WO2011080364A1 - Composición de poliacrilato de urea como retardante de llama - Google Patents

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WO2011080364A1
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flame retardant
urea
polyacrylate
flame
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PCT/ES2010/000524
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Tomás TEJERO LÓPEZ
José María CASAS DEL POZO
José Antonio CAMERANO CHIRÓN
David FAÑANAS BELLOC
Pablo ANTOÑAZAS ORTOPEDA
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Universidad De Zaragoza
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Definitions

  • the present invention relates to a urea polyacrylate composition, to its use as a flame retardant or as a flame retardant additive in porous materials and to the process for obtaining said composition.
  • flame retardants are an important part of fire protection; They not only minimize the risk of a fire starting, but also that it expands, granting an increase in the time to escape from a fire and at the same time protects people, characteristics and the environment.
  • boric acid and its salts have been used as flame retardant additives since 1800, they have been less studied than phosphorus, halogen and antimony compounds. Most boron-containing flame retardants thermally decompose generating boric acid releasing water in an endothermic reaction, therefore, they can act as physical retarders by absorbing heat in the decomposition process, diluting volatiles in the gas phase or forming a water vapor layer on the solid phase. In addition, boric acid can act similarly to phosphoric acid forming an intumescent coating that increases the effectiveness of the protective layer. As described in the patent application (WO / 2009079596) for the protection of cellulosic materials.
  • boric acid-borax mixtures H 3 B03 / Na2B 4 07 ⁇ 10H 2 O
  • boric acid-borax compositions have been used as non-durable flame retardants for cellulosic materials such as cotton, paper, insulation and cellulose or wood panels.
  • Other additives commonly used in place of boric acid are zinc borates in combination with another flame retardant (antimony oxide, alumina trihydrate or halogen sources), usually in materials cellulosics (S. Bourbigot, ML Bras, R. Leeuwendal, KK Shen, D. Schubert, Polym. Dearad.
  • Flame retardants are currently prepared with acrylic and melanin resins (Chuen-Shii Chou, Sheau-Horng Lin, Chin-I Wang; Advanced Powder Technology, 20, (2009) 169-176), however their obtaining is done by controlling the pH , and usually do not have a good dispersion when applied to different materials.
  • the present invention provides a urea polyacrylate composition as the main component, for use as a flame retardant or as a flame retardant additive, also provides a process for obtaining it.
  • a first aspect of the present invention relates to a composition comprising urea polyacrylate, preferably the total weight percentage of urea polyacrylate is between 10 and 35%.
  • composition in a preferred embodiment is characterized by further containing flame retardant additives that are selected from hydroxides, oxides, phosphates, carbonates, metal borates or any combination thereof.
  • the metals of the additive in a more preferred embodiment are selected from the elements of groups 2 (Be, Mg, Ca, Sr and Ba), 12 (Zn), 13 (B, Al, Ga, In) or any combination thereof . Being in another more preferred embodiment these additives in a percentage by total weight between 20 and 36%.
  • composition will contain water, being more preferably in a percentage of 45 to 60% by weight.
  • the present invention relates to the use of the composition described above as a flame retardant or flame retardant.
  • Flame retardants prevent chemical reactions in the flame or create a carbonized layer on the surface that prevents the fuel from coming into contact with the oxygen in the air. Therefore, it is important that the retarder homogeneously coat the material to be protected, in the present invention the urea polyacrylate retardant composition adheres perfectly and homogeneously to the material. And it also does not require an additional dispersant. This retardant or flame retardant composition is therefore used to protect different types of porous materials, and the described component (urea polyacrylate) itself has a certain flame retardant character, which makes it suitable for use in the preparation of flame retardant mixtures of this or other types.
  • the materials that can be protected by this flame retardant composition are porous materials that are used in the different sectors: construction, electronics and transportation among others; since they are used in a more preferred embodiment to protect materials such as polymers (thermosetting and thermoplastics), textiles, cellulosics (paper, cardboard or wood), paints and composites. Preserving the physical characteristics and appearance of the support on which it is applied.
  • composite material is understood as that formed from two or more types of materials and characterized by having better properties than those of the constituent materials separately.
  • Another feature of this urea polyacrylate composition is that it acts synergistically with other flame retardant additives or classic flame retardants such as those described above. Although none of them used exclusively allows to protect the materials to be treated, their combined use in the appropriate proportions lead to a surprising effect, for the amount of mixture applied.
  • the use of the urea polyacrylate composition together with other retarding additives in aqueous solution confers suitable flame retardant properties with low loading percentages, that is, the amount of the protective composition necessary to deposit on the material a Protect is relatively small.
  • the composition of the present invention also refers to its use as an additive in a flame retardant composition.
  • a third aspect of the present invention relates to the method of obtaining the composition as described above, which comprises the preparation of urea polyacrylate, from polyacrylic acid and urea in aqueous solution, with stoichiometry in a ratio between 2 : 1 and 2: 1, 5. So that the urea polyacrylate of formula (I) is obtained totally or partially neutralized.
  • the polyacrylic acid used is of molecular weight between 1000 and 1500 g / mol, in another preferred embodiment it also has a polydispersity of between 1, 05 and 1, 35
  • the process is characterized by further comprising the addition of an aqueous solution with classic flame retardant additives as described above.
  • the process and application of the urea polyacrylate composition mixture is simple, presenting a high penetrability in the material to be treated which improves protection and achieves a uniform impregnation.
  • the versatility of the type of flame retardant composition solves with only one component the problem of the simultaneous use of a binder and a dispersant for the preparation of mixtures with which various materials are treated to provide flame retardant or flame retardant characteristics.
  • this type of composition It has a certain flame retardant nature, while the binders and dispersants commonly used by industry are combustible.
  • agents that are currently used as dispersants or to facilitate adhesion do not contribute adequately to the fire retardant nature of the mixtures, being in some cases flammable by themselves, and / or contain halogenated species that have a contaminating character (as is the case of polyvinyl chlorides, decabromobiphenyl ).
  • it is of great interest since it has no contaminating halides, and therefore the flame retardant mixture has no unpleasant or toxic odors.
  • urea polyacrylate Another of the outstanding advantages of urea polyacrylate is that it facilitates the suspension of the other additives provided that its particle size is small and therefore its density is of the order of 0.9 g / cm 3 or less.
  • Figure 1 Shows the image of the front and back of a sample of polyurethane foam treated with the composition AB, after 15 seconds of exposure to the flame of a bunsen type lighter.
  • Figure 2 Shows the image of the front and back of a sample of polyurethane foam treated with a composition A ' B ' , after 15 seconds of exposure to the flame of a bunsen type lighter.
  • composition A-B 1 kg of flame retardant composition
  • urea polyacrylate solution (component A): 52 g of urea were added on a solution of 124 g of the polyacrylic acid in 124 ml of water and the mixture was vigorously stirred for 5 minutes; then about 50 g of water (5% of the final weight of the flame retardant mixture) was added to decrease the density.
  • the urea polyacrylate solution A prepared constituted approximately 35% of the mass of the flame retardant composition. The amounts expressed refer to pure reagents.
  • Component B can have multiple compositions depending on the reagents used for its composition, all of them with similar activity as a flame retardant, so that the effectiveness of this composition Prepared to be optimal, urea polyacrylate was made accompanying some, and in other cases several of the usual flame retardant additives such as metal hydroxides of elements of groups 2, 12 and / or 13, other additives were also added such as phosphates, polyphosphates or hydrogen ammonium or melamine polyphosphates, calcium carbonates, boric acid, borax or zinc borate, etc., in aqueous solution or suspension, whose water content will be 56% by weight.
  • the usual flame retardant additives such as metal hydroxides of elements of groups 2, 12 and / or 13
  • other additives were also added such as phosphates, polyphosphates or hydrogen ammonium or melamine polyphosphates, calcium carbonates, boric acid, borax or zinc borate, etc., in aqueous solution or suspension, whose water content will be 56% by weight.
  • This set of flame retardant additives are referred to as component B, and will represent 65% by weight of the final flame retardant composition.
  • One of the compositions of the mixture B that gave very good results and has been used repeatedly is: 56% water, 22% magnesium hydroxide (identical effects are obtained by using aluminum hydroxide), 22% ammonium polyphosphate.
  • the final flame retardant composition AB was prepared by adding the solution or suspension of component B onto the solution of component A, stirring until obtaining a homogeneous composition.
  • the amount of AB composition that is required to deposit on the substance to be protected depends on the characteristics thereof. Thus, for example, for a foam or for pulp it is usually sufficient to deposit a dry residue of the composition AB similar, or slightly lower, to the mass of material to be protected. That is, if polyurethane foams of densities between 18-20 kg / m 3 are used , the mass of the composition AB that must be incorporated by coating the foam is similar with what the minimum density to reach, once dry, is between 38-40 kg / m 3 . In this way, effective protection is achieved so that these materials do not act by propagating the flames. It is necessary to take into account that the flame retardant composition AB is composed in total by 53.8% of water and this is eliminated during drying. Pure urea polyacrylate will represent a weight percentage of 17.6% of the flame retardant composition AB and will be the major component of all those that have a flame retardant character.
  • Urea polyacrylate adheres to the indicated materials without the need for other adhesives and is able to keep the material attached to protect the other species that accompany it in the composition.
  • Any polyacrylate does not contribute to improving the flame retardant nature of a flame retardant composition for application on some flammable materials (cotton fabrics, polyurethane foams, paper ).
  • Some flammable materials cotton fabrics, polyurethane foams, paper .
  • Four types of compositions with flame retardant polyacrylates are presented below and some tests are carried out on materials for their evaluations: TESTING.
  • the 15x30x140 mm samples were exposed at one end to the flame of a lighter that directly affected the sample for 15 seconds, after which the flame was removed and the fire spread in time and burned length was observed in the sample, or the extinction of combustion once the flame is removed from the lighter.
  • the test was performed in an extractor hood without connecting the extraction during the test.
  • the 15x120x320 mm samples were introduced in a steel frame that had an open side and slid through a guide inside a chamber with holes arranged for air intake and ventilation, and with a glazed side that allows observing the behavior of the sample.
  • the free foam end was exposed for 15 seconds to the flame of a bunsen burner located inside the chamber. After 15 seconds, the foam was removed from the flame and the propagation in time and the length burned in the sample was observed, or the combustion was extinguished once the direct action of the lighter flame was removed.
  • Figure 1 shows the image of the front and back of a sample of foam treated with the AB composition that we have indicated, after 15 seconds of exposure to the flame of a bunsen type lighter. Once exposure to the lighter flame ceases combustion ceases instantly.
  • Figure 2 shows the image of the front and back of a foam sample treated with a composition A'B 'different from AB,
  • This composition A ' B ' has component A' (32% of the mixture A ' B ') based on 43% sodium polyacrylate and 7% water 50% polyacrylic acid); and as component B '(68% of the mixture A'B') prepared with AI (OH) 3 24.5%, melamine dihydrogenodiphosphate 24.5% and water 50.5%)].
  • AI OH
  • Ammonium polyacrylates provided a flame retardant character, although less than urea polyacrylate.
  • a major drawback is that, both the composition and the impregnated material give off a strong ammonia odor, so their handling, given the toxicity of this species, is dangerous and more, on an industrial scale.
  • Melamine is a known additive that gives flame retardant properties to materials, but it cannot be prepared as melamine polyacrylate since melamine is insoluble and does not react with polyacrylic acid. Moreover, melamine did not even show good dispersion in polyacrylic acid, being in the form of lumps and hindering the application of the treatment composition. That is, it is better to provide melamine in the form of some type of phosphate or as such a product without using polyacrylates.
  • 2.4.- Glycine polyacrylate is a known additive that gives flame retardant properties to materials, but it cannot be prepared as melamine polyacrylate since melamine is insoluble and does not react with polyacrylic acid. Moreover, melamine did not even show good dispersion in polyacrylic acid, being in the form of lumps and hindering the application of the treatment composition. That is, it is better to provide melamine in the form of some type of phosphate or as such a product without using
  • Glycine polyacrylate contributes to the flame retardant nature of composition B, but less than urea polyacrylate.
  • urea polyacrylate contributes to the flame retardant nature of composition B, but less than urea polyacrylate.
  • impregnation of foams it is necessary to incorporate at least 25 to 30% more dry flame retardant composition to the material to be protected. This is in accordance with the lower nitrogen content of glycine with respect to urea.
  • the samples treated with this species are those that, in the experiences against the flame, showed a behavior more similar to the cases in which urea polyacrylate is used.
  • composition containing glycine polyacrylate shows a high viscosity, which is a difficulty in achieving a homogeneous composition, impairs the process of impregnating the materials and hinders their drained.
  • the solution C1 of glycine polyacrylate also supposes in this case 35% by weight of the mass of the flame retardant composition C1-B and pure glycine polyacrylate, which is the major component of all those that have a flame retardant character, It represents 18% by weight.
  • the impregnation of foams or other material with this composition is difficult due to its high viscosity.
  • a longer treatment is required to achieve the penetration of the C1-B composition inside the foam and on the other, the draining proved problematic, since the dry material density was not reduced from 60-65 kg / m 3 .
  • the fire behavior of the samples treated with the C1-B composition was analogous to those impregnated with the AB composition.
  • C2-B a flame retardant composition
  • B represents the same component that has been indicated previously
  • C2 is the same component of glycine C1 polyacrylate to which a greater amount of water is incorporated.
  • the less viscous composition was prepared by the following procedure: 62 g of glycine was added on a solution of 1,118 g of the polyacrylic acid in 120 ml of water and the composition was vigorously stirred for 5 minutes; then about 395 g of water (29.5% of the weight of the flame retardant composition) were added to decrease the density, of what has been called component C2.
  • the amounts expressed refer to pure reagents. Then the suspension containing the other flame retardant additives (component B) was added. The C2 solution of glycine polyacrylate in this case accounted for 51.7% by weight of the mass of the flame retardant composition C2-B and pure glycine polyacrylate 13.4%, while component B accounted for 48.3 %.
  • the total amount of water used for the use of this C2-B glycine polyacrylate is 64.6% more than that used with urea polyacrylate.

Abstract

La presente invención se refiere a una composición acuosa de poliacrilato de urea, a su uso como retardante de llama o bien como aditivo ignifugante en materiales porosos y al procedimiento de obtención de dicha composición.

Description

COMPOSICIÓN DE POLIACRILATO DE UREA COMO RETARDANTE DE
LLAMA
La presente invención se refiere a una composición de poliacrilato de urea, a su uso como retardante de llama o bien como aditivo ignifugante en materiales porosos y al procedimiento de obtención de dicha composición.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR Durante las últimas décadas, la sustitución de materiales convencionales por polímeros sintéticos ha aumentado de forma importante debido a la multitud de aplicaciones, pero la mayoría de ellos son extremadamente inflamables y en presencia de una fuente de calor y de oxígeno se queman fácil y rápidamente. La estrategia comúnmente más utilizada para minimizar la inflamabilidad de un material, es la incorporación de sustancias retardantes a la llama. Aunque en los últimos años ha habido un incremento en el número de heteroelementos utilizados en compuestos retardantes a la llama, el mercado está todavía dominado por compuestos que contienen halógenos, especialmente cloro y bromo. Estos compuestos, son muy efectivos ya sea como aditivos o como reactivos pero presentan un inconveniente importante: incrementan las cantidades de humos y productos de descomposición tóxicos que se desprenden durante la combustión del polímero. Es por ello, que cada vez más se están buscando nuevos retardantes de la llama libres de halógenos, que respeten el medio ambiente y no resulten agresivos.
El hecho de añadir un compuesto halogenado a la resina tiene como principal inconveniente la generación de gases y humos corrosivos sobre los aditivos de combustión.
La demanda de retardantes de llama modernos ha cambiado considerablemente durante los últimos años. Además de la efectividad en caso de incendio, las consideraciones relativas al medio ambiente también juegan un papel fundamental en todas las fases del ciclo de vida del producto desde la producción, transformación, aplicación y reciclado. Además los retardantes de llama son una parte importante de la protección ignífuga; no sólo minimizan el riesgo de que un incendio comience, sino también de que se expanda, otorgando un incremento en el tiempo para escapar de un incendio y al mismo tiempo protege a las personas, características y el medio ambiente.
Aunque el ácido bórico y sus sales han sido empleados como aditivos retardantes a la llama desde 1800, han sido menos estudiados que los compuestos de fósforo, halógeno y antimonio. La mayoría de retardantes a la llama que contienen boro se descomponen térmicamente generando ácido bórico liberando agua en una reacción endotérmica, por tanto, pueden actuar como retardantes físicos al absorber calor en el proceso de descomposición, diluir los volátiles en la fase gaseosa o formar una capa de vapor de agua sobre la fase sólida. Además, el ácido bórico puede actuar de forma similar al ácido fosfórico formando un recubrimiento intumescente que incrementa la efectividad de la capa protectora. Como se describe en la solicitud de patente (WO/2009079596) para la protección de materiales celulósicos.
El uso de las mezclas de ácido bórico-bórax (H3B03/Na2B407 · 10H2O) en compuestos de celulosa dio lugar a una de las primeras teorías de la retardancia a la llama. Estas composiciones de ácido bórico-bórax han sido utilizadas como retardantes de llama no duraderos para los materiales celulósicos tales como algodón, papel, aislamientos y paneles de celulosa o madera. Otros aditivos comúnmente utilizados en lugar del ácido bórico, son los boratos de zinc en combinación con otro retardante de llama (óxido de antimonio, trihidrato de alúmina o fuentes de halógenos), generalmente en materiales celulósicos (S. Bourbigot, M. L. Bras, R. Leeuwendal, K. K. Shen, D. Schubert, Polym. Dearad. Stabil., 64, 419(1999)), y los ácidos fenilborónicos, como en el caso de sistemas acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) y policarbonatos (A. B: Morgan, J. L. Jurs, J. M. Tour, J. Appl. Polvm. Sci., 76, 1257 (2000)). Los ácidos fenilborónicos por calentamiento dan lugar a boroxinas, las cuales contribuyen a la formación de residuos carbonosos e impiden que las moléculas combustibles pasen a la fase vapor. La desventaja de usar antimonio es que presenta elevada toxicidad. Los compuestos organoborados que actúan como reactivos retardantes a la llama, no han sido estudiados hasta, relativamente, hace poco tiempo, sin embargo, los resultados obtenidos sobre la retardancia a la llama, en los diferentes polímeros modificados químicamente con compuestos de boro, han sido satisfactorios. Entre los estudios realizados, se ha descrito la modificación química de poliestireno con catecolborano y la del alcohol polivinílico y sus copolímeros con estireno, mediante la incorporación de ácido bórico. También se ha descrito la copolimerización de compuestos alílicos que contienen boro con bismaleimidas (G. Liang, J. Fan, J. Appl. Polym. Sci., 73, 1623 (1999)), la incorporación de ácido bórico en resinas fenol formaldehído y la modificación química de espumas de poliuretano con boratos.
Actualmente se preparan retardantes de llama con resinas acrílicas y melanina (Chuen-Shii Chou, Sheau-Horng Lin, Chin-I Wang; Advanced Powder Technology, 20, (2009) 169-176), sin embargo su obtención se realiza controlando el pH, y por lo general no presentan una buena dispersión a la hora de aplicarlo a los distintos materiales.
Es de gran importancia que los aditivos ignifugantes añadidos a las resinas mantengan inalterables el resto de propiedades físicas del material. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona una composición de poliacrilato de urea como principal componente, para su uso como retardante de llama o bien como aditivo ignifugante, también proporciona un procedimiento para su obtención.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a una composición que comprende poliacrilato de urea, preferiblemente el porcentaje en peso total del poliacrilato de urea está entre el 10 y el 35%.
La composición en una realización preferida está caracterizada por contener además aditivos ignifugantes que se seleccionan entre hidróxidos, óxidos, fosfatos, carbonatos, boratos metálicos o cualquiera de sus combinaciones.
Los metales del aditivo en una realización más preferida se seleccionan entre los elementos de los grupos 2 (Be, Mg, Ca, Sr y Ba), 12 (Zn), 13 (B, Al, Ga, In) o cualquiera de sus combinaciones. Encontrándose en otra realización más preferida estos aditivos en un porcentaje en peso total entre el 20 el 36%.
Preferiblemente la composición va a contener agua, encontrándose más preferiblemente en un porcentaje del 45 al 60% en peso.
En un segundo aspecto, la presente invención se refiere al uso de la composición descrita anteriormente como retardante de llama o ignifugante.
Los retardantes de llama previenen las reacciones químicas en la llama o crean una capa carbonizada en la superficie que evita que el combustible se ponga en contacto con el oxígeno del aire. Por lo que es importante que el retardante recubra de forma homogénea el material a proteger, en la presente invención la composición retardante con poliacrilato de urea se adhiere perfectamente y de forma homogénea al material. Y además no requiere de un dispersante adicional. Esta composición retardante o ignífuga se utiliza, por tanto, para proteger distintos tipos de materiales porosos, y el componente descrito (poliacrilato de urea) presenta por si mismo un cierto carácter retardante a la llama, lo que lo hace propicio para ser usado en la preparación de mezclas ignifugantes de éste o de otros tipos.
En una realización preferida los materiales que pueden ser protegidos por esta composición ignífuga son materiales porosos que son utilizados en los distintos sectores: construcción, electrónica y transporte entre otros; ya que se emplean en una realización más preferida para proteger materiales como polímeros (termoestables y termoplásticos), textiles, celulósicos (papel, cartón o madera), pinturas y materiales compuestos. Preservando las características físicas y el aspecto del soporte sobre el que se aplica.
En la presente invención se entiende por "material compuesto" aquel formado a partir de dos o más tipos de materiales y que se caracteriza por poseer unas propiedades mejores que las de los materiales constituyentes por separado. Otra característica de esta composición de poliacrilato de urea, es que actúa sinérgicamente con otros aditivos retardantes de la llama o ignifugantes clásicos como los descritos anteriormente. Si bien ninguno de ellos usado en exclusiva permite proteger los materiales a tratar, su uso combinado en las proporciones adecuadas conllevan a un efecto sorprendente, para la cantidad de mezcla aplicada.
Por tanto, la utilización de la composición de poliacrilato de urea junto con otros aditivos retardantes en solución acuosa, confiere propiedades adecuadas de retardante de llama con bajos porcentajes de carga, es decir, la cantidad de la composición protectora necesaria para depositar sobre el material a proteger es relativamente pequeña. De esta forma, además de su uso como retardante de llama, la composición de la presente invención también se refiere a su uso como aditivo en una composición retardante de llama.
Un tercer aspecto de la presente invención se refiere al procedimiento de obtención de la composición según se ha descrito anteriormente, que comprende la preparación de poliacrilato de urea, a partir de ácido poliacrílico y urea en solución acuosa, con una estequiometría en una relación entre 2:1 y 2:1 ,5. De forma que se obtiene el poliacrilato de urea de fórmula (I) total o parcialmente neutralizado.
Figure imgf000007_0001
(I)
En una realización preferida el ácido poliacrílico empleado es de peso molecular entre 1000 y 1500 g/mol, en otra realización preferida tiene además una polidispersidad de entre 1 ,05 y 1 ,35 En una realización preferida el procedimiento está caracterizado por comprender además la adición de una solución acuosa con aditivos ignifugantes clásicos según se ha descrito anteriormente.
El procedimiento y la aplicación de la mezcla de composición de poliacrilato de urea es sencillo, presentando una elevada penetrabilidad en el material a tratar lo que mejora la protección y consigue una impregnación uniforme.
La versatilidad del tipo de composición ignífuga resuelve con sólo un componente el problema de la utilización simultánea de un ligante y un dispersante para la preparación de mezclas con las que son tratados diversos materiales para proporcionarles características ignífugas o retardantes de llama. Pues como se ha comentado anteriormente, este tipo de composición posee por si misma cierto carácter ignífugo mientras que los ligantes y dispersantes habitualmente utilizados por la industria son combustibles. Además, los agentes que actualmente se emplean como dispersantes o para facilitar la adherencia, no contribuyen adecuadamente al carácter ignífugo de las mezclas, siendo en algún caso inflamables por si solos, y/o contienen especies halogenadas que tienen carácter contaminantes (como es el caso de los cloruros de polivinilo, decabromobifenilo...). En el caso de la presente invención, es de gran interés, ya que no posee haluros contaminantes, y por tanto la mezcla retardante de llama no presenta olores desagradables, ni tóxicos.
Otra de las ventajas destacadas del poliacrilato de urea es que facilita la suspensión de los otros aditivos siempre que su tamaño de partícula sea pequeño y que por consiguiente su densidad sea del orden de 0,9 g/cm3 o inferior.
A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y figuras se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1 : Muestra la imagen del anverso y el reverso de una muestra de espuma de poliuretano tratada con la composición AB, tras 15 segundos de exposición a la llama de un mechero tipo bunsen. Figura 2: Muestra la imagen de del anverso y el reverso de una muestra de espuma de poliuretano tratada con una composición A'B', tras 15 segundos de exposición a la llama de un mechero tipo bunsen. EJEMPLOS
A continuación se ilustrará la invención mediante unos ensayos realizados por los inventores, que pone de manifiesto la especificidad y efectividad de la composición de poliacrilato de urea como agente ignífugo.
1.- OBTENCIÓN DEL POLIACRILATO DE UREA Y EMPLEO EN UNA MEZCLA RETARDANTE DE LA LLAMA.
La obtención del poliacrilato de urea se lleva a cabo a partir del ácido poliacrílico y urea con una estequiometría 2:1 , considerando la unidad monómera del ácido acrílico. De los ácidos poliacrílicos ensayados, los mejores resultados se han obtenido con ácidos poliacrílicos de peso molecular de entre 1000 y 1500 g/mol y una polidispersidad de alrededor de 1 ,18. Así, un procedimiento para la preparación de 1 kg de composición ignifugante (en adelante composición A-B) sería:
- Preparación de la disolución de poliacrilato de urea (componente A): se adicionaron 52 g de urea sobre una disolución de 124 g del ácido poliacrílico en 124 mi de agua y la mezcla se agitó vigorosamente durante 5 minutos; seguidamente se le adicionaron unos 50 g de agua (5% del peso final de la mezcla ignifugante) para disminuir la densidad. La disolución A de poliacrilato de urea preparada, constituyó aproximadamente el 35% de la masa de la composición ignifugante. Las cantidades expresadas se refieren a los reactivos puros. - Preparación de la solución de aditivos ignifugantes (componente B): El componente B puede tener múltiples composiciones dependiendo de los reactivos empleados para su composición, todas ellas con similar actividad como retardante de llama, por lo que, para que la efectividad de esta composición preparada sea óptima, el poliacrilato de urea se realizó acompañando de algunos, y en otros casos varios de los aditivos ignifugantes de llama habituales como hidróxidos metálicos de elementos de los grupos 2, 12 y/o 13, también se adicionaron otros aditivos como lo son los fosfatos, polifosfatos o hidrogenopolifosfatos de amonio o melamina, carbonatos de calcio, ácido bórico, bórax o borato de zinc, etc, en disolución o suspensión acuosa, cuyo contenido en agua será de un 56% en peso. Este conjunto de aditivos ignifugantes se denominan como componente B, y representará el 65% en peso de la composición ignifugante final. Una de las composiciones de la mezcla B que dio muy buenos resultados y se ha utilizado repetidamente es: 56% de agua, 22% hidróxido de magnesio (efectos idénticos se obtienen al emplear hidróxido de aluminio), 22% polifosfato amónico. - La composición ignifugante final A-B se preparó añadiendo la disolución o suspensión del componente B sobre la disolución del componente A, agitando hasta obtener una composición homogénea.
La cantidad de composición A-B que se requiere para depositar sobre la sustancia a proteger depende de las características de la misma. Así por ejemplo, para una espuma o para pasta de papel suele ser suficiente depositar un residuo seco de la composición A-B similar, o ligeramente inferior, a la masa de materia a proteger. Es decir, si se utilizan espumas de poliuretano de densidades entre 18-20 kg/m3, la masa de la composición A-B que se debe incorporar recubriendo la espuma es similar con lo que la densidad mínima a alcanzar, una vez seca, es entre 38-40 kg/m3. De este modo se consigue una protección efectiva para que estas materias no actúen propagando las llamas. Es preciso tener en cuenta, que la composición ignifugante A-B está compuesta en total por un 53,8% de agua y esta se elimina durante el secado. El poliacrilato de urea puro supondrá un porcentaje en peso del 17,6% de la composición ignifugante A-B y será el componente mayoritario de todos los que presentan carácter de retardante de llama.
El poliacrilato de urea se adhiere a los materiales indicados sin necesidad de otros adhesivos y es capaz de mantener adheridas al material a proteger a las otras especies que le acompañan en la composición. 2.- VENTAJAS COMPARATIVAS DEL POLIACRILATO DE UREA COMO RETARDANTE DE LLAMA RESPECTO A OTROS POLIACRILATOS.
Cualquier poliacrilato no contribuye a mejorar el carácter ignifugante de una composición retardante a la llama para su aplicación sobre algunos materiales inflamables (tejidos de algodón, espumas de poliuretano, papel...). A continuación se exponen cuatro tipos de composiciones con poliacrilatos de carácter ignífugo y se realizan unos ensayos sobre materiales para sus evaluaciones: REALIZACIÓN DE ENSAYOS.
Ensayos precisos y repetidos se llevaron a cabo empleando espumas de poliuretano, y en algunos casos, como en el caso de la composición descrita, también se probó el comportamiento cualitativo con materiales como papel y de algodón, empleando para los ensayos tanto tiras de papel como de tejido de algodón, encontrando en todos los casos un buen comportamiento retardante a la llama.
El procedimiento experimental seguido en el caso de las espumas se describe a continuación: se recortaron piezas de espuma de poliuretano de 15 mm de grosor de dimensiones 30x140 mm y de 120x320 mm. Se pesaron estas muestras y seguidamente se impregnaron con la composición retardante de la llama a ensayar, se escurrieron y se secaron en estufa a unos 1 109C. Las esponjas impregnadas, una vez secas, se pesaron de nuevo para determinar la nueva densidad de la espuma y conocer la cantidad de composición que se ha incorporado. La cantidad de composición incorporado depende del escurrido, de modo que regulando éste se puede conseguir la incorporación de mayor o menor cantidad. Es evidente que las composiciones más viscosas resultan más difíciles de impregnar y escurrir.
Las muestras una vez preparadas se probaron por exposición a la llama del siguiente modo:
- Las muestras de 15x30x140 mm se expusieron por uno de los extremos a la llama de un mechero que incidía directamente sobre la muestra durante 15 segundos, al cabo de los cuales se retiró la llama y se observó la propagación del fuego en tiempo y longitud quemada en la muestra, o bien la extinción de la combustión una vez retirada la llama del mechero. El ensayo se realizó en una campana extractora sin conectar la extracción durante el ensayo.
- Las muestras de 15x120x320 mm se introdujeron en un marco de acero que presentaba un lado abierto y deslizó por una guía en el interior de una cámara con unos orificios dispuestos para entrada de aire y ventilación, y con un lateral acristalado que permite observar el comportamiento de la muestra. El extremo de la espuma libre se expuso durante 15 segundos a la llama de un mechero bunsen situado en el interior de la cámara. Transcurridos los 15 segundos, la espuma se retiró de la llama y se observó la propagación en tiempo y la longitud quemada en la muestra o bien la extinción de la combustión una vez retirada de la acción directa de la llama del mechero.
De lós ensayos realizados con las composiciones mencionadas, se consideraron válidos solo aquellas con las que se producía la extinción inmediata al retirar la acción de la llama del mechero. Es decir, una vez retirada la fuente del fuego, la espuma no prosigue con su combustión. La figura 1 muestra la imagen de del anverso y el reverso de una muestra de espuma tratada con la composición AB que hemos indicado, tras 15 segundos de exposición a la llama de un mechero tipo bunsen. Una vez que cesa la exposición a la llama del mechero la combustión cesa instantáneamente.
La figura 2 muestra la imagen de del anverso y el reverso de una muestra de espuma tratada con una composición A'B' diferente de la AB, [Esta composición A'B' tiene como componente A' (32% de la mezcla A'B') a base de poliacrilato de sodio 43% y ácido poliacrílico 7% agua 50%); y como componente B' (68% de la mezcla A'B') preparado con AI(OH)3 24.5%, dihidrogenodifosfato de melamina 24.5% y agua 50.5%)]. Tras 15 segundos de exposición a la llama de un mechero tipo bunsen de la muestra de espuma tratada con la composición A'B', al retirar aquel, la llama permanece sobre la espuma seis segundos. Además, puede observarse que la llama penetra considerablemente y que la espuma pierde consistencia.
2.1. - Poliacrilato de sodio.
Cuando se usan poliacrilatos de sodio con contenido de un 30% como especie responsable de la adherencia del componente retardante B al material a proteger, las muestras así tratadas no presentaron una especial resistencia al fuego, comportándose casi como material sin tratar. Además, el material así tratado presentó un comportamiento "pegajoso".
2.2. - Poliacrilato de amonio.
Los poliacrilatos de amonio aportaron carácter ignifugante, aunque menos que el poliacrilato de urea. Un inconveniente mayor es que, tanto la composición como el material impregnado, desprenden un fuerte olor a amoniaco por lo que su manipulación, dada la toxicidad de esta especie, resulta peligrosa y más, a escala industrial.
2.3. - Ácido poliacrílico con melamina (1 :1). La melamina es un aditivo conocido que aporta a los materiales propiedades retardantes a la llama, pero no se puede preparar como poliacrilato de melamina ya que la melamina es insoluble y no reacciona con el ácido poliacrilico. Es más, la melamina ni siquiera presentó buena dispersión en el ácido poliacrilico, quedando en forma de grumos y dificultando la aplicación de la composición de tratamiento. Es decir, es mejor aportar la melamina en forma de algún tipo de fosfato o como tal producto sin emplear poliacrilatos. 2.4.- Poliacrilato de glicina.
El poliacrilato de glicina contribuye al carácter ignifugante de la composición B, pero menos que el poliacrilato de urea. Para obtener resultados análogos, en impregnación de espumas es necesario incorporar como mínimo entre un 25 y un 30% más de composición ignifugante seca al material a proteger. Esto está de acuerdo con el menor contenido en nitrógeno de la glicina con respecto a la urea. Con todo, las muestras tratadas con esta especie son las que, en las experiencias frente a la llama, mostraron un comportamiento más parecido a los casos en que se emplea el poliacrilato de urea.
Mayor diferencia existe en lo que se refiere a la viscosidad de las composiciones, así la composición que contiene poliacrilato de glicina muestra una elevada viscosidad, lo que supone una dificultad para conseguir una composición homogénea, perjudica el proceso de impregnación de los materiales y dificulta su escurrido.
2.4.a.- La preparación de una composición ignifugante denominada C1-B, donde B representa el mismo componente que se ha expuesto anteriormente y C1 el poliacrilato de glicina que se obtuvo por el siguiente procedimiento: se adicionaron 62 g de glicina sobre una disolución de 1 18 g del ácido poliacrilico en 120 mi de agua y la mezcla se agitó vigorosamente durante 5 minutos; seguidamente se le adicionaron unos 50 g de agua (5% del peso de la composición ignifugante final) para disminuir la densidad y viscosidad, obteniéndose lo que hemos denominado componente C1. Seguidamente se adicionó la suspensión que contiene las otras especies retardantes de llama (componente B). Las cantidades expresadas se refieren a los reactivos puros. La disolución C1 de poliacrilato de glicina supone también en este caso el 35% en peso de la masa de la composición ignifugante C1-B y el poliacrilato de glicina puro, que es el componente mayoritario de todos los que presentan carácter de retardante de llama, representa el 18% en peso. La impregnación de espumas u otro material con esta composición resulta difícil por su elevada viscosidad. Por un lado se requiere un tratamiento más prolongado para conseguir la penetración de la composición C1-B en el interior de la espuma y por otro, el escurrido resultó problemático no consiguiendo bajar la densidad del material seco de 60-65 kg/m3. Además, una vez seco se apreciaron grumos y al golpear el material desprendió pequeñas partículas. Sin embargo, el comportamiento frente al fuego de las muestras tratadas con la composición C1-B fue análogo a las impregnadas con la composición A-B.
2.4.b.- Con objeto de mejorar la impregnación y seguir comparando este poliacrilato con el de urea se prepararon dispersiones mas diluidas. En consecuencia se preparó una composición ignifugante denominada C2-B, donde B representa el mismo componente que se ha venido indicando con anterioridad y C2 es el mismo componente de poliacrilato de glicina C1 a la que se le incorpora mayor cantidad de agua. La composición menos viscosa, se preparó por el siguiente procedimiento: se adicionaron 62 g de glicina sobre una disolución de 1 18 g del ácido poliacrílico en 120 mi de agua y la composición se agitó vigorosamente durante 5 minutos; seguidamente se le adicionaron unos 395 g de agua (29,5% del peso de la composición ignifugante) para disminuir la densidad, de lo que se ha denominado componente C2. Las cantidades expresadas se refieren a los reactivos puros. Seguidamente se adicionó la suspensión que contiene las otros aditivos retardantes de llama (componente B). La disolución C2 de poliacrilato de glicina supuso en este caso el 51 ,7% en peso de la masa de la composición ignifugante C2-B y el poliacrilato de glicina puro el 13,4%, mientras que el componente B supuso el 48,3%.
La cantidad total de agua empleada para la utilización de este poliacrilato de glicina C2-B es un 64,6% más que la empleada con el poliacrilato de urea. La necesidad de eliminar todo el agua presente para obtener el material seco, implicó un mayor consumo de energía durante el proceso de secado, por lo tanto la utilización de una mayor proporción de agua en la composición supone un mayor coste energético.
Con la preparación de la composición C2-B se ensayó la protección de los materiales indicados reduciendo la cantidad de retardante depositado. Sin embargo el comportamiento de las espumas cuya densidad, una vez impregnadas con la composición C2-B y secas, es del orden de 47 kg/m3 o inferior presentaron un comportamiento peor frente a la llama permaneciendo esta unos segundos, antes de que se extinguiese, tras haber retirado el mechero. De los ejemplos, o ensayos comparativos expuestos anteriormente, entre los poliacrilatos indicados y el poliacrilato de urea se deduce que éste último resulta mucho mejor como aditivo, tanto por las propiedades como retardante a la llama, ya que consigue una mayor efectividad con menor cantidad de composición aplicada, como en lo que al procesado de la composición se refiere, pues posee una mayor solubilidad lo que contribuye a una mayor homogeneidad y una menor viscosidad de la composiciones a emplear. También el poliacrilato de urea resulta mejor aditivo a la composición en cuanto a su aplicación sobre los materiales a tratar pues posee mejores cualidades de distribución, impregnación y penetración en el material a proteger.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Composición que comprende poliacrilato de urea.
2. Composición según reivindicación 1 , donde el poliacrilato de urea tiene un porcentaje en peso total de la composición entre el 10 y el 35%.
3. Composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizada por contener además aditivos ignifugantes que se seleccionan entre hidróxidos, óxidos, fosfatos, carbonatos, boratos metálicos o cualquiera de sus combinaciones.
4. Composición según la reivindicación 3, donde los metales del aditivo se seleccionan entre los elementos de los grupos 2, 12, 13 o cualquiera de sus combinaciones.
5. Composición según las reivindicaciones 3 ó 4, donde los aditivos se encuentran en un porcentaje en peso total de la composición entre el 20 y el 36%.
6. Composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, donde además contiene agua.
7. Composición según la reivindicación 6, donde el contenido total de agua a la composición es del 45 al 60% en peso.
8. Uso de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, como retardante de llama.
9. Uso de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, como aditivo en una composición de retardante de llama.
10. Uso según cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, donde el retardante de llama se emplea para la protección de materiales porosos.
1 1. Uso según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, donde los materiales a proteger se seleccionan entre polímeros, textiles, celulósicos, pinturas o materiales compuestos.
12. Procedimiento de obtención de la composición según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, que comprende la preparación de poliacrilato de urea, a partir de ácido poliacrílico y urea en solución acuosa.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde el poliacrilato de urea en agua está con una estequiometría ácido poliacrílico: urea en una relación entre 2:1 y 2:1 ,5
14. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 ó 13, donde el ácido poliacrílico es de peso molecular entre 1000 y 1500 g/mol.
15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, donde el ácido poliacrílico tiene una polidispersidad de entre 1 ,05 y 1 ,35. 6. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado por comprender además la adición de una solución acuosa con al menos un aditivo ignifugante según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5.
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