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Tópicos Especiais: Degradação e flamabilidade de materiais
Aula 05 – Melhora das Propriedades anti-chama de Polímeros
Marcos Batistella
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Flamabilidade depende muito das condições ambientais e da composição do compósito.O comportamento dos materiais pode ser descrito por vários fatores:
•Facilidade de ignição•Propagação das chamas•Resistência à penetração do fogo•Taxa de liberação de calor•Facilidade de extinção•Fumaça•Gases Tóxicos
Introdução
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Introdução
• Ciclo do Fogo
• Degradação de Polímeros
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Física
ResfriamentoFormação de uma barreiraDiluição dos gases combustíveis
Química
Fase gasosaFase solida
Físico-química
IntumescênciaCarbonização
Retardantes de chama – Modos de ação
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•Cargas Minerais •Compostos Halogenados (Bromo)•Fósforo•Compostos Nitrogenados•Sistemas Intumescentes
Tipos de retardantes de fogo
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•São compostos de fórmula geral RX, onde R é um radical orgânico e X um halogênio, que interferem no mecanismo de radicais livres em fase gasosa que dá origem ao processo de combustão
•A eficácia dos retardantes de chama halogenados aumenta na seguinte ordem: F < Cl < Br < I
•Grande quantidade de compostos utilizadas para vários polímeros• Ação na fase gasososa ou solida
Retardantes de fogo: Halogenados
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Fase solida
Retardantes de Fogo Halogenados
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Fase gasosa
Liberação de haogenados
Formação de haletos de hidrogênio
Neutralização dos radicais de alta energia
Retardantes de Fogo Halogenados
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Retardante de chama Bromado
Aplicações
Hexabromociclodecano PS Expandido
Tetrabromobisfenol A PBT, PET, ABS
Decabromodifenil eter PP, Têxteis
Octabromodifenil eter ABS, PA, Espumas PU, Resinas epóxi
Polibromados bifenois Têxteis
Retardantes de fogo Halogenados
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10
Retardantes de fogo halogenados/Sb
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•Os retardadores de fogo à base de melamina são compostos nitrogenados.•Três tipos de aditivos são utilizados:
–Melamina pura–Derivados da melamina–Homólogos da melamina
11
Retardantes de Fogo: Melamina e seus derivados
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•Modo de ação:–Fase gasosa–Fase solida
•Usada com Fosfatos
12
Retardantes de Fogo: Melamina e seus derivados
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•Os compostos foforados constituem uma nova classe de retardadores de fogo em plena expansão devido à pesquisa de alternativas eficazes ao uso de retardadores de fogo halogenados. Os compostos desta família contém fosforo em diferentes estados de oxidação:
–Fosforo elementar,–Fosfatos ou polifosfatos–Fosfinatos–Fosfonatos
14
Retardantes de Fogo: Fosforados
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•Mecanismos incluem a formação de uma superfície de vidro para proteger o substrato do oxigênio e da chama, a promoção de carbonização, que isola o substrato de calor e oxigênio, e inibição de radicais livres
15
Retardantes de Fogo: Fosforados
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16
Retardantes de fogo fosforados agem na fase solida: Acido fosfórico e agua.
Formação de uma camada protetora composta por polímero e óxidos de fosforo
Retardantes de Fogo: Fosforados
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Fosfinatos metálicos (PA, PBT)
Poli fosfatos de amônio (PP, Poliéster)
DOPO (termofixos)
Fosforo (Poliamidas)
Retardantes de Fogo: Fosforados
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•Foram inicialmente desenvolvidos para utilização em pinturas, têxteis e madeira.
•Formação de uma camada carbonosa expandida na superfície do material:
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Retardantes de fogo: Sistemas Intumescentes
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•Normalmente, estas formulações são compostas por 3/4 compostos:
–Acido inorgânico não volátil;–Composto poli-hidroxilado (pentaeritritol)–Agente expansivo (aminas)–Ligante (material)
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Retardantes de fogo: Sistemas Intumescentes
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•Todos minerais, mesmo inertes, tem importância na melhora das propriedades anti-chama:
–Redução na quantidade de material inflamável–Modificação da condutividade térmica,–Modificação da viscosidade–Modificação da estrutura do polímero (nucleação)
•Incidência direta
–Absorver energia na degradação–Liberação de gases não inflamáveis–Formação de camada vitrosa
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Retardantes de fogo: Cargas Minerais
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Uso de cargas minerais:
Cargas Minerais Hidratadas
Argilas
Boratos
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Retardantes de fogo: Cargas Minerais
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Retardantes de fogo: Cargas Minerais
Carga Formula Tdecomp (°C)
ΔH decomp
(kJ/g)
Hidróxido de alumínio Al2O3.3H2O 180-200 1300
Hidróxido de Magnésio Mg(OH) 2 300-320 1450
Hidróxido de Cálcio Ca(OH) 2 430-450 1150
Nesquinita MgCO3.3H2O 70-100 1750
Hidromagnesita Mg5(CO3) 4(OH) 2.4H2O 220-240 1300
Huntita Mg3Ca(CO3)4 400 980
Ultracarb Hidroma/Huntita 220-400 1172
Boemita AlO(OH) 340-350 560
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Retardantes de fogo: Cargas Minerais
FONTE: Hull, 2015
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Retardantes de fogo: Nano compósitos
![Page 25: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/25.jpg)
Seleção de retardadores de fogo: Famílias de polímeros
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Polipropileno
• Aditivos halogenados
• Cargas Minerais hidratadas
• Intumescência• Poliol, acido e agente de expansão.
• Compostos contendo fosforo
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Polipropileno
• Tetrabromo bisphenol A bis(2,3-dibromopropylether)
• Many flame retardant have been developed for PP in the last three decades.
•
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Polipropileno
![Page 29: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/29.jpg)
Polipropileno
• Intumescência
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Poliamidas
• Importante em aplicações eletrônicas
• Poliestirenos contendo Bromo
• Cianurato de melamina
• Compostos contendo fosforo (fosfinatos)
• Cargas Minerais (nano compósitos)
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Poliamidas
• Sinergias:• Fosfato de melamina
• Compostos contendo fosforo• Compostos Inorgânicos• Organo-fosforados
• Cargas Minerais
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Evaporation Melon+ NH3
Décomposition
>500°C
360°-450°C
N
N N
NH2NH2
NH2
+
N
N N
OHHO
OHAcide cyanurique
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.Cyanurate de mélamine
Mélamine
N
N N
NH2NH2
NH2
+
250°-350°C
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.1-x
x
NH3
(Cyanamide,...)
+ HC=C=O
isocyanate Evaporation Melon+ NH3
Décomposition
>500°C
360°-450°C
N
N N
NH2NH2
NH2
+
N
N N
OHHO
OHAcide cyanurique
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.Cyanurate de mélamine
Mélamine
N
N N
NH2NH2
NH2
+
250°-350°C
N
NN
NH2
NH2
H2N
HN
NH
NH
O
OO
.1-x
x
NH3
(Cyanamide,...)
+ HC=C=O
isocyanate
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acide polyphosphorique
polyphosphate d'ammonium(APP)
NH3_
(NH4PO 3)n (HPO 3)n
5-amidopentyl phosphate
+(HPO 3)n (CH2)5 C
O
NH (CH2)5 C
O
NH (O 2PO )n[ ( CH2)5 C
O
NH ]m (CH2)5 C
O
NH2
NH
O
PA-6 caprolactame
+ H2N C (CH2)5
O
+
S tru c tu re ch a rb o n n ée d ’o x yn itru re d e p h o sp h o re
acide polyphosphorique
polyphosphate d'ammonium(APP)
NH3_
(NH4PO 3)n (HPO 3)n
5-amidopentyl phosphate
+(HPO 3)n (CH2)5 C
O
NH (CH2)5 C
O
NH (O 2PO )n[ ( CH2)5 C
O
NH ]m (CH2)5 C
O
NH2
NH
O
PA-6 caprolactame
+ H2N C (CH2)5
O
+
S tru c tu re ch a rb o n n ée d ’o x yn itru re d e p h o sp h o re
![Page 34: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/34.jpg)
Poliamidas - Fumaça
Fonte: Horold, 2004.
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Poli Uretano
• Uso de aditivos ou Mudança da estrutura
• Extinção de redução material
• Redução na quantidade de ar fornecido
• Redução da difusão do fogo e geração de calor
• O aumento da energia necessária para o processo de combustão
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Poli Uretano
• Reação com a chama impedindo a propagação de fogo
• Impedindo da difusão de oxigênio no polímero
• Redução da temperatura de chama com a remoção de energia do sistema
• Char.
• Expansão do polímero
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Poli Uretano
![Page 38: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/38.jpg)
Poli Uretano
• Halogenados
• Hidróxidos metálicos
• Compostos contendo fosforo
• Melamina
![Page 39: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/39.jpg)
Poli Uretano
![Page 40: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/40.jpg)
PVC
• Tri oxido de antimônio
• Halogenados
• Cargas Minerais
• Plastificantes contendo fosforo
![Page 41: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/41.jpg)
PVC – Supressores de Fumaça
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PVC
![Page 43: Melhora das Propriedades Anti chama de polimers](https://reader031.vdocuments.mx/reader031/viewer/2022012402/563db974550346aa9a9d7cf3/html5/thumbnails/43.jpg)
EVA
• Cargas Minerais
• Boratos de Zinco
• Nano cargas
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EVA
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Poliésteres (PET)
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Poliésteres (PET)