Proyecto Phosfire

Desarrollo de nuevos métodos de producción de retardantes de llama a base de fósforo y sus aplicaciones en matrices poliméricas.

Los plásticos son materiales únicos que presentan bajo peso y múltiples funcionalidades. Estas características han permitido su amplia aplicación en numerosos sectores como la construcción, eléctrico-electrónico y transporte. Sin embargo, los polímeros presentan alta flamabilidad por lo que es necesario la incorporación de sistemas de protección contra incendios para que puedan ser utilizados con mayor seguridad. Por tanto, los aditivos ignífugos son necesarios para mejorar las propiedades de retardancia a la llama de los plásticos. Además, la industria tradicional del plástico está evolucionando hacia el empleo de las materias primas de origen biológico dejando atrás las fósiles ya que cada vez más clientes solicitan productos más sostenibles. Sin embargo, el cambio implica enormes esfuerzos en la investigación para garantizar que el rendimiento y las propiedades de los biopolímeros se puedan comparar con los plásticos tradicionales. Una de las mayores desventajas de los biopolímeros es su rápida combustión y propagación de llamas que tienen un gran impacto en la seguridad contra incendios.

Los retardantes de llama se utilizan en una amplia gama de plásticos para extender el tiempo de escape de los incendios, tradicionalmente, los aditivos ignífugos más efectivos y utilizados en los polímeros han sido los compuestos halogenados. Sin embargo, ya desde el 2002, la Comisión Europea empezó a limitar su uso con fines de seguridad contra incendios debido a su toxicidad. Actualmente, la mayoría de ellos han sido prohibidos y la tendencia en la industria es optar por aditivos ignífugos libres de halógenos. Las soluciones actuales se basan principalmente en compuestos de aluminio, magnesio y fósforo: su síntesis emplea materias primas fósiles y algunas de ellas, como el fósforo y el magnesio, se encuentran en la lista de materias primas críticas para Europa. De forma parecida a la investigación en los polímeros, también los ignífugos procedentes de fuentes renovales o que requieran síntesis con menor impacto hacia el medio ambiente se están investigando en todo el mundo para obtener soluciones con baja toxicidad, bajo impacto medioambiental y que puedan partir de recursos renovables. El principal inconveniente de estos aditivos es su baja resistencia a la temperatura, lo cual causa su degradación durante el procesado del polímero.

El objetivo del proyecto PHOSFIRE es el desarrollo de retardantes de llama a base de fósforo a través de nuevos métodos de producción. Se plantea ofrecer alternativas a los ignífugos halogenados, considerados como tóxicos y nocivos por el medioambiente y las personas. El proyecto se enfocará en el estudio de dos diferentes tipos de productos: el primero de ellos se basa en la reacción entre ácido fítico, la molécula de almacenamiento de fósforo en las plantas, y quitosano, un derivado de la cáscara de los crustáceos, para la síntesis de un retardante de llama totalmente bio-basado que podría ser aplicado en la ignifugación de resinas, pintura y barnices. En el segundo caso, se estudiará la obtención de retardantes de llama fosforados sintetizados a partir del compuesto sintético 9,10-dihidro-9-oxa-10-fosfafenantreno-10-óxido, comúnmente conocido como DOPO. En la bibliografía se encuentran varios ejemplos de la obtención de retardantes de llama derivados de DOPO, pero sus síntesis requieren el uso de productos tóxicos y con un fuerte impacto ambiental. En el proyecto se plantea ofrecer una nueva ruta sintética más viable económicamente y sostenible con el medioambiente para favorecer la disponibilidad de derivados de DOPO en el mercado como retardantes de llama.

Para validar los aditivos desarrollados se han propuesto 5 productos, enfocados a diferentes aplicaciones, lo cual aumentará el impacto del proyecto en la red industrial de la Comunidad Valenciana. Los sectores más beneficiados directamente de los resultados del proyecto PHOSFIRE serán: construcción y hábitat, automoción, ferroviario, eléctrico-electrónico y materias primas. El consumo mundial de retardantes de llama asciende a más de 2,25 millones de toneladas por año, de los cuales el 20% está constituido por retardantes de llama de fósforo (PFR). Según un estudio de mercado, el consumo de plásticos ignífugos ha crecido a una tasa global anualizada del 9% entre 2015 y 2020. Por lo tanto, el proyecto PHOSFIRE está en línea con las tendencias de mercado globales y a su vez está alineado con la medida RIS3-CV nº2 ya que el desarrollo de ignífugos de fuentes renovables promueve la seguridad de los ciudadanos desde diferentes puntos de vista: prevención de incendios, empleo de aditivos naturales que no interaccionan químicamente con los usuarios y reducción de la generación de residuos."

Objetivo general

El objetivo del proyecto PHOSFIRE es el desarrollo de dos diferentes productos ignífugos a base de fosforo:

Retardantes de llama totalmente bio-basados de ácido fítico y quitosano

Ignífugos derivados de (DOPO) a través de rutas sintéticas más sostenibles.

Los dos serán aplicados para la ignifugación de matrices termoplásticas y termoestables y recubrimientos como pinturas y barnices.

Objetivos específicos

Objetivo 1: Optimización para la síntesis de retardante de llama de ácido fítico / quitosano
La combinación de quitosano (CS) y ácido fítico (PA) aportará todos los elementos necesarios para obtener un sistema ignifugo. El alto contenido de fósforo, debido a la presencia del PA, actuará como eliminador de radicales en la fase gaseosa y promoverá la formación de la capa carbonosa en combinación con grupos hidroxilos presentes en el CS. El nitrógeno del quitosano actuará como sinérgico del fosforo durante la combustión. Esta combinación de elementos apunta a sustituir los sistemas intumescentes convencionales obtenidos de materias primas de origen fósil.
Objetivo 2: Encapsulación del sistema intumescente para aumentar la resistencia térmica del aditivo ignífugo natural
Se emplearán nanomateriales como montmorillonita y zeolitas para intercalara el quitosano en su estructura y hacerlo entonces reaccionar en presencia de ácido fítico. Así será posible evitar su degradación térmica para poder soportar las condiciones de procesado. De esa manera, estos aditivos serán adecuados para una amplia variedad de polímeros.
Objetivo 3: Estudio de la sinergia de los aditivos naturales ignífugos con nanopartículas
Diferentes nanopartículas serán incluidas en la formulación de diferentes matrices poliméricas para estudiar su efecto sinérgico frente al fuego.
Objetivo 4: Estudio para la síntesis de ignífugos bio-basados por mecano-quimica
El quitosano y el ácido fítico serán molidos juntos en extrusora para instigar una reacción química y reducir o eliminar el uso de disolventes en la síntesis química y procesamiento de materiales.
Objetivo 5: Optimización de la ruta sintética de retardante de llama derivados de DOPO
Los ignífugos derivados de 9,10-dihidro-9-oxa-10-fosfafenantreno-10-óxido (DOPO) se sintetizarán en presencia de aminas secundarias y agentes de oxido reducción. Permitiendo de recudir los tiempos de reacción, el coste y el impacto con el medio ambiente de la producción de derivador de DOPO. Está combinación apunta a sustituir los otros mecanismos de reacción actualmente utilizados a nivel industrial.
Objetivo 6: Obtención de cuatro nuevos productos ignífugos para las empresas valencianas
Aditivos ignífugos, compuestos termoplásticos, resinas termoestables, barnices y pinturas.
Objetivo 7: Estudio de las propiedades ignífugas de los composites y recubrimientos Se realizará una caracterización completa de los compuestos y recubrimientos desarrollados para comprender mejor la interacción del polímero con los diferentes retardantes de llama durante el proceso de combustión.

Empresas participantes

Resultados

**Figura B: Principales mercados en los que se emplean los plásticos ignífugos.**

En el proyecto PHOSFIRE se desarrollarán dos familias principales de ignífugos a base de fósforo, una de fuente renovables (Complejos poli electrolíticos de quitosano y ácido fítico) y una sintética de rutas más sostenibles (derivados de DOPO). Utilizando los retardantes de llamas así desarrollados, se obtendrán nuevos subproductos.

El aditivo ignífugo obtenido a partir de materias primas de fuentes renovables será el principal producto para desarrollar, a partir de él, tal y como se muestra en la Figura A, se desarrollarán 4 demostradores: paneles radiantes, bandejas portacables, tuberías termoplásticas, resinas y gel-coats y pinturas. Los materiales obtenidos se podrán emplear en los siguientes sectores: construcción, eléctrico-electrónico, automoción y ferroviario. El aditivo retardante de llama sintético será testado para el desarrollo de matrices poliméricas intrínsecamente ignífugas.

El consumo mundial de retardantes de llama asciende a más de 2,25 millones de toneladas por año, de los cuales el 20% está constituido por retardantes de llama de fósforo. Según un estudio de mercado, el consumo de plásticos ignífugos ha crecido a una tasa global anualizada del 9% entre 2015 y 2020, con aplicaciones principalmente ubicadas en transporte, construcción, equipos eléctricos y electrónicos (EEE) y muebles. (Figura B) Además, los retardantes de llama de fósforo se consideran alternativas adecuadas para los FR halogenados y posiblemente los reemplazarán debido a sus restricciones cada vez mayores

Por lo tanto, el proyecto PHOSFIRE está en línea con las tendencias de mercado globales, mejorando la competitividad de las empresas valencianas.

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