, lo cual incide favorablemente sobre la densidad del material.

En comparación con las formulaciones corrientes dotadas de protectores contra las llamas bromados, se puede obtener un ahorro de peso de hasta un 15 por ciento.

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Reciclado

Sobre la base de la sostenibilidad de productos y materias primas, el reciclaje de plásticos dotados de protección contra llamas cobra un especial significado.

Basada en el estándar UL, se ha realizado una investigación sobre el reciclaje de poliamidas reforzadas con fibra de vidrio, en la cual se comparó un polímero sin protección contra las llamas con un polímero dotado de un ignífugo a base de fosfinato (Exolit OP 1312), además de otro con un ignífugo bromado convencional.

El procedimiento consistió en un repetido moldeo por inyección del compuesto con la consiguiente molturación de la muestra.

Después de cada prueba, las muestras fueron estudiadas en lo referente a su comportamiento frente al fuego y estabilidad de fusión, así como sus propiedades colorísticas y mecánicas.

Los resultados muestran que, inclusive después de seis granulaciones, el comportamiento de la muestra frente a las llamas no se altera y se mantiene sin dificultad la categoría V-0 según UL 94.

Sobre la base de la sostenibilidad de productos y materias primas, el reciclaje de plásticos dotados de protección contra llamas cobra un especial significado
Digno de resaltar es la significativa reducción del tiempo de persistencia de la llama en la muestra polimérica dotada de ignífugo base fosfinato.

También los análisis sobre la estabilidad de la fusión y del color, así como las propiedades mecánicas, dan resultados positivos.

Todos los valores se mantienen en un buen nivel, de manera que los residuos de producción pueden ser reincorporados al ciclo de producción sin ninguna dificultad.

Resumen y perspectiva

Las sustancias ignífugas basadas en fosfinatos representan una alternativa sobresaliente frente a las variantes convencionales, no sólo en el marco de un desarrollo sostenible. Los resultados aquí presentados muestran que la nueva generación de sustancias ignífugas brinda otras ventajas importantes:

    • Buenas propiedades físicas incluso con piezas de bajos espesores, además de su buena procesabilidad.

    • Buenos parámetros eléctricos.

    • Facilidad de coloración del compuesto, inclusive en tonalidades claras.

    • Buena valoración ecológica y toxicológica.

Además, estas sustancias ignífugas cumplen con las regulaciones legales correspondientes. Como consecuencia de este perfil de propiedades tan positivo y de la amplia gama de posibilidades que brinda, los productos de la gama Exolit OP tienen un futuro prometedor en este tipo de aplicaciones.

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