Aditivos retardantes al fuego: esenciales para
una sociedad en cambio constante
Guadalupe Sánchez Olivares
• Contenido • Estadísticas de incendios
• Principales materiales involucrados en los incendios • Desarrollo de nuevos materiales y la seguridad
• Proceso de combustión
• Comportamiento ante el fuego de los principales materiales involucrados en incendios
• Tipos y uso de los aditivos retardantes al fuego
• Demanda y perspectivas a nivel mundial
• Regulaciones internacionales
• ¿Regulaciones en México?
• Pruebas de laboratorio
• Conclusiones
INCENDIOS
Los incendios son un serio problema a nivel mundial que causa la muerte de
miles de personas anualmente e importantes pérdidas económicas.
Grenfell tower, Londres
Junio 2017
80 victimas aproximadamente 255 sobrevivientes
Address Downtown Hotel, Dubai Enero 2016
“The fire - the third major skyscraper fire in Dubai since
2012 – has raised renewed fears about the use of
highly combustible materials on the exterior facades of hundreds of skyscrapers throughout the UAE”
Estadísticas de los incendios
En el año 2011, la organización mundial de la salud reportó que los
incendios causan mas de 300,000 muertes y deja millones de personas
desfiguradas1.
En términos de costo, se estima que los incendios tienen un costo para
cada país del 1% de su producto interno bruto2.
1 World Health Organization (WHO), Department of Violence and Injury Prevention and Disability, Burn Prevention: Success Stories and Lessons Learned, 2011.
2The Geneva Association, World Fire Statistics – Information Bulletin of the World Fire Statistics Centre, October 2010.
Europa3
• 2-2.5 millones de incendios ocurren cada año
• 20,000-25,000 muertes
250,000-500.000 heridos
Principales lugares y causas:
• 80% de las muertes se deben a los incendios que ocurren en las viviendas
• 73% de los fuegos inician en las salas de estar o las habitaciones de dormir
En Europa, el primer objeto que inicia el fuego es alguna parte de la tapicería
de los muebles.
3 Centre of Fire Statistics of CTIF, World Fire Statistics, Report Nr. 10, 2006.
En 2012, el departamento de incendios de USA estimó 1,375,000
incendios ocurridos
2,855 muertes y 16,500 heridos
El 83% de los incendios que ocasionaron muertes, ocurrieron en
las viviendas
Se estimaron $12,427,000,000 en perdidas directas (propiedades)
En 2012 incrementaron los incendios 6.6% comparando con 2011
4 National Fire Prevention Association (NFPA) 2012 Fire Statistics
USA4
La intoxicación es la principal causa (75%) de las muertes
relacionadas con un incendio, debido a los gases que se
generan durante estos incidentes.
Muertes por incendios
Peligrosidad de un incendio:
• El lugar donde se desarrolla el fuego
• El tiempo que la víctima permanezca en el incendio
• Los tipos de materiales que estén en combustión
Desarrollo de nuevos materiales y la seguridad
1960s 2010
Sociedad en cambio constante
1950 2010
Una pantalla de LCD contiene un promedio de 8.4 kg de materiales
plásticos, los cuales sin aditivos retardantes, equivalen a 6 litros de gasolina
(en términos de liberación de calor).
1940s
DC3 (0% materiales compuestos)
2010-2011
A350 and B787 (50% materiales
compuestos)
Richard Lyon U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration (FAA) 17th European conference on Fire Retardant Polymeric Materials and Fire Chemistry research, Manchester, Julio 2017
“Aircraft manufacturers are
increasingly able to use plastics,
polymers and composites in
aircraft fittings, equipment
and structures because these
materials can be made
ignition resistant”.
1950 En los años 950s, el peso promedio de un
vehículo era de 1,680kg. En la actualidad, el
peso promedio se ha reducido a 1,100 Kg
aproximadamente.
2010
Fuente: http://www.plasticsconverters.eu/markets/automotive
Un vehículo personal contiene mas de 105 kg de materiales plásticos, la tendencia de construcción
indica que continua incrementando el uso de éstos. Los principales polímeros utilizados son:
polipropileno (32%), poliuretano (17%) y PVC (16%).
Proceso de combustión
CH2
C CH
CH2
CH3
CH2
O
CH2
C
CC
C
CC
HH
H
H
H
H
Fase gas
Mesofase Pirólisis
Fase
condensada
C C
sólido
C C
C C
C
Tem
pera
tura
CH2
CH2
OH2
CO2
CO
Ciclo del fuego
Los materiales poliméricos están involucrados en la
mayoría de los incendios que ocurren en las zonas
urbanas y en los medios de transporte, debido a que
pueden iniciar o propagar el fuego
Lyon, R. y Janssens, M., Polymer flammability. Report No. DOT/FAA/AR-05/14,
U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration
Alexander B. Morgan Energy Technology and Materials Division University of Dayton Research Institute
Comportamiento ante el fuego de los polímeros
Comportamiento ante el fuego de diversas fibras
Sectores de aplicación de los aditivos retardantes al
fuego
Eléctrica y electrónica
Composición promedio de equipos E&E
Textil y muebles
Colchones
Memory foam Cortinas y alfombras
Sillones
Principales materiales involucrados
al iniciar un incendio en las
viviendas:
Construcción
Materiales para aislar
Estructuras de acero
Perfiles
Techos y pisos
Medios de transporte
Tipos de aditivos retardantes al fuego (FR)
Definición FR
El termino “retardante al fuego o a la flama” (FR), se utiliza para indicar que
RETARDA el desarrollo del fuego
Un aditivo retardante al fuego es un producto químico que se emplea para
una aplicación específica, disminuir o extinguir el fuego.
Algunos aditivos FR tienen diferentes aplicaciones, depende de su
estructura química y la interacción con el fuego.
1. Composición química
a) Halogenados
Compuestos de bromo y cloro, principalmente con estructuras químicas aromáticas con enlaces C-Br y C-Cl
b) No halogenados
A base de fosforo (inorgánicos y orgánicos)
Hidróxidos metálicos
Nitrogenados
Carbono
Boro
Silicones
Sulfonatos
Clasificación de los FR
2. Mecanismo de acción contra el fuego
a) Fase gas (aditivos FR halogenados y a base fosforo)
Reducen el calor en la fase gas e inhiben las reacciones en cadena de
la combustión (combustión incompleta)
Ventajas: son muy efectivos en bajas concentraciones
Desventajas: incrementan la producción de CO y humos tóxicos
b) Fase condensada (hidróxidos metálicos, compuestos a base de
carbono)
Actúan en la fase gas y condensada; liberan gases no inflamables
(H2O, CO2), los cuales diluyen los compuestos combustibles volátiles y
tienen un efecto endotérmico en la fase condensada.
Ventajas: bajo costo
Desventajas: requieren usarse en alta concentración y tienen un
impacto negativo en las propiedades mecánicas.
c) Formación de residuos (sistemas intumescentes -charring materials-)
Inhiben el proceso de combustion en la fase condensada, evitando la
liberación de compuestos combustibles volátiles y formando una capa
aislante térmicamente
Ventajas: es un método muy efectivo
Desventajas: no funciona con todos los polímeros y puede ser de alto
costo
Ejemplos de aditivos retardantes al fuego (FR)
por sector de aplicación
FR Muebles (espumas como rellenos) Nitrogenados
La melamina es comúnmente utilizada en espumas de poliuretano. No afecta la
estructura de la espuma y se considera un producto Seguro. La melamina
generalmente se utiliza en combinación con esteres de fosforo clorados; por
ejemplo:
Tris (1-chloro-2-propyl)phosphate (TCPP),
Tris (1,3-dichloro-2-propyl) phosphate (TDCP)
2,2-bis(chloromethyl) trimethylene bis(bis(2-chloromethyl) phosphate (TL-10-ST)
La presencia del cloro y el fosforo en este tipo de productos es una gran ventaja
en retardancia al fuego, actúan en la fase condensada y gas.
Los esteres de fosforo clorados, generalmente se utilizan en concentraciones de
5-15%.
FR en Textiles
Construcción (techos) Hidróxidos metálicos
El tri-hidróxido de aluminio (ATH) se utiliza como FR en techos sintéticos a
base de PVC ,TPO y EPDM. Generalmente se necesitan concentraciones
de 45-50% en peso, dependiendo del nivel de resistencia al fuego que se
requiera.
El hidróxido de magnesio puede ser usado en aplicaciones que requieran
mayor resistencia a la temperatura.
Sulfonatos
En algunos casos el sulfonato de perfluorobutano puede utilizarse como
FR en láminas de policarbonato, para techos traslucidos u opacos. Este
tipo de FR presentan buenas propiedades retardantes al fuego con una
mínima concentración (1% en peso)
. FR a base de fosforo clorados
Los esteres de fosforo clorados, como el Tris(1-
chloro-2-propyl) phosphate (TCPP), es el aditivo FR mas comúnmente usado para
hacer rígidas las espumas de poliuretano para aislar térmicamente.
Hidróxidos metálicos de Mg y Al
Usualmente se utilizan en paneles tipo sándwich, PVC, pisos de resinas epóxicas
y aplicaciones de vinil.
Compuestos organofosforados
Los triaril/alkil fosfatos, se emplean en PVC y pisos de vinil.
El Tri(tribromoneofenil) fosfato (TTBP) es uno de los FR mas efectivos debido a su
estabilidad térmica que se utiliza en fibras de polipropileno para tapetes sintéticos.
Construcción
Demanda y perspectivas
Consumo mundial de aditivos FR (2010)
Mercado FR por región Mercado FR por compuesto químico
Consumo de FR por volumen (toneladas) en Asia, Europa y USA
Datos 2007
Fuente: G. Stevens et al. for DEFRA,
Review of Alternative Fire Retardant Technologies, November 2010, p. 9.
Consumo europeo de aditivos FR por volume (2007)
•Total de consumo: 498 000 toneladas metricas
Fuente: Eurpean Flame Retardant Asociation. FR no-halogenados se muestran en diferentes tonos de color azul.
Ventas de FR en Europa (Datos de 2011) Toneladas metricas
Los datos no incluyen los
volúmenes de los
hidróxidos metálicos.
Mercado mundial de aditivos FR Datos 2016
Fuente: © 2017 Ceresana — All rights reserved
• 2.15 millones de toneladas de FR se emplean por año en
plásticos, aparatos electrónicos, materiales de construcción y
textiles. Incluyen aditivos halogenados, ATH, fósforos orgánicos y
otros tipos.
• Desde una perspectiva global, la industria de la construcción y
eléctrica y electrónica (E&E) representan las ventas mas
importantes del mercado de FR (53% de la demanda global en volumen)
Tendencia del Mercado FR
El tamaño del mercado mundial de FR fue valuado en 6.29 billiones de USD en 2015. Se espera
que con el crecimiento de las industrias de la construcción, E&E y del transporte se superen los
pronósticos de ventas.
Global flame retardant market revenue, by application, 2014 - 2025 (USD Million)
Global non halogenated flame retardant market
revenue, by product, 2014 - 2025 (USD Million)
Regulaciones internacionales
Salud, seguridad y medioambiente
En Europa existen diversos programas, iniciativas voluntarias y regulaciones enfocadas a proteger ele medioambiente y la salud.
EU Regulation on the Registration, Evaluation and
Authorisation of Chemicals (REACH)
LEGISLACIONES AMBIENTALES SOBRE RETARDANTES A LA FLAMA
“Sustitución obligatoria de sustancias peligrosas si existe una alternativa más segura” (REACH). Comisión de medio ambiente del Parlamento europeo (septiembre 2006).
“Reducción en el empleo de retardantes a la flama bromados” Asociación Canadiense de leyes ambientales CELA (junio 2004).
<0.1% de PBDEs son los requerimeintos RoHS (Restriction of use of certain Hazardouz Substances), del peso en la fabricación de equipos electrónico y elécrtricos. Unión Europea (julio 2006).
2008 el Estado de California prohibirá la manufactura, distribución , empaque, venta de productos con >1% en masa de penta/octa BDE. Febrero 2003.
Federal Enviorement Agency (UBA) prohibió el uso de >1% en masa de penta/octa BDE como FR (2003).
WWF/Adena (Word Wide Fund for Nature) y Greenpeace hacen un llamado a la REACH para reastringir el uso de los productos bromados como FR (enero 2004).
En la decada pasada, en Europa se han enfocado en regulaiones que
mejoren la calidad del aire en los interiors de las viviendas, edificios y
trabajos
Reino Unido
Number of fires – before and after the UK
Furniture Fire Safety Regulations
National regulations and standards in Europe towards the ignitability of upholstered furniture
¿Regulaciones en México?
Secretaría de Economía
• Normas obligatorias (NOM)
• Normas técnicas (NMX)
Iniciativas para regular las prendas de protección al fuego en México
COMITÉ TÉCNICO NACIONAL DE NORMALIZACIÓN TEXTIL (COTENNOTEX)
“Propuesta de Norma Oficial Mexicana (NOM) de especificaciones y métodos de ensayo para
prendas de protección al fuego”.
“Anteproy-nmx-a-xxx-inntex-2015 anteproy-nmx-a-xxx-inntex-2017 industria textil - prendas y
equipo de protección personal para combatientes de incendios forestales”.
COMITÉ TÉCNICO NACIONAL DE NORMALIZACIÓN TEXTIL SUBCOMITÉ N°. 1 “Fibras Químicas”
(Grupo de trabajo)
Pruebas de laboratorio
Pruebas de laboratorio para materiales poliméricos
•Rapidez de combustión [mm/min] (ASTM D635)
Posición horizontal
•Norma UL94 posición vertical (ASTM D3801)
CLASIFICACIÓN CARACTERÍSTICAS
V-0 La combustión se detiene a los 10 segundos, sin goteo
V-1 La combustión se detiene a los 30 segundos sin goteo
V-2 La combustión se detiene a los 30 segundos donde se admite el
goteo
•Índice de oxígeno [%] (ASTM D2863, ISO4589)
Combustión en atmósfera controlada de oxígeno.
•Cono calorimétrico (ASTM E1354, ISO 5660)
Combustión forzada
Principales parámetros evaluados por medio del
cono calorimétrico:
•El tiempo de ignición
•La rapidez de pérdida de masa
•El área de extinción específica
•La producción de monóxido de carbono
•El calor total emitido
•Tasa de liberación de calor (HRR, heat release rate)
Pruebas de laboratorio para materiales en pisos y tapices
Métodos de pruebas utilizados por la Unión Europea para la clasificación de los
materiales en pisos y tapices.
Radiant Panel Test
(Standard EN ISO 9239-1)
Single Burning Item Test
(Standard EN 13823)
Conclusiones
El uso de aditivos FR contribuye de manera significative en la seguridad
contra el fuego.
El mercado mundial de FR crece paralelamente al desarrollo de nuevos
materiales
Necesidad de regulaciones en México en el uso de FR
La comunidad científica internacional trabaja en el desarrollo de nuevos FR
a base de productos naturales bioegradables.
Línea de investigación en CIATEC “Comportamiento ante el fuego de materiales”
Proyectos realizados
• Obtención de nanocompuestos poliméricos con propiedades retardantes a la
flama a base de poliolefinas para la industria automotriz.
• Utilización de nanopartículas para desarrollo de retardantes a la flama en
base a materiales nanocompuestos libres de halógenos en cuero para la
industria aeronáutica.
• Estudio del efecto de la queratina, como biofibra obtenida de los desechos de
la industria de la curtiduría, en las propiedades retardantes a la flama de
biopolímeros
Línea de investigación en CIATEC “Comportamiento ante el fuego de materiales”
Proyectos en desarrollo
• Diseño, desarrollo y control de proceso para la manufactura de telas de
algodón resistentes al fuego que cumplan la normativa Europea
• Fibras naturales a partir de desechos industriales de industrias
mexicanas como aditivos multifuncionales en biocompuestos poliméricos
con propiedades retardantes a la flama
CIATEC-Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM)
Guadalupe Sánchez Olivares
Muchas gracias por su atención
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