Materiali compositi: un nuovo approccio alle prestazioni antincendio

Le proprietà meccaniche dei materiali compositi, come il loro peso, la rigidità e la resistenza, sono in genere le considerazioni principali nel processo di progettazione. Tuttavia, nelle applicazioni che presentano un rischio di incendio, come nei trasporti, nell’edilizia e nelle costruzioni, questa diventa la considerazione principale quando si forniscono le specifiche delle soluzioni in materiali compositi.

Con l’aumento dell’uso dei compositi in applicazioni impegnative, il miglioramento della conoscenza delle loro prestazioni antincendio sta diventando una questione critica per la sicurezza, in particolare per le applicazioni di edilizia e trasporti. In genere, per i produttori esistono tre considerazioni principali relative alla performance antincendio. Queste sono: quanto è difficile che il materiale prenda fuoco, quanto velocemente il fuoco si diffonde e quanto calore genera. E poi, quanto fumo si svilupperà e quanto velocemente? Da ultimo, quanto è tossico il fumo e quanto rapidamente può provocare danni? Queste considerazioni sono tipicamente indicate come proprietà FST (Fire, Smoke e Toxicity), vale a dire incendi, fumo e tossicità.

Con queste considerazioni in mente, è frequente che i produttori di compositi incorporino additivi ritardanti di fiamma nei materiali, per ritardare o ridurre il processo di combustione. La natura di questi additivi varia a seconda dell’applicazione in questione e di eventuali requisiti normativi pertinenti.

Materiali compositi: l’approccio tradizionale

I composti alogenati sono un’ampia categoria di additivi ritardanti di fiamma tradizionalmente visti come la prima scelta per i produttori di compositi a causa della loro alta efficienza e del costo relativamente basso. Gli additivi alogenati agiscono eliminando i radicali liberi altamente reattivi generati nella decomposizione termica dei polimeri durante la combustione. Ostacolando le reazioni di ossidazione nel processo di combustione, sono in grado di eliminare efficacemente le fiamme.

Gli additivi bromurati e clorurati, occasionalmente aiutati da sinergisti come l’ossido di antimonio (III), sono ancora utilizzati in ambienti fortemente corrosivi. Tuttavia, stanno diventando sempre più vietati per l’uso in molte applicazioni comuni a causa dei loro effetti collaterali negativi. Molte delle sostanze alogenate presentano dei pericoli per la salute, i fumi prodotti sono tossici, e i rifiuti sono classificati come pericolosi, rendendo costoso il loro smaltimento.

Materiali compositi: l’approccio moderno

Le nuove tendenze nell’aggiungere proprietà ritardanti di fiamma ai compositi si basano sull’uso di sostanze non alogenate come il triidrato di alluminio (ATH) e gli idrossidi di metallo, compresi i composti a base di magnesio e fosforo. Gli additivi ATH sono oggi i ritardanti di fiamma non alogenati più utilizzati perché, pur essendo meno efficaci degli alogeni, sono molto meno tossici in caso di combustione. Agiscono rilasciando molecole d’acqua in una reazione endotermica durante il processo di combustione. Queste molecole d’acqua spengono la superficie dei materiali circostanti, assicurando un effetto ritardante delle fiamme e di soppressione del fumo. Inoltre, a differenza dei prodotti alogenati, gli additivi ATH non emettono fumo tossico quando vengono bruciati.

Lo svantaggio del triidrato di alluminio è che, essendo molto meno efficace nell’ostacolare il fuoco, sono necessarie quantità maggiori per soddisfare i requisiti antincendio sempre più rigorosi in numerose applicazioni. Carichi di riempimento molto elevati influenzano negativamente le prestazioni meccaniche in quanto c’è meno spazio per le fibre di rinforzo, e influenzano anche il comportamento a lungo termine in ambienti difficili. Le viscosità molto elevate delle resine, le reattività modificate e le importanti forze di trazione della pultrusione richiedono finestre di processo strette e controlli di processo rigorosi. Occorre prestare particolare attenzione ai dettagli geometrici del prodotto, e per produrre con successo tali parti è necessario il massimo livello di qualità degli utensili.

In definitiva, quando si forniscono le specifiche di compositi per applicazioni in cui deve essere preso in considerazione il rischio di incendio, si deve trovare un equilibrio tra le proprietà meccaniche desiderate e il rispetto dei test di sicurezza antincendio pertinenti. Anche se ciò potrebbe inizialmente sembrare una prospettiva scoraggiante, questa sfida può essere superata lavorando con un partner esperto che comprende tutte queste considerazioni e può proporre la soluzione più adatta disponibile.

Questo è particolarmente cruciale in applicazioni come il trasporto ferroviario, dove i requisiti antincendio variano a seconda che il treno viaggi sopra o sottoterra e se i compositi saranno usati internamente o esternamente. In Europa, i treni hanno tre livelli di pericolo e, man mano che si sale, il livello dei requisiti FST aumenta.

Orientarsi tra tutti i requisiti antincendio necessari e sapere quali test applicare può risultare estremamente complicato. Dato che le esigenze in materia di FST influiscono sulla maggior parte delle altre proprietà e hanno un effetto considerevole sulla lavorazione, dovranno essere discusse nelle fasi iniziali di ogni nuova richiesta.