Borato de Zinco em sinergia com óxidos e hidróxidos metálicos

Datiquim Produtos Químicos

Os polímeros e elastômeros possuem aplicações em incontáveis campos, desde a indústria de embalagens até a automobilística, passando pela construção civil e eletroeletrônicos.

Dessa maneira, esses materiais estão largamente presentes no cotidiano da maioria das pessoas, inclusive e principalmente em ambientes fechados.

Todos os polímeros e elastômeros são combustíveis, em maior ou menor intensidade. Por isso, a aditivação com agentes retardantes de chamas é indispensável para prevenir incêndios e minimizar a formação de fumaça em determinadas aplicações.

Os anti-chamas encontrados no mercado possuem duas origens – orgânicos halogenados ou inorgânicos.

Nesse trabalho, o foco são os aditivos inorgânicos.

Os anti-chamas inorgânicos mais utilizados atualmente são a Alumina Trihidratada (ATH – alumina trihydrate), o Hidróxido de Magnésio e o Trióxido de Antimônio.

O ATH é um eficiente retardante de chamas para aplicação em diversos polímeros, como polietileno (PE), polipropileno (PP), poliamidas (PA) e outros1, agindo através de sua decomposição endotérmica, formando Óxido de Alumínio e água.

No entanto, sua utilização exige o emprego de grandes quantidades, o que pode alterar algumas características do produto final2.

O Hidróxido de Magnésio (MH) apresenta mecanismo de ação similar ao do ATH, mas com o mesmo empecilho, além de seu custo mais alto, e por isso não é muito utilizado no Brasil.

Já o Trióxido de Antimônio é largamente empregado, normalmente em combinação com compostos halogenados. Seu custo relativo é elevado.

Visando aperfeiçoar o emprego desses aditivos, estudos avaliam o efeito de sinergia entre o Borato de Zinco e óxidos e hidróxidos metálicos, unindo as vantagens de ambos os tipos de aditivos.

A proposta é, portanto, promover a utilização do Borato de Zinco em substituição de parte do aditivo retardante de chama inorgânico na formulação dos compostos, levando a uma melhora nas propriedades mecânicas dos polímeros e reduzindo a quantidade empregada, com base no efeito de sinergia existente entre o Borato de Zinco e óxidos e hidróxidos metálicos.

Borato de Zinco

O Borato de Zinco tem se mostrado um eficiente aditivo, e apesar de ainda não ser muito utilizado, tem sido avaliado como um candidato promissor para aditivo anti-chamas em polímeros e elastômeros.

O Borato de Zinco tem ação anti-chamas e supressora de fumaça e é muito usado em formulações de PVC plastificado, sendo sua ação através da formação de “char”, que é uma camada de carbono proveniente de pirólise lenta e controlada, protegendo fisicamente o material, análoga à camada cerâmica produzida pelos óxidos nos casos do ATH e MH, dificultando a difusão do oxigênio.

A fórmula desse aditivo é xZnOyB2O3zH2O, sendo a fórmula 2335 (2ZnO3B2O33,5H2O) a mais comum, e é capaz de suportar altas temperaturas de processamento, decompondo-se endotermicamente em temperaturas acima de 300 °C, liberando água.

O Borato de Zinco tem propriedades anti-faísca, anti-propagação e anti-gotejamento e supressor de afterglow (combustão por incandescência).

Somadas às vantagens acima citadas, esse aditivo ajuda na estabilidade térmica em PVC e apresenta baixa toxicidez3.

Efeito sinérgico

Diversos estudos conduzidos utilizando o Borato de Zinco em combinação com outros retardantes de chamas mostram a possibilidade de efeito sinérgico entre eles.

Ensaios mostram que a combinação com hidróxidos metálicos leva à diminuição da taxa de liberação de calor, aumento do LOI (Limiting Oxygen Index- concentração mínima de oxigênio para a combustão) e melhora na resistência mecânica do material.

O estudo realizado por Chen e Shen em 2005, por exemplo, mostra o efeito sinérgico entre o Borato de Zinco e ATH e MH como nos gráficos abaixo:

Fonte: CHEN, T
Figura 1: Efeito de sinergia entre Borato de Zinco e ATH e MH. Figura 2: Efeito de sinergia entre Borato de Zinco e Trióxido de antimônio.

Fonte: CHEN, T. 2005.

Ambos os gráficos relacionam a taxa de liberação de calor ao longo do tempo.

Na primeira figura, são avaliadas a utilização de ATH em proporção 65% e ATH + Borato de Zinco em proporção 60% e 5%.

Na segunda figura, estão relacionadas as ações do MH e do MH juntamente com o Borato de Zinco, em diferentes tamanhos de partícula: 9 e 2 microns para ZB e ZB fine, respectivamente.

Nota-se que a adição de Borato de Zinco aos dois aditivos levou a uma diminuição considerável na taxa de liberação de calor do material, além de retardar o segundo pico de liberação de calor, proporcionando mais tempo para o controle do incêndio.

O estudo também cita que o emprego do Borato de Zinco melhora a processabilidade do material e diminui a emissão de fumaça.

Estudos feitos com Trióxido de Antimônio e Borato de Zinco mostram o efeito sinérgico.

Conforme o gráfico abaixo:
A combinação desses aditivos apresenta uma proporção ótima, que deve ser avaliada de acordo com o tipo de material e a aplicação, mostrando que pequenas adições de borato levam a melhoras significativas.

Vantagem econômica

O valor comercial do Borato de Zinco geralmente é menor que de outros aditivos, portando seu uso em formulações reduz sensivelmente os custos.

Tomando como parâmetro a proporção 1:1 com o Trióxido de Antimônio, o seu custo final chega a ser menor em até 17%, com resultados técnicos semelhantes.

Em relação ao ATH, apesar de seu baixo custo, sua utilização necessita grandes quantidades, além da possível necessidade de empregar agentes compatibilizantes, o que aumenta o custo.

Feitas as análises necessárias em relação à proporção, a substituição de uma parte por Borato de Zinco leva a um produto final com características atrativas e baixo custo.

O mesmo ocorre para o MH, já que este apresenta custo mais elevado que o do ATH.

Por Mariana Pelicano Borges Vieira

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Referências bibliográficas:
[1] BEYER, G. Flame Retardant Properties of EVA-nanocomposites and Improvements by Combination of Nanofillers with Aluminium Trihydrate Eupen, Bélgica: Fire and Materials: 193-197 p. 2001.
[2] CHEN, T.; SHEN, K. Synergistic Benefits of Metal Hydroxides and Zinc Borate in Flame Retardant Wire and Cable Performance Compounds Shrewsbury, Pensilvânia: IWCS 2005.
[3] SCHUBERT, D. M. et al. Structural Characterization and Chemestry of the Industrially Important Zinc Borate, Zn[B3O4(OH)3]. Valencia, Califórnia: Chemestry of Materials: 866-871 p. 2003.

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