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Aditivos retardantes al fuego: esenciales para una sociedad en cambio constante Guadalupe Sánchez Olivares

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Aditivos retardantes al fuego: esenciales para

una sociedad en cambio constante

Guadalupe Sánchez Olivares

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• 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

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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

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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”

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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.

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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.

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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

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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

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Desarrollo de nuevos materiales y la seguridad

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1960s 2010

Sociedad en cambio constante

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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).

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1940s

DC3 (0% materiales compuestos)

2010-2011

A350 and B787 (50% materiales

compuestos)

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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”.

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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

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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%).

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Proceso de combustión

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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

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Ciclo del fuego

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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

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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

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Comportamiento ante el fuego de diversas fibras

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Sectores de aplicación de los aditivos retardantes al

fuego

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Eléctrica y electrónica

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Composición promedio de equipos E&E

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Textil y muebles

Colchones

Memory foam Cortinas y alfombras

Sillones

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Principales materiales involucrados

al iniciar un incendio en las

viviendas:

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Construcción

Materiales para aislar

Estructuras de acero

Perfiles

Techos y pisos

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Medios de transporte

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Tipos de aditivos retardantes al fuego (FR)

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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.

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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

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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

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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.

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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

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Ejemplos de aditivos retardantes al fuego (FR)

por sector de aplicación

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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%.

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FR en Textiles

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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)

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. 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

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Demanda y perspectivas

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Consumo mundial de aditivos FR (2010)

Mercado FR por región Mercado FR por compuesto químico

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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.

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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.

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Ventas de FR en Europa (Datos de 2011) Toneladas metricas

Los datos no incluyen los

volúmenes de los

hidróxidos metálicos.

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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)

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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)

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Global non halogenated flame retardant market

revenue, by product, 2014 - 2025 (USD Million)

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Regulaciones internacionales

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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)

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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).

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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

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Reino Unido

Number of fires – before and after the UK

Furniture Fire Safety Regulations

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National regulations and standards in Europe towards the ignitability of upholstered furniture

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¿Regulaciones en México?

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Secretaría de Economía

• Normas obligatorias (NOM)

• Normas técnicas (NMX)

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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)

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Pruebas de laboratorio

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Pruebas de laboratorio para materiales poliméricos

•Rapidez de combustión [mm/min] (ASTM D635)

Posición horizontal

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•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

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•Índice de oxígeno [%] (ASTM D2863, ISO4589)

Combustión en atmósfera controlada de oxígeno.

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•Cono calorimétrico (ASTM E1354, ISO 5660)

Combustión forzada

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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)

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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)

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Single Burning Item Test

(Standard EN 13823)

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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.

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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

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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

[email protected]

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Muchas gracias por su atención