El fuego siempre ha sido una de las amenazas más graves para la sociedad humana. A medida que los edificios, los sistemas de transporte, los textiles, los productos eléctricos y los materiales poliméricos se han generalizado cada vez más, la demanda de un mejor comportamiento frente al fuego ha seguido creciendo.
Es importante distinguir los materiales-ignífugos de los materiales completamente no-combustibles. El propósito de la tecnología retardante de llama-es reducir la probabilidad de ignición, retardar la propagación de las llamas, limitar la liberación de calor y proporcionar más tiempo para la evacuación y la extinción de incendios.
Desde capas protectoras de arcilla utilizadas en edificios antiguos hasta sistemas intumescentes modernos, nanocompuestos y tecnologías de baja-humedad y baja-toxicidad, el desarrollo de materiales-resistentes al fuego ha sido un largo proceso de exploración continua.
1. Materiales ignífugos y protección de edificios de la antigua China
China comenzó a explorar métodos de protección contra incendios en una etapa muy temprana.
En el sitio arqueológico de Dadiwan en Qin'an, provincia de Gansu, que data de hace aproximadamente 5.000 a 8.000 años, los antiguos constructores colocaron capas de tierra alrededor de columnas de madera en grandes edificios públicos y aplicaron materiales cementosos protectores a la superficie de las estructuras de madera. Estas prácticas pueden considerarse como formas tempranas de protección contra incendios arquitectónica.
Durante el período de primavera y otoño, la gente ya había reconocido que eliminar estructuras más pequeñas, recubrir edificios más grandes y crear zonas de separación podría ayudar a frenar la propagación del fuego.
Durante los períodos de primavera y otoño y de los Estados en Guerra, el filósofo chino Mozi propuso una serie de medidas de prevención y extinción de incendios. Entre ellas se incluían cubrir las puertas y los edificios de la ciudad con barro, fabricar-herramientas para transportar agua con tela de cáñamo, utilizar recipientes de cuero para contener el agua e instalar instalaciones de almacenamiento de agua en torres defensivas.
Estas medidas reflejaron un enfoque integrado inicial que combinaba-tratamiento de superficies resistentes al fuego, diseño de edificios y equipos contra incendios.
Durante la dinastía Yuan, el científico agrícola Wang Zhen había proporcionado en su trabajo una discusión relativamente sistemática sobre la protección contra incendios en los edificios.Nong Shu, oLibro de agricultura. Él escribió:
El fuego crece cuando toca la madera, se apaga con el agua y termina cuando llega a la tierra.
Wang Zhen también documentó un material-resistente al fuego elaborado a partir de ingredientes como ladrillo triturado, arcilla, aceite de tung, carbón en polvo y cal, mezclados con pasta de arroz glutinoso. El material proporcionó cobertura de superficie, aislamiento térmico y protección, y puede considerarse como uno de los primeros revestimientos protectores contra incendios compuestos- chinos.
Aunque estas prácticas históricas aún no constituían un sistema químico retardante de llama-moderno, ya demostraron varios principios importantes: aislar materiales combustibles del aire, reducir la transferencia de calor, cubrir sustratos inflamables y prevenir la exposición directa a las llamas.
2. Exploración occidental temprana del tratamiento retardador de llama-
Los registros de tratamientos retardantes de llama-en Occidente también se remontan a la antigüedad.
Según relatos históricos de la antigua Grecia, la madera se trataba con soluciones a base de alumbre-alrededor del año 450 a. C. para reducir su inflamabilidad. Posteriormente, los romanos mejoraron el proceso añadiendo sustancias como vinagre a la solución de tratamiento, lo que ayudó a mejorar su durabilidad y eficacia.
En el siglo I a. C., los métodos-ignífugos ya se habían aplicado en la defensa militar. Se informó que se utilizaron soluciones a base de alumbre-para tratar las fortificaciones de madera, mientras que se aplicaron revestimientos hechos de arcilla y materiales reforzados con fibra-para proteger los equipos de asedio de madera contra el fuego.
En 1638, el arquitecto y escenógrafo italiano Nicola Sabbatini propuso agregar arcilla y yeso a los revestimientos utilizados en las cortinas de los teatros para reducir el riesgo de incendio. Esta aplicación muestra cómo los riesgos de incendio en edificios públicos ayudaron a impulsar el desarrollo temprano de tecnologías retardantes de llama-.
En 1735, se emitió una patente británica para el tratamiento de madera y textiles utilizando alumbre, bórax y sulfato ferroso. A finales del siglo XVIII, también se investigaban compuestos como el sulfato de amonio como componentes de formulaciones retardantes de llama.
3. La formación de la ciencia moderna-retardante de llama
El siglo XIX marcó una transición importante de las prácticas de protección contra incendios basadas en la experiencia-a la investigación científica.
En 1821, el químico francés JL Gay-Lussac recibió el encargo de investigar métodos para reducir la inflamabilidad de las cortinas de teatro. Descubrió que las sales de amonio de los ácidos sulfúrico, clorhídrico y fosfórico podían mejorar la resistencia a las llamas del cáñamo y el lino.
También observó que las combinaciones de cloruro de amonio, ácido fosfórico y bórax podrían mejorar aún más el rendimiento -de retardante de llama.
Este trabajo se considera ampliamente como un punto de partida importante en el estudio científico de las fibras y formulaciones retardantes de llama-. Su principio subyacente-el uso de compuestos que contienen fósforo- y nitrógeno-para promover la deshidratación y la formación de carbón-sigue siendo relevante para la tecnología-de retardantes de llama en la actualidad.
Alrededor de 1859, se aplicaron compuestos como fosfato de amonio, cloruro de amonio, bórax, sulfato de amonio y sales de estanato al tratamiento retardante de llama- de textiles.
Mediante la impregnación, el recubrimiento y la formación de capas protectoras inorgánicas sobre las superficies de las fibras se podría mejorar el comportamiento de combustión de los tejidos.
Durante este período, la investigación sobre retardantes de llama-pasó gradualmente del uso de sustancias individuales a formulaciones compuestas, reacciones químicas y tecnologías de tratamiento de superficies-.
4. Desarrollo industrial en el siglo XX
Con el rápido crecimiento de los plásticos, el caucho sintético y las fibras sintéticas en el siglo XX, la tecnología de retardantes de llama-se convirtió en una parte cada vez más importante de la industria de materiales.
Muchos materiales poliméricos son fáciles de encender, se queman rápidamente y liberan grandes cantidades de calor. Como resultado, mejorar su comportamiento ante el fuego se convirtió en un gran desafío técnico.
A principios del siglo XX, el clorocaucho entró en la etapa de investigación e industrialización. Alrededor de 1913, las sales de estanato y las sales de amonio se utilizaban para el tratamiento retardante de llama- de textiles.
En la década de 1930, se empezaron a utilizar sistemas sinérgicos basados en parafina clorada y óxido de antimonio en materiales -retardantes de llama. Los compuestos halogenados ayudaron a inhibir-las reacciones de radicales libres en la llama, mientras que el óxido de antimonio mejoró su eficacia.
Estos sistemas se utilizaron ampliamente durante muchos años en plásticos, caucho, revestimientos y textiles.
Durante el mismo período, comenzaron a aparecer revestimientos inorgánicos-protectores contra incendios basados en aglutinantes de vidrio soluble y cargas minerales. Posteriormente, los investigadores desarrollaron recubrimientos que se expandían y formaban una capa protectora de carbón bajo el calor, sentando las bases para los recubrimientos protectores contra incendios-intumescentes modernos.
Durante la Segunda Guerra Mundial, la demanda de tiendas de campaña militares y materiales de lona resistentes al fuego y al agua aceleró aún más el desarrollo de sistemas de revestimiento retardadores de llama-a base de parafina clorada, óxido de antimonio y aglutinantes.
5. El desarrollo de sistemas retardantes de llama-intumescentes
A finales de la década de 1940, los investigadores comenzaron a utilizar el término "intumescencia" para describir la expansión y la formación de espuma que se producen cuando ciertos polímeros-retardantes de llama se exponen al calor o al fuego.
Aproximadamente entre 1948 y 1950, la estructura básica de los sistemas retardantes de llama-intumescentes se volvió más clara, lo que llevó a los conceptos de fuente ácida, fuente de carbono y fuente de soplado.
· Elfuente de ácidoPromueve la deshidratación y la carbonización.
· Elfuente de carbonoforma el marco de la capa protectora de carbón.
· Elfuente de sopladoLibera gases que expanden el carbón hasta formar una estructura porosa.
Cuando el material se expone a llamas o altas temperaturas, la capa intumescente cubre el sustrato y limita la transferencia de calor, oxígeno y productos de descomposición combustibles. Esto ralentiza el calentamiento y la quema del material subyacente.
En la década de 1970, los investigadores demostraron además que la formación de una capa de carbón estable durante la combustión del polímero podría mejorar significativamente el rendimiento -de retardo de llama.
Por lo tanto, el efecto protector del carbón se convirtió en una parte importante de la teoría de los retardantes de llama-en fase-condensada.
En 1989, G. Camino y otros investigadores publicaron estudios sistemáticos de sistemas retardadores de llama-intumescentes, lo que ayudó a avanzar tanto en su comprensión teórica como en su aplicación práctica.
6. El cambio hacia sistemas compuestos de alto-rendimiento
Después de la década de 1950, comenzaron a surgir monómeros-retardantes de llama y resinas-retardantes de llama.
A diferencia de los retardantes de llama aditivos, los retardantes de llama reactivos se pueden incorporar químicamente a la estructura molecular de un polímero. Esto puede mejorar la durabilidad y reducir la migración o pérdida de-componentes retardantes de llama durante el uso.
A partir de la década de 1960, varios retardantes de llama halogenados aromáticos comenzaron a utilizarse comercialmente, y los materiales retardantes de llama-pasaron gradualmente a la producción industrial a gran-escala.
En la década de 1980, el desarrollo de materiales nanocompuestos abrió una nueva dirección para la investigación de retardantes de llama.
Algunos nanomateriales pueden mejorar la estabilidad térmica, promover la formación de capas protectoras y reducir las tasas de liberación de calor y pérdida de masa a niveles de carga relativamente bajos.
Los materiales retardantes de llama-modernos generalmente ya no dependen de un solo aditivo. En cambio, combinan múltiples mecanismos, que incluyen:
· inhibir las reacciones en cadena de combustión en la fase gaseosa;
· promover la formación de carbón en la fase condensada;
· reducir la transferencia de calor a través de capas aislantes;
· limitar el movimiento de oxígeno y gases combustibles con barreras inorgánicas;
· reducir el humo mediante sistemas-supresores de humo;
· mejorar la estructura del carbón y la estabilidad térmica con nanomateriales.
7. Las regulaciones y estándares impulsan mejoras en la seguridad contra incendios
En la segunda mitad del siglo XX, los plásticos, el caucho sintético y las fibras sintéticas se utilizaron ampliamente en la construcción, el transporte, los muebles, los productos eléctricos y los bienes de consumo.
Al mismo tiempo, se prestó cada vez más atención a los riesgos de incendio asociados a los materiales poliméricos.
A partir de la década de 1960, Estados Unidos, Europa y otras regiones introdujeron gradualmente requisitos industriales, estándares de productos y regulaciones de seguridad relacionados con la inflamabilidad de los materiales.
Por lo tanto, mejorar la resistencia a las llamas pasó de ser una acción voluntaria de los fabricantes a convertirse en un requisito obligatorio de acceso al mercado-para determinados productos.
Hoy en día, los requisitos-retardantes de llama y de resistencia al fuego-se aplican a una amplia gama de industrias, entre las que se incluyen:
· materiales de construcción y construcción;
· textiles;
· muebles y colchones;
· automóviles y transporte ferroviario;
· aeroespacial;
· alambres y cables;
· equipos eléctricos y electrónicos;
· nuevos-sistemas de baterías de energía.
Diferentes aplicaciones requieren diferentes niveles y tipos de comportamiento frente al fuego.
Además de la resistencia a la ignición, es posible que sea necesario evaluar los materiales para determinar la propagación de llamas, la liberación de calor, la producción de humo, la toxicidad, las gotas en llamas, la integridad del circuito, la resistencia al fuego y la durabilidad-a largo plazo.
8. El valor práctico de los materiales-ignífugos
El propósito de la tecnología retardante de llama-no es garantizar que un material nunca se queme bajo ninguna condición.
Su valor radica en controlar el comportamiento de la combustión y reducir la probabilidad de que un incendio se inicie, se propague o se agrave.
Un diseño retardador de llama-eficaz puede retrasar la ignición y la propagación de las llamas, reducir la tasa de liberación de calor-, limitar la pérdida de material y proporcionar más tiempo para la evacuación, la extinción de incendios y la protección de la propiedad.
A medida que los requisitos-de seguridad contra incendios continúan desarrollándose, las modernas tecnologías-de retardadores de llamas están poniendo mayor énfasis en equilibrar el rendimiento contra incendios con la supresión de humo, la baja toxicidad, la compatibilidad ambiental, la durabilidad y las propiedades mecánicas.
Por lo tanto, el rendimiento -de retardante de llama debe verificarse mediante pruebas estandarizadas en lugar de juzgarse únicamente por el nombre del material, la composición química o la declaración del proveedor.
