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Il ritardo alla fiamma dei polimeri termoplastici
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La combustione è un processo che interessa la quasi totalità delle materie plastiche, siano esse derivate da fonti fossili o rinnovabili, quando si trovano in presenza di fiamme libere o di fonti energetiche che sviluppano calore.
La combustione è una reazione di ossidazione incontrollata che avviene velocemente e con forte sviluppo di energia termica (reazione esotermica) e luce; essa può essere rappresentata, in modo schematico, da un triangolo i cui vertici sono costituiti dai tre elementi necessari affinché essa possa verificarsi: combustibile, comburente ed energia.
In assenza di uno di essi non si ottiene combustione. Tale considerazione è alla base dei sistemi di spegnimento o prevenzione degli incendi.
Fatta questa premessa possiamo dire che un incendio è la risultante della combinazione di quattro elementi essenziali che devono concorrere contemporaneamente affinché esso si verifichi:
- il combustibile che è il materiale in grado di combinarsi chimicamente con l’ossigeno (o altra sostanza) con emissione di energia termica (nel nostro caso il materiale plastico);
- il comburente che è la sostanza che alimenta la combustione mediante ossidazione del combustibile;
- una sorgente che rilascia un adeguato valore di energia termica in grado di dare avvio al processo di combustione (raggiungimento della temperatura di accensione del combustibile) passando prima attraverso la fase di pirolisi del materiale;
- la formazione o liberazione di gruppi atomici chimicamente attivi (radicali) capaci di produrre reazioni a catena che portano alla formazione di composti chimici di dimensioni inferiori, piccole molecole e gas.
Generalmente quando la vera e propria combustione ha inizio, il combustibile si trova allo stato gassoso (gas di pirolisi) oppure, se è allo stato liquido, ha raggiunto una temperatura tale da emettere vapori infiammabili (temperatura di infiammabilità) che, mescolandosi al comburente (l’ossigeno è una sostanza comburente contenuta nell’aria con una percentuale in volume pari al 21%) in determinate concentrazioni, danno luogo a miscele combustibili che in presenza di una adeguata energia di innesco avviano la combustione. Ciò significa che un materiale allo stato solido non brucia direttamente.
Come si sviluppa quindi un incendio? La figura seguente schematizza le varie fasi in funzione di tempo, temperatura e rischi:
Supportiamo lo schema con un esempio:
INIZIO: una sorgente di energia (fiammifero, candela o mozzicone di sigaretta) appicca fuoco ad un materiale combustibile (rivestimento di una poltrona o tendaggi) inizia così la decomposizione e la pirolisi del materiale.
PROPAGAZIONE: la pirolisi e la sorgente di energia provocano la propagazione delle fiamme con conseguente riscaldamento dell’ambiente circostante ed evoluzione di gas infiammabili che quando sono sufficientemente caldi provocano il flashover.
PIENO SVILUPPO: in questa fase lo sviluppo dell’incendio subisce una brusca variazione poiché vengono interessati tutti gli oggetti combustibili presenti nel locale in quanto, anche quelli più distanti dalle fiamme, raggiungono la temperatura di accensione. Il flashover è generalmente definito come la transizione da un incendio in crescita ad uno pienamente sviluppato nel quale tutti i materiali combustibili che stanno nel compartimento sono coinvolti simultaneamente nell’incendio soprattutto a causa dell’irraggiamento provocato dai prodotti della combustione; in tale fase i gas caldi di combustione hanno quasi completamente occupato l’ambiente e si trovano vicino al pavimento. Il flashover è l’inizio del pieno sviluppo. È il punto di non ritorno, ovvero da questo momento le fiamme si autoalimentano e possono raggiungere anche temperature di 1200 °C.
REGRESSIONE: è la diminuzione progressiva dell’incendio vuoi per consumo del carico d’incendio (combustibile) o per sviluppo in ambiente completamente chiuso dove si determina una carenza di comburente (ho fatto reagire tutto l’ossigeno, come quando si mette una candela accesa sotto un bicchiere rivoltato e attendiamo che la fiamma si estingua).
Quali sono i parametri che governano un incendio?
- La combustibilità: il materiale brucia?
- L’infiammabilità: se è combustibile, come e quando prenderà fuoco?
- La propagazione della fiamma: una volta preso fuoco, quanto velocemente si propagheranno le fiamme?
- Il calore rilasciato: quale sarà il tasso e la quantità di calore rilasciato?
La figura seguente mostra le varie fasi della combustione di un polimero:
Per inibire o prevenire lo sviluppo di un incendio è necessario ritardare la fiamma rallentando il processo di combustione durante uno o più stadi, in modo da non arrivare alla combustione completa con forte sviluppo di fiamma (flashover).
Nella tabella sottostante possiamo scoprire quali sono quegli elementi di resistenza che un polimero può opporre alla evoluzione di un incendio durante le varie fasi del processo di combustione.
Mentre qui sotto sono riportate alcune proprietà dei polimeri termoplastici più comuni in relazione al loro potenziale comportamento al fuoco.
Come interpretare alcuni di questi valori?
LOI o Indice di ossigeno (ISO 4589 – ASTM D2863): è la percentuale minima di ossigeno presente in un gas necessaria affinché il materiale prenda fuoco. Poiché la percentuale di O2 nell’aria è il 21 %, tanto maggiore di questo valore sarà il LOI di un polimero, tanto più quel polimero avrà difficoltà a prendere fuoco. Vale il viceversa. La figura che segue illustra graficamente il LOI di alcuni polimeri.
Calore di combustione: è l’energia emessa durante la combustione (nella tabella in kj/kg), quindi tanto più alto è questo valore tanto maggiore è l’energia emessa per unità di peso di materiale e tanto maggiore sono sia la capacità di autoalimentazione sia la velocità di propagazione dell’incendio.
Per inibire o controllare la combustione dei polimeri si possono utilizzare i ritardanti di fiamma, sostanza organiche o inorganiche che, additivate ai polimeri, ne ritardano la combustione.
Il ritardo alla fiamma ed il meccanismo di azione dei vari additivi saranno argomento di prossimi articoli.
Fonti
http://antincendio-italia.it/il-processo-di-combustione/
