Prodotti chimici ritardanti di fiamma: cosa sono, come funzionano e tipi

Cos'è il ritardo di fiamma

Il ritardo di fiamma è la capacità di un materiale di resistere all'accensione, di rallentare la propagazione del fuoco o di autoestinguersi quando viene rimossa una fonte di fiamma. Non si tratta di una singola proprietà ma di un risultato misurabile che dipende dall'interazione tra la chimica di un materiale, la sua struttura fisica, l'intensità della fonte di calore e la disponibilità di ossigeno. A ritardante di fiamma il materiale non diventa ignifugo: fa guadagnare tempo critico ritardando il punto in cui un materiale raggiunge la temperatura di accensione, produce gas infiammabili o sostiene la combustione in modo indipendente.

Il ritardo di fiamma si ottiene formulando il materiale di base con una chimica intrinsecamente resistente al fuoco – come nelle fibre aramidiche o in alcune resine termoindurenti – o introducendo sostanze chimiche ritardanti di fiamma che interrompono il processo di combustione. Quest’ultimo approccio copre la stragrande maggioranza dei prodotti commerciali ritardanti di fiamma, applicati a tessuti, plastica, schiume, prodotti in legno e rivestimenti nei settori dell’edilizia, dei trasporti, dell’elettronica e dei beni di consumo.

Cos'è un ritardante di fiamma e di cosa è fatto

Un ritardante di fiamma è un composto o una miscela chimica aggiunta o applicata a un materiale per ridurne l'infiammabilità. La chimica attiva opera attraverso uno o più dei quattro meccanismi fondamentali: raffreddamento della superficie in fiamme, formazione di uno strato protettivo di carbone, rilascio di spazzini di radicali liberi che interrompono la reazione a catena di combustione nella fase gassosa o diluizione di gas infiammabili con prodotti di decomposizione inerti.

Di cosa sono fatti i ritardanti di fiamma dipende interamente dal meccanismo che utilizzano. Le principali famiglie chimiche includono composti alogenati (a base di bromo e cloro), composti del fosforo (sia organici che inorganici), composti a base di azoto, riempitivi minerali e combinazioni di questi. Ogni famiglia ha caratteristiche prestazionali, requisiti di elaborazione, profili di costo e stato normativo distinti che determinano dove vengono utilizzati e dove non vengono utilizzati.

Ritardanti di fiamma alogenati

I ritardanti di fiamma bromurati e clorurati funzionano nella fase gassosa rilasciando radicali alogeni durante la combustione che eliminano i radicali liberi idrossilici (OH·) e idrogeno (H·) altamente reattivi che sostengono la reazione a catena della fiamma. I ritardanti di fiamma bromurati sono tra i più efficienti in rapporto al peso , motivo per cui per decenni hanno dominato l'elettronica e il tessile. I composti bromurati più comuni includono il tetrabromobisfenolo A (TBBPA, ampiamente utilizzato nei circuiti stampati), il decabromodifenil etere (DecaBDE) e l'esabromociclododecano (HBCDD, precedentemente utilizzato nell'isolamento in polistirene). Le paraffine clorurate svolgono funzioni simili nel PVC, nella gomma e nei rivestimenti. Diversi ritardanti di fiamma alogenati più vecchi sono stati limitati o eliminati gradualmente ai sensi della Convenzione di Stoccolma e dei regolamenti REACH dell'UE a causa delle preoccupazioni relative alla persistenza, al bioaccumulo e alla tossicità.

Ritardanti di fiamma a base di fosforo

I ritardanti di fiamma al fosforo funzionano principalmente nella fase condensata (solida) promuovendo la formazione di char, un denso strato carbonioso che isola il materiale sottostante dal calore e limita il rilascio di sostanze volatili infiammabili. I fosfati organici come il trifenil fosfato (TPP), il resorcinolo bis (difenil fosfato) (RDP) e il bisfenolo A bis (difenil fosfato) (BDP) sono utilizzati come ritardanti di fiamma reattivi o additivi nei tecnopolimeri, nelle schiume poliuretaniche e nei tessili. Il polifosfato di ammonio (APP) è un composto di fosforo inorganico ampiamente utilizzato nei rivestimenti intumescenti e nei trattamenti del legno: si decompone durante il riscaldamento per rilasciare acido fosforico, che catalizza la formazione di carbone, e ammoniaca, che diluisce l'ossigeno. I sistemi a base di fosforo rappresentano attualmente il segmento in più rapida crescita del mercato dei prodotti chimici ritardanti di fiamma poiché i formulatori cercano alternative prive di alogeni.

Ritardanti di fiamma a base di azoto

La melammina e i suoi derivati (melammina cianurato, melammina polifosfato) funzionano rilasciando gas inerti ricchi di azoto – principalmente azoto e ammoniaca – che diluiscono la concentrazione di gas di combustione infiammabili e spostano l’ossigeno dalla zona della fiamma. Sono più efficaci in combinazione con composti di fosforo nei sistemi intumescenti, dove il componente di azoto agisce come agente espandente per espandere lo strato carbonizzato in una schiuma isolante a bassa densità. I ritardanti di fiamma a base di melammina sono utilizzati nei sistemi di schiuma poliuretanica, nylon e resina epossidica.

Ritardanti di fiamma minerali

L'idrossido di alluminio (ATH) e l'idrossido di magnesio (MDH) sono i due composti ritardanti di fiamma più prodotti in termini di volume a livello globale. Funzionano per decomposizione endotermica: assorbono calore dalla superficie in fiamme mentre rilasciano vapore acqueo, che raffredda il materiale e contemporaneamente diluisce i gas infiammabili. L'ATH si decompone a circa 180–200 °C, rilasciando circa il 34% del suo peso sotto forma di acqua. L'MDH si decompone a una temperatura più elevata (300–320 ° C), rendendolo adatto per i tecnopolimeri lavorati al di sopra della soglia di decomposizione dell'ATH. La limitazione principale dei ritardanti di fiamma minerali è il livello di carico: un ritardante di fiamma efficace richiede in genere un'aggiunta del 40-65% in peso, che può ridurre le proprietà meccaniche e aumentare la densità del composto. Sono ampiamente utilizzati nell'isolamento di fili e cavi, nelle pavimentazioni e nelle membrane di copertura dove sono richieste prestazioni prive di alogeni e a basso contenuto di fumi.

Elenco dei prodotti chimici ritardanti di fiamma: composti principali per applicazione

Ignifugo nei materassi: cosa si usa e perché

Esistono requisiti ignifughi per i materassi perché la schiuma di poliuretano, il materiale principale dominante nei materassi moderni, è altamente combustibile. La schiuma PU non trattata può raggiungere il pieno coinvolgimento entro 3-5 minuti dall'accensione, rilasciando calore intenso e gas di combustione tossici. Negli Stati Uniti, 16 CFR Parte 1633 (standard di fiamma libera) e 16 CFR Parte 1632 (standard di accensione di sigaretta) impongono che tutti i materassi venduti soddisfino soglie di prestazione antincendio definite. Norme simili si applicano nell'UE (EN 597), nel Regno Unito (BS 7177) e in altri mercati.

Le sostanze chimiche ignifughe utilizzate nei materassi si sono evolute in modo significativo negli ultimi due decenni in risposta alle preoccupazioni sulla salute e sull’ambiente. I principali approcci attualmente in uso includono:

• Tessuti barriera ignifughi: L’approccio attuale più comune nel mercato statunitense. Uno strato barriera tessuto o non tessuto, generalmente costituito da fibre intrinsecamente resistenti al fuoco come modacrilica, fibra di vetro, silice o miscele di fibra di carbonio, viene posizionato tra il rivestimento e il nucleo in schiuma. La barriera carbonizza e isola invece di fare affidamento sugli additivi chimici nella schiuma stessa. Questo approccio evita l'aggiunta di sostanze chimiche reattive alla schiuma rispettando allo stesso tempo lo standard di fiamma libera.
• Additivi schiumogeni a base di fosforo: Ritardanti di fiamma organofosfati reattivi o additivi incorporati nella formulazione della schiuma poliuretanica durante la produzione. Promuovono la formazione di carbonizzazione sulla superficie della schiuma, rallentando la velocità di rilascio del calore. Il tris(1-cloro-2-propil)fosfato (TCPP) e il dimetilmetilfosfonato (DMMP) sono stati storicamente ampiamente utilizzati, sebbene alcuni esteri fosfatici siano stati sottoposti a controllo normativo e riformulazione volontaria da parte dei principali produttori di schiume.
• Trattamenti con acido borico: Applicato per rivestire tessuti o strati di imbottitura come spray o rivestimento. L'acido borico è un composto inorganico a bassa tossicità che agisce come un delicato promotore del carbone e uno scavenger di radicali liberi. È uno degli approcci ritardanti di fiamma più vecchi e più semplici, talvolta utilizzato in combinazione con altri sistemi.
• Viscosa/rayon con silice: Alcuni sistemi barriera utilizzano fibre di viscosa arricchite con silice che formano un materiale carbonizzante simile alla ceramica quando esposti alla fiamma, fornendo isolamento termico senza sostanze chimiche alogenate o fosfatiche.

Materassi Senza Ignifugo: cosa sapere

Negli Stati Uniti, non è legalmente possibile vendere un materasso che non soddisfa i requisiti di prestazione antincendio 16 CFR Parte 1633, ma il regolamento specifica un risultato prestazionale, non una sostanza chimica specifica. Un materasso descritto come "senza sostanze chimiche ignifughe" in genere raggiunge la conformità attraverso un tessuto barriera intrinsecamente resistente al fuoco anziché mediante additivi chimici nella schiuma. La lana è il materiale barriera naturale più comunemente citato utilizzato per questo scopo: il suo elevato contenuto di azoto e umidità le conferisce un comportamento intrinseco di formazione di carbone che soddisfa lo standard di fiamma libera senza aggiunta di prodotti chimici. I materassi biologici certificati e i materassi in lattice naturale utilizzano spesso strati di imbottitura in lana come principale strategia di gestione del fuoco, il che consente loro di commercializzare il prodotto come privo di sostanze chimiche ritardanti di fiamma sintetiche pur rimanendo conforme.

Ritardanti di fiamma naturali: opzioni a base vegetale e minerale

L'interesse per le alternative ai ritardanti di fiamma naturali è cresciuto in modo significativo con l'inasprimento delle restrizioni sugli alogenati sintetici e su alcuni composti fosfatici. Diversi materiali di derivazione naturale offrono una significativa resistenza al fuoco, sebbene la maggior parte richieda livelli di carico più elevati o metodi di applicazione più complessi rispetto alle alternative sintetiche per ottenere prestazioni equivalenti.

• Lana: Naturalmente ricco di azoto (circa 16% in peso) e contenuto di umidità (fino al 18% recuperato). La lana si accende a una temperatura relativamente elevata (570–600 °C contro 255 °C per il cotone), si carbonizza anziché sciogliersi e si autoestingue in modo affidabile. È ampiamente utilizzato nella tappezzeria, nelle barriere dei materassi e negli interni degli aerei come materiale naturale ignifugo.
• Acido borico e borace: Sali minerali naturali estratti da depositi di evaporite. Il borace (tetraborato di sodio) e l'acido borico sono tra i ritardanti di fiamma utilizzati da più tempo nei materiali cellulosici - legno, cotone, carta - funzionando attraverso la promozione del carbone e il rilascio di acqua endotermica. Sono considerate opzioni a bassa tossicità e sono approvate per l'uso in prodotti biologici certificati in alcune giurisdizioni.
• Acido fitico: Un composto naturale ricco di fosforo derivato dai semi delle piante. L’interesse della ricerca sull’acido fitico come ritardante di fiamma di origine biologica per i tessuti di cotone è cresciuto negli ultimi dieci anni: il suo alto contenuto di fosforo promuove la formazione di carbone attraverso un meccanismo simile ai ritardanti di fiamma fosfatici sintetici, senza chimica di sintesi. L’adozione commerciale rimane limitata a causa dei costi e della complessità dell’elaborazione.
• Minerali di silice e argilla: Minerali inorganici presenti in natura utilizzati come riempitivi ritardanti di fiamma in gomma, rivestimenti e compositi. L'argilla caolino e il biossido di silicio formano strati barriera termicamente stabili quando esposti al calore. La nano-argilla (montmorillonite) ha attirato un notevole interesse di ricerca come additivo nanocomposito ritardante di fiamma perché anche piccoli carichi (2–5% in peso) possono ridurre significativamente la velocità di picco di rilascio del calore nelle matrici polimeriche.
• Caseina (proteine del latte): Utilizzato storicamente nei trattamenti ritardanti di fiamma dei tessuti e attualmente oggetto di studio come rivestimento a base biologica per cotone e poliestere. La caseina contiene fosforo e azoto, che contribuiscono entrambi al ritardo di fiamma attraverso meccanismi di carbonizzazione in fase condensata.

Produzione di composti ritardanti di fiamma: processi produttivi chiave

I metodi di produzione dei composti ritardanti di fiamma variano in modo significativo in base alla famiglia chimica, riflettendo la diversità della loro chimica di base.

Ritardanti di fiamma organofosfati sono prodotti facendo reagire ossicloruro di fosforo (POCl₃) o pentossido di fosforo (P₂O₅) con alcoli, fenoli o polioli in condizioni di temperatura e catalizzatore controllate. La reazione deve essere gestita attentamente per controllare il grado di esterificazione e il peso molecolare, che a loro volta determinano stabilità termica, viscosità e compatibilità con la matrice polimerica target. I gradi reattivi, che si legano covalentemente alla struttura polimerica, richiedono una chimica aggiuntiva dei gruppi funzionali, che in genere coinvolge siti reattivi epossidici o ossidrilici.

Idrossido di alluminio (ATH) è prodotto industrialmente come coprodotto del processo Bayer per la produzione di allumina: l'alluminio disciolto dal minerale di bauxite viene precipitato come gibbsite (Al(OH)₃) raffreddando e seminando la soluzione di alluminato di sodio. La distribuzione delle dimensioni delle particelle e il trattamento superficiale (tipicamente con agenti di accoppiamento a base di silano o acido stearico) sono controllati durante la precipitazione e la post-elaborazione per ottimizzare la dispersione nelle matrici polimeriche e ridurre al minimo l'aumento di viscosità durante la compoundazione.

Polifosfato di ammonio (APP) viene sintetizzato facendo reagire acido fosforico o acido polifosforico con urea o ammoniaca in condizioni di temperatura controllata. Il grado di polimerizzazione – la lunghezza della catena della struttura portante del polifosfato – è una specifica critica del prodotto: una polimerizzazione più elevata (Fase II APP, grado di polimerizzazione >1.000) produce una minore solubilità in acqua, che è essenziale per applicazioni esterne o in ambienti umidi in cui la lisciviazione ridurrebbe l’efficacia dei ritardanti di fiamma a lungo termine.

Ritardanti di fiamma bromurati sono prodotti mediante bromurazione aromatica elettrofila, facendo reagire il substrato aromatico con il bromo molecolare (Br₂) in presenza di un catalizzatore acido di Lewis come il bromuro di ferro (III), a temperatura controllata per raggiungere il grado di bromurazione desiderato. L'elevato contenuto di bromo (tipicamente 50–85% in peso nei prodotti commerciali) richiede un'attenta gestione delle materie prime di bromo e degli intermedi bromurati durante tutta la produzione.

Contesto del mercato globale: Il mercato dei prodotti chimici ritardanti di fiamma è stato valutato a circa 9,5 miliardi di dollari nel 2023 e si prevede che crescerà del 5-6% annuo fino al 2030, spinto dall’espansione dell’attività di costruzione in Asia, da norme di sicurezza antincendio più severe nel settore dell’elettronica e dei trasporti e dal continuo cambiamento della riformulazione dai sistemi alogenati a quelli a base di fosforo e minerali.