En los campos industriales modernos, polipropileno reforzado con fibra de vidrio (PP/GF) , con su baja densidad, excelente resistencia al calor y a la fluencia y alta relación costo-rendimiento, se ha convertido en una "estrella en ascenso" en industrias como fabricación de electrónica, aeroespacial y automotriz Este material se utiliza a menudo para producir Componentes ligeros y de paredes delgadas como un sustituto del acero y los plásticos de ingeniería convencionales .

Sin embargo, el polipropileno en sí es un material inflamable, con un índice de oxígeno limitante (IOI) de tan solo un 17,0 %. Durante la combustión, genera una gran cantidad de gotas inflamables y libera una cantidad considerable de calor. Si bien la adición de fibra de vidrio (FV) alivia en cierta medida el fenómeno de goteo, el llamado "efecto mecha" de la FV prolonga el tiempo de combustión y aumenta la liberación de calor. Por lo tanto, en aplicaciones críticas para la seguridad, el tratamiento ignífugo del PP/FV es indispensable.

Cabe destacar que el sistema retardante de llama de bromo-antimonio, antes ampliamente utilizado, se ha visto restringido por regulaciones nacionales e internacionales debido al humo tóxico liberado durante la combustión. Por ejemplo, el éter de decabromodifenilo y otros retardantes de llama bromados ya han sido prohibidos.

Como alternativa, los sistemas retardantes de llama intumescentes de fósforo y nitrógeno sin halógenos están cobrando importancia en el campo de las poliolefinas, gracias a su respeto al medio ambiente y sus ventajas económicas. El pirofosfato de piperazina (PAPP), por ejemplo, contiene elementos de fósforo y nitrógeno, así como abundantes grupos hidroxilo, lo que le permite actuar simultáneamente como "fuente de ácido" y "fuente de carbono" en un sistema retardante de llama intumescente. En este estudio, se combinó PAPP con polifosfato de melamina (MPP) para formar un retardante de llama intumescente a base de PAPP. Bajo una carga constante de retardante de llama, Se investigó sistemáticamente la influencia del contenido de fibra de vidrio en el rendimiento de los compuestos PP/GF.

¿Cómo influye el contenido de GF en el rendimiento del material?

1. Mejora significativa de la resistencia a la llama (GF < 30%)
A medida que aumenta el contenido de fibra de vidrio (GF), mejora el rendimiento ignífugo de los compuestos de PP/GF. Por un lado, un mayor contenido de GF implica una menor proporción de matriz de PP, lo que reduce la generación de fragmentos inflamables durante la descomposición térmica. Al mismo tiempo, la GF reduce el índice de fluidez, mitigando eficazmente los problemas de goteo en muestras delgadas y permitiendo que el material supere con mayor facilidad las pruebas de combustión vertical. Por otro lado, la capa de carbono formada por el ignífugo mediante el mecanismo de "formación de carbón en fase sólida" puede cubrir firmemente la superficie de la muestra sin ser alterada por los residuos de GF a alta temperatura, aislando así el calor y el oxígeno y reduciendo la liberación de volátiles combustibles.

2. Cambios en la estabilidad térmica
La incorporación de GF en materiales poliméricos puede optimizar eficazmente diversas propiedades físicas. Por un lado, el GF mejora significativamente la estabilidad dimensional del compuesto, haciéndolo menos propenso a la deformación en condiciones ambientales variables. Por otro lado, la temperatura de distorsión térmica (HDT) del material aumenta notablemente, mejorando así considerablemente su resistencia a altas temperaturas. La incorporación de GF altera la estabilidad térmica del material. Si bien reduce la temperatura inicial de descomposición térmica de los compuestos ignífugos de PP/GF, mejora significativamente su estabilidad a altas temperaturas. Los datos experimentales muestran que cuando el contenido de GF aumenta al 25%, la muestra n.° 4 alcanza una tasa de residuos carbonizados del 39,4% a 700 °C. Esto indica que, a temperaturas elevadas, la liberación de gases combustibles se reduce considerablemente, a la vez que se forman más carburos sólidos no combustibles. En una atmósfera de aire, debido a la degradación termooxidativa, la temperatura inicial de descomposición es menor que en una atmósfera de nitrógeno. Sin embargo, a altas temperaturas, el residuo de carbón de las muestras con diferentes contenidos de GF sigue siendo mayor que el de las muestras sin GF, lo que se puede atribuir a la inherente estabilidad a altas temperaturas del GF, ya que es menos propenso a la descomposición.

3. Doble efecto en el rendimiento de la combustión
Bajo la radiación térmica externa, el retardante de llama FR-1420 forma una capa de carbón aislante sobre la superficie de la muestra mediante carbonización intumescente. Los resultados experimentales muestran que, en la muestra n.° 1 sin fibra de vidrio, la capa de carbón se expandió hasta alcanzar un espesor de aproximadamente 2,5 cm, mientras que en la muestra n.° 2 con un 15 % de fibra de vidrio, el espesor de la capa de carbón aumentó a aproximadamente 6,2 cm. Sin embargo, al aumentar aún más el contenido de fibra de vidrio, el espesor de la capa de carbón disminuyó a aproximadamente 5,0 cm (muestra n.° 4). Este fenómeno se explica por la alta estabilidad térmica de la fibra de vidrio: puede actuar como un "esqueleto de carbón" que favorece la expansión de la fibra de vidrio, pero un exceso de residuos de fibra de vidrio a altas temperaturas dificulta su posterior crecimiento.

Cabe destacar que la incorporación de GF no afectó los parámetros clave de combustión del material, como la tasa máxima de liberación de calor (PHRR), lo que indica que el rendimiento general de seguridad contra incendios se mantuvo satisfactorio. Además, debido a la naturaleza inerte del GF y a la menor proporción de matriz de PP, se redujo la liberación de volátiles inflamables durante la combustión, mientras que se retuvieron más residuos sólidos no combustibles a temperaturas elevadas. Como lo muestra la curva masa-tiempo, las muestras con GF exhibieron mayor masa residual a altas temperaturas, con menor liberación de calor y generación de humo. Los índices de seguridad contra incendios, como el Índice de Tasa de Crecimiento del Fuego (FIGRA) y la Tasa Máxima Promedio de Liberación de Calor (MAHRE), no mostraron cambios significativos.

Conclusiones

El retardante de llama libre de halógenos FR-1420 demuestra una notable eficacia ignífuga en compuestos de PP/GF. Con la misma carga ignífuga, un mayor contenido de GF proporciona una mejor ignifugación.

Mientras que el GF disminuye la temperatura de descomposición térmica inicial, mejora la estabilidad térmica a altas temperaturas.

En las pruebas de calorimetría de cono, el GF actúa como un “esqueleto de carbón”, aumentando el espesor de expansión del carbón mientras reduce la liberación total de calor (THR) y la producción total de humo (TSP), mejorando así significativamente el rendimiento de seguridad contra incendios de los compuestos de PP/GF.