02 Oct TEJIDOS IGNÍFUGOS – Parte 1: Mecanismos de IGNICIÓN de los tejidos
El campo de los textiles resistentes al fuego, es uno de los que más crecimiento ha tenido en la industria textil. Además es muy amplio.
Con la intención de ser lo más abarcativos posible y poder compartir con el lector, al menos una parte de los considerables avances que se han producido en ésta materia en los últimos años, decidimos ir publicando varias notas de interés respecto al tema. Si bien utilizaremos cierto criterio en el orden en las que irán apareciendo, las notas podrán leerse en forma independiente una de otras.
Parte I – Mecanismos de ignición de los tejidos
1_ Introducción
Los materiales textiles, que juegan un papel tan importante en la vida cotidiana, están constituídos principalmente por polímeros orgánicos. Por lo tanto, son inflamables y presentan un riesgo de incendio.
Los retardantes de llama, se han desarrollado para reducir ese riesgo, ya sea inhibiendo la posibilidad de que el material se encienda, o reduciendo la velocidad de propagación de la llama, en caso de que lo haga.
La combustión en llamas, es un proceso oxidativo en fase gaseosa que requiere del oxígeno de la atmósfera (aire).
Por lo tanto, antes de que el polímero experimente una combustión en llamas, primero se degradará para producir compuestos combustibles que puedan mezclarse con el oxígeno de la atmósfera y luego encender una llama. La llama es exotérmica. Si se transfiere suficiente calor a la superficie del material para causar una mayor degradación, se puede establecer un ciclo de combustión autosostenible.
Además de la degradación del polímero componente, el comportamiento de la combustión, también se verá afectado por la estructura textil, que determinará un mayor o menor acceso de oxígeno.
2_ Transiciones térmicas y degradación de los polímeros
Cuando un polímero se calienta, son posibles varias temperaturas de transición térmica que pueden influir en la inflamabilidad final de la fibra, y por lo tanto del textil.
La siguiente tabla muestra las fibras comúnmente utilizadas en la industria textil, con sus transiciones físicas de vidrio (Tg) y de fusión (Tm), si corresponde, que pueden compararse con sus transiciones químicamente relacionadas de degradación o pirólisis (Td) e ignición (inicio de la combustión en llamas) (Tc).
En general, cuanto más baja es la temperatura Tc (y generalmente Td), más inflamable es la fibra.
En la tabla se incluyen también, los valores respectivos del índice de oxígeno limitante (LOI) (luego veremos su significado).
Las fibras con LOI < 21 (el contenido de oxígeno natural del aire) son muy inflamables; aquellas con LOI entre 21 – 25 son moderadamente inflamables y las fibras con LOI > 25, son poco inflamables (los tejidos elaborados con dichas fibras, podrían superar los ensayos establecidos en las normas nacionales e internacionales creadas para los textiles ignífugos).
La temperatura Td de la tabla, indica el inicio de la degradación mencionada anteriormente, que precede a la combustión en llamas.
Los materiales poliméricos puros, se degradan a través de uno o más de los siguientes procesos simples :
_ división desde los extremos de la cadena: los monómeros individuales se separan sucesivamente del extremo de la cadena.
_ división aleatoria de la cadena: las divisiones ocurren en ubicaciones aleatorias a lo largo de la cadena del polímero.
_ separación de las cadenas, átomos o grupos que no forman parte de la cadena principal del polímero.
Los polímeros sintéticos, se dividen en dos tipos físicos, los cuales se descompondrán de manera diferente cuando se calienten. A saber :
_ Termoplásticos: que se ablandarán y derretirán antes de descomponerse.
_Termoendurecibles (reticulado): que no se derriten y se descomponen produciendo carbón y volátiles.
3_ Indice de Oxígeno Limitante – LOI (Limiting Oxygen Index)
3.1_ Definición:
El índice de oxígeno limitante, se define como la concentración mínima de oxígeno, expresada como porcentaje en volumen de una mezcla de oxígeno y nitrógeno, necesaria para mantener la combustión en llamas de un material (después de la ignición).
Se considera una de las pruebas de inflamabilidad más útiles, porque permite una clasificación precisa de los materiales sobre una base numérica y generalmente muestra relaciones lineales con el nivel de retardante de llama.
El ensayo se realiza de acuerdo al método establecido en la norma ASTM D2836.
La siguiente figura muestra un esquema de la probeta de ensayo:
En síntesis, podemos decir que consiste en encender la parte superior de la muestra, que se sostiene en forma vertical dentro de un tubo de vidrio, utilizando una llama de gas que se retira una vez que se ha producido la ignición, y encontrar la concentración mínima de oxígeno (en una mezcla de oxígeno y nitrógeno que fluye hacia arriba), que solo permita una combustión sostenida.
Su valor se expresa como [% en volumen] y es una magnitud inversamente proporcional a la inflamabilidad del material.
Es decir que, los materiales altamente inflamables, tienen un índice LOI bajo y los materiales menos inflamables, tienen un índice alto.
El aire contiene aproximadamente un 21% de oxígeno a nivel del mar, nótese que cualquier material con un LOI inferior a 21, seguramente soportará la combustión en una situación al aire libre.
3.2_ Clasificación de los materiales según el LOI (ejemplos)
4_ Ciclo de combustión o ignición
La ignición de los materiales sólidos, procede por un mecanismo de autopropagación, que puede describirse como un ciclo.
Donde un sólido se descompone en vapor inflamable, que se oxida por el oxígeno de la atmósfera circundante, produciendo calor para promover una mayor descomposición.
Dicho ciclo podría representarse con el esquema siguiente :
4.1_ Fuente de ignición:
La inflamabilidad requiere de combustible, oxígeno y una fuente de arranque conocida como fuente de ignición.
Por lo general, pensamos en pequeñas fuentes de ignición (un fósforo, una chispa); sin embargo, una llama grande puede actuar como fuente de ignición para materiales que generalmente no son inflamables.
Una fuente de ignición intensa puede permitir que un sólido, que normalmente no se considera inflamable, contribuya a la llama.
4.2_ Descomposición térmica de un material para producir combustible:
Para que un material polimérico, experimente una combustión en llamas, primero debe degradarse en fragmentos volátiles combustibles (de bajo peso molecular), que puedan escapar a la atmósfera circundante y mezclarse con el oxígeno de la misma.
En el caso de los materiales sólidos que son inflamables, la oxidación produce calor en cantidad suficiente y a una velocidad suficiente, que se conducirá o irradiará al polímero original, para provocar una descomposición térmica adicional del material, y producir más vapor combustible. Estableciéndose de ésta manera, un ciclo de combustión como el del esquema anterior.
La cantidad de calor que se desprende, se conoce como calor de combustión.
4.3_ Oxidación (en fase vapor):
Cuando los fragmentos de combustible volátil escapan del sólido, se combinan con el oxígeno de la atmósfera creando una llama y una temperatura suficientemente alta para hacer que éstos gases, y las partículas de hollín contenidas en ellos, emitan luz (llama visible).
El hollín se vuelve luminoso a alta temperatura y es el responsable del color naranja-amarillo de la llama. Mientras que una llama ardiente “limpia”, es a menudo de color azul u otros colores, dependiendo de los elementos contenidos en el combustible.
El oxígeno, aunque es esencial para la inflamabilidad, no es el combustible, sino el agente oxidante.
4.4_ Difusión de calor de regreso al sólido para producir más degradación:
Para que la llama se propague por sí misma, debe haber suficiente calor de regreso al sólido, para liberar más vapor de combustible volátil.
Si el combustible se quema de abajo hacia arriba, tanto la radiación como la convección, contribuyen a la transferencia de calor.
Si el combustible se quema al estilo de una vela, de arriba hacia abajo, la transferencia de calor es principalmente por radiación del gas caliente (a menudo incandescente) de la llama.
Debe tenerse en cuenta, que todos los materiales asociados con el combustible sólido, absorben energía térmica, produzcan o no fragmentos inflamables volátiles adicionales.
Es decir, que los materiales no combustibles que forman parte del sólido, consumen energía en el proceso de degradación, pero no aportan combustible adicional que ayude a propagar la combustión. Por lo tanto, los “rellenos” no inflamables (como los óxidos metálicos por ejemplo), a menudo retardan la inflamabilidad y pueden producir una ceniza aislante térmica e inhibidora de la difusión en la superficie del sólido degradado. Esta es una de las tantas estrategias utilizadas por algunos retardantes (como ya veremos en la próxima nota).
Habiendo completado esta breve reseña acerca de como se queman los materiales, estamos en condiciones de analizar las distintas estrategias utilizadas por los investigadores y desarrolladores de materiales ignífugos, para evitar la propagación del fuego.
Hoy en día, existen muchísimos textiles que cumplen con excelente performance, las exigencias que el mercado les impone. Como dijimos anteriormente, se utilizan distintos materiales y distintas estrategias, pero todas ellas tienen un denominador común, que es el de ROMPER CON EL CICLO DE COMBUSTIÓN.
Sergio De Guevara
Consultor Corporativo. Especialista en Indumentaria laboral y de protección