Ritardanti di fiamma

I ritardanti di fiamma sono additivi chimici che aumentano la resistenza al fuoco di un materiale in questione.

Queste sostanze vengono aggiunte a vari tipi di prodotti finiti: materie plastiche, tessuti, rivestimenti, ecc. Il compito principale dei ritardanti di fiamma è quello di prevenire o rallentare il processo di combustione mediante l’applicazione di diversi metodi fisici e chimici.

I ritardanti di fiamma sono utilizzati in molti settori, tra cui l’edilizia e l’arredamento, le vernici e le pitture, gli adesivi, le materie plastiche e i trasporti.

La chimica della combustione dei polimeri e il ruolo dei ritardanti di fiamma

I materiali polimerici, come i poliuretani, sono generalmente infiammabili di per sé perché, se riscaldati, la catena polimerica si decompone rilasciando prodotti volatili che alimentano le reazioni di combustione in fase gassosa. Il processo di combustione dei polimeri si articola nelle seguenti fasi: decomposizione termica della catena, emissione di gas combustibili, accensione e propagazione della fiamma.

I ritardanti di fiamma interferiscono con queste fasi attraverso vari meccanismi, provocando un’accensione ritardata, una riduzione dell’intensità della combustione e una diminuzione delle emissioni di calore e fumo.

Questi meccanismi possono essere suddivisi in linea generale in:

• azione in fase solida — promuove la formazione di uno strato di carbonio (carbone) che isola termicamente la superficie del materiale e limita l’accesso dell’ossigeno dall’ambiente,
• azione in fase gassosa : inibizione delle principali reazioni radicaliche nella fiamma mediante il rilascio di composti che diluiscono il combustibile o arrestano le reazioni di combustione a catena,
• Meccanismi di raffreddamento endoenergetico : assorbimento di calore durante la decomposizione del ritardante di fiamma, che riduce la temperatura complessiva della zona di combustione.

Ritardanti di fiamma alogeni

Alcuni ritardanti di fiamma contengono atomi di cloro o bromo che, in fase gassosa, agiscono interferendo con i radicali reattivi presenti nella fiamma, ad esempio H• e OH•, rallentando la reazione di combustione e riducendo la velocità di rilascio del calore. Tuttavia, a causa di potenziali rischi per la salute e l’ambiente, in particolare per i sottoprodotti della combustione degli alogeni, il loro utilizzo viene sempre più limitato e sostituito da soluzioni prive di alogeni.

Ritardanti di fiamma senza alogeni

I ritardanti di fiamma senza alogeni non contengono atomi di cloro o bromo. Questo gruppo comprende principalmente:

• composti del fosforo (fosfati, fosfinati, fosfonati),
• composti azotati,
• additivi minerali inorganici (ad esempio idrossidi metallici).

Ritardanti di fiamma a base di fosforo

A temperature elevate, gli atomi di fosforo nella loro struttura subiscono modifiche che portano alla formazione di acidi fosforici e polifosforici, i quali agiscono da catalizzatori per la disidratazione del materiale. Questo processo favorisce la formazione di uno strato carbonizzato (carbone) sulla superficie del materiale in combustione, che funge da barriera limitando l’accesso dell’ossigeno, il trasferimento di calore e la diffusione dei prodotti di decomposizione volatili nella zona della fiamma. Questo meccanismo si verifica principalmente in fase solida e la sua efficacia dipende dalla capacità del fosforo di stabilizzare la struttura del carbonio formando strutture fosforo-carbonio termicamente stabili.

Uno dei ritardanti di fiamma comunemente utilizzati è il tris(2-cloro-1-metiletil) fosfato, noto anche come TCPP (Roflam P), che, grazie alla presenza di fosforo e cloro, agisce sia in fase solida che gassosa, inibendo la propagazione della fiamma e limitando la velocità di combustione.

Ritardanti di fiamma a base di azoto

Si tratta di un gruppo di composti chimici le cui strutture contengono quantità significative di atomi di azoto, spesso sotto forma di triazina o ammine. Elevate concentrazioni di azoto favoriscono il rilascio di gas non infiammabili, ad esempio N₂ e NH₃, durante la decomposizione ad alte temperature, il che porta alla diluizione della miscela di gas infiammabili e ossigeno nella zona di combustione, riducendo l’intensità del processo di combustione e ritardando l’accensione. Grazie a questo meccanismo, i ritardanti di fiamma azotati agiscono sia in fase gassosa sia a supporto dei meccanismi che portano alla formazione di uno strato protettivo di carbonio.

Tra gli esempi si annoverano la melammina e i suoi derivati, il cianurato di melammina e il polifosfato di melammina, spesso utilizzati come additivi privi di alogeni in poliuretani, poliammidi e altri polimeri.

Additivi minerali inorganici come ritardanti di fiamma

Gli additivi minerali inorganici sono un gruppo di sostanze che influenzano l’infiammabilità dei materiali attraverso processi fisici e chimici che avvengono ad alte temperature, senza la partecipazione di atomi di carbonio caratteristici dei composti organici. I più comunemente utilizzati sono gli idrossidi metallici, come l’idrossido di alluminio e l’idrossido di magnesio, che si decompongono endotermicamente quando riscaldati, rilasciando acqua.

Altri esempi includono fosfati inorganici, ossidi e cariche minerali, che possono agire come assorbitori di calore o contribuire a formare uno strato protettivo sulla superficie del materiale.

Modifiche e introduzione di ritardanti di fiamma nei materiali poliuretanici

I ritardanti di fiamma possono essere incorporati nei poliuretani in vari modi: sia come additivi, ovvero come componenti fisici presenti nella massa polimerica, sia come componenti reattivi che vengono incorporati nella catena polimerica durante la sintesi. I ritardanti di fiamma reattivi possono garantire un’integrazione più duratura con la matrice, riducendo la migrazione e migliorando la stabilità delle prestazioni a lungo termine.

Significato tecnico nelle applicazioni

Nelle applicazioni del poliuretano, i ritardanti di fiamma sono fondamentali nella produzione di schiume, elastomeri, rivestimenti e componenti strutturali, dove il rispetto degli standard di sicurezza antincendio, ad esempio la classe di resistenza al fuoco, è richiesto da normative e standard tecnici. Un ritardante di fiamma ben scelto può aumentare significativamente il tempo di accensione, ridurre la velocità di propagazione della fiamma e limitare l’emissione di calore e fumo, aspetto critico per la sicurezza dei materiali in applicazioni edili, di trasporto ed elettroniche.