Retardantes de chama e supressores de fumaça

O processo de queima de plásticos e outros materiais de natureza orgânica pode ser dividido em cinco etapas, as quais podem ser assim esquematizadas:

(a) aquecimento: nessa etapa, o calor de uma fonte externa é for- necido ao material, que tem sua temperatura progressivamen- te aumentada. A transferência de calor pode ocorrer por conta- to direto com a chama, por contato com gases aquecidos ou, ainda, por condução através de um corpo sólido.

(b) pirólise: nessa etapa, os diferentes componentes do material orgânico atingem suas temperaturas de decomposição, e começam a liberar uma série de compostos, dentre os quais gases combustíveis como alcanos, alcenos, formaldeído e monóxido de carbono, gases não-inflamáveis como vapor d’água e dióxido de carbono, líquidos (fragmentos de cadeias poliméricas), partículas sólidas como fuligem e cargas mine- rais, e ainda radicais livres. No caso específico do PVC, essa etapa é marcada pela liberação de cloreto de hidrogênio, sendo esse facilmente detectável por meio de seu odor carac- terístico mesmo em baixas concentrações, servindo como um alarme no caso de incêndio.

As diferentes combinações dessas diversas substâncias forma- das na etapa de pirólise dá origem à fumaça. Na maioria dos casos, a pirólise ocorre por meio de um mecanismo de radicais livres, principalmente hidrogênio e hidroxila, os quais são alta- mente reativos.

(c) ignição: essa etapa é marcada pela migração dos produtos da pirólise para a superfície do material, onde entram em contato com o oxigênio, formando uma região chamada de zona de queima gasosa. Nessa região, as condições de temperatura e concentração de gases combustíveis e oxigênio atingem níveis que permitem a ignição por uma fonte externa de calor (deno- minado ponto de fulgor), ou ainda, se a temperatura for sufi- cientemente alta, por auto-ignição (denominado ponto de igni- ção). Essas temperaturas são determinadas por meio do méto- do de ensaio ASTM D-1929 (método de ensaio para determina- ção da temperatura de ignição de plásticos).

(d) combustão e propagação: nessa etapa, os radicais livres for- mados na etapa de pirólise desencadeiam reações de combus- tão altamente exotérmicas, cujo calor liberado sustenta um mecanismo de retroalimentação térmica, responsável por sus- tentar o processo de pirólise e ignição enquanto houver mate- rial combustível disponível. Nessa etapa o fogo se propaga pela superfície do material, atingindo outras regiões e tornando o processo de queima irreversível.

(e) extinção: uma vez que o fogo se alastra por todas as regiões do material, as quantidades de combustível e oxigênio (caso o sistema seja fechado) diminuem até um ponto em que o calor gerado no processo de combustão é insuficiente para susten- tar o mecanismo de retroalimentação térmica, fazendo com que o processo de queima entre em seu estágio final.

A ASTM E-176 (terminologia aplicada a ensaios de chama) traz algumas definições de termos importantes para a compreensão desse assunto:

- combustível: material capaz de sofrer combustão. O termo com- bustível, entretanto, deve ter seu uso restringido à designação de condições específicas de exposição à chama. A ASTM E-176 cita, como exemplo, que materiais de construção devem ser considerados combustíveis apenas se forem passíveis de sofrer combustão exposta ao ar, em condições de pressões e tempe- raturas que possam ocorrer em condições reais de incêndio em um edifício. Outros materiais que possam não ser combustíveis em certas condições podem sê-lo em condições de alta exposi- ção ao oxigênio ou altas temperaturas.

- inflamável: capaz de queimar quando exposto à chama, sob condições específicas.

- resistência à chama: propriedade de um material ou componen- te de resistir ao fogo ou fornecer proteção ao mesmo.

- retardante à chama: termo aplicado a aditivos ou revestimentos que, quando adicionados a materiais combustíveis, retardam a ignição, a combustão e a propagação de chama do mesmo quando exposto ao fogo.

As resinas de PVC, devido à presença do átomo de cloro, pos- suem como características inerentes a capacidade de inibição da propagação de chama e de auto-extinção. Por auto-extinção entende-se a capacidade de um material de cessar a combustão, imediatamente após a remoção da fonte de calor ou da chama. A determinação dessa propriedade é realizada por meio de ensaios de queima sob condições controladas, tais como as especificadas nas normas UL-94 (ensaio de flamabilidade de materiais plásticos Tecnologia do PVC

em dispositivos e produtos), além das normas ASTM D-635 (método de ensaio para determinação da taxa de queima e/ou extensão e tempo de queima de plásticos auto-suportados na posição horizon- tal) e ASTM D-3801 (método de ensaio para medida comparativa das características de queima de plásticos sólidos na posição vertical). Uma medida da tendência de inflamabilidade pode ser conseguida por meio da determinação da mínima concentração de oxigênio (em uma mistura O₂/N₂) necessária para a sustentação da combustão (ASTM D-2863), ensaio esse conhecido como “Índice de Oxigênio”. Essas características inerentes às resinas de PVC são decorrentes do efeito de captura e estabilização dos radicais livres formados na etapa de pirólise, por meio da liberação de radicais cloreto no pro- cesso de decomposição do polímero PVC, com conseqüente redu- ção do efeito de propagação da reação de combustão. Devido à presença de óleos plastificantes, as formulações de PVC flexível são mais susceptíveis ao fogo que as formulações rígidas, uma vez que o teor de cloro na massa do produto é menor no primeiro caso. Alguns aditivos podem ser classificados como retardantes de chama ou supressores de fumaça. Os retardantes de chama reduzem a capacidade de propagação da chama e aumentam a tendência do PVC para a auto-extinção. Nessa classe de aditivos destacam-se os compostos de antimônio, as parafinas cloradas e os plastificantes fosfatados. Todos esses aditivos agem principalmente na etapa de pirólise, capturando e estabilizando os radicais livres formados e evi- tando a propagação da reação de combustão. Os compostos fosfa- tados possuem ainda o efeito de formação de uma camada proteto- ra na superfície do material durante o processo de combustão, cama- da essa que age como barreira de isolamento entre os gases combus- tíveis provenientes do material polimérico em decomposição e o oxi- gênio atmosférico, impedindo a continuidade do processo de queima. Os supressores de fumaça, por sua vez, além da redução da com- bustibilidade, liberam gases ou vapores que diluem os produtos formados durante a queima do PVC. Os principais aditivos supres- sores de fumaça empregados em formulações de PVC são a alumi- na trihidratada (ATH), o borato de zinco e os estanatos de zinco (hidratados e anidros), os quais, quando expostos a altas tempera- turas, decompõe-se endotermicamente, ou seja, absorvendo gran- de quantidade de energia da chama, e liberando vapor de água, o qual dilui o oxigênio necessário à manutenção da combustão, bem como os gases de combustão. Os estanatos de zinco são particu- larmente eficientes em formulações de produtos rígidos, uma vez que atuam também nos mecanismos de formação de fumaça, em meio à fase gasosa da combustão em curso.