Rivoluzione Ignifuga: Dico Addio agli Alogeni con Film Flessibili e Super Nanoparticelle!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di una cosa che mi sta davvero a cuore e che, credetemi, potrebbe cambiare le carte in tavola in un sacco di settori: la sicurezza dei materiali che usiamo tutti i giorni. Avete presente quanto i materiali polimerici, le plastiche insomma, siano ovunque? Dai rivestimenti delle auto, agli oggetti in pelle, passando per la stampa e mille altre applicazioni. Sono fantastici per la loro leggerezza, resistenza e facilità di lavorazione. Ma c’è un “ma”, un grosso “ma”: la loro infiammabilità.

Ecco, è proprio qui che entra in gioco la mia (e del mio team, ovviamente!) ultima fatica. Abbiamo lavorato sodo per sviluppare dei film polimerici a base di poliuretano che non solo fossero flessibili e performanti, ma anche ignifughi e, tenetevi forte, privi di alogeni! Sì, avete capito bene. Quegli alogeni che, sebbene efficaci come ritardanti di fiamma, quando bruciano rilasciano un sacco di gas tossici, pericolosi per noi e per l’ambiente. Era ora di trovare un’alternativa più “verde”, no?

Il Problema della Combustibilità e le Soluzioni Tradizionali

Migliorare le proprietà ignifughe dei film polimerici, specialmente per un polimero super utilizzato come il poliuretano, è una sfida cruciale. Di solito, ci sono due strade. La prima è aggiungere direttamente additivi ritardanti di fiamma alla matrice polimerica. Il problema? Spesso c’è scarsa compatibilità e diventa difficile ottenere una soluzione omogenea e stabile, con risultati non proprio brillanti. La seconda via è legare chimicamente i ritardanti di fiamma alla catena polimerica. Questo, in genere, offre una maggiore stabilità termica e nessun rischio che l’additivo “migri” nel tempo. Però, occhio: a volte si possono peggiorare le proprietà meccaniche a causa dell’incompatibilità degli additivi con il polimero.

Come dicevo, i ritardanti di fiamma a base di alogeni sono stati molto usati, ma il loro impatto ambientale e sulla salute è un campanello d’allarme che non possiamo ignorare. Per questo, la ricerca si sta concentrando su alternative “green” che contengono elementi come il silicio, il fosforo, l’azoto e il boro.

La Nostra Ricetta Innovativa: Addio Alogeni, Benvenuti Fosforo, Silicio e Boro!

E qui casca l’asino, o meglio, la nostra idea geniale! Abbiamo pensato: perché non combinare le forze? Abbiamo quindi sviluppato un monomero speciale contenente fosforo e silicio (lo abbiamo chiamato PSiMA) e lo abbiamo unito a delle nanoparticelle di tetraborato di calcio (CBO NPs). L’obiettivo? Creare dei film a base di poliuretano acrilato (PUA) fotopolimerizzabili, cioè che induriscono con la luce UV. Un processo, quest’ultimo, super efficiente, ecologico (poche o zero emissioni di composti organici volatili – VOC) ed economico.

Vi chiederete: perché proprio fosforo, silicio e boro?

• Il fosforo è un campione nel creare uno strato carbonioso protettivo (il cosiddetto “char”) e nel rilasciare radicali che “soffocano” la fiamma.
• L’azoto (presente nel poliuretano) aiuta diluendo i gas infiammabili con prodotti non combustibili come acqua e CO2.
• Il silicio contribuisce anch’esso alla formazione di uno strato carbonioso compatto, isolando il materiale.
• Il boro, infine, forma una sorta di rivestimento vetroso fuso sulla superficie del polimero, che isola dal calore e dall’aria.

La scommessa era che la sinergia tra questi elementi potesse darci risultati eccezionali. E indovinate un po’?

Come Nascono Questi Film Speciali? Un Tocco di Luce UV

La preparazione è relativamente semplice, il che è un altro punto a nostro favore. Abbiamo mescolato il nostro prepolimero di poliuretano acrilato (AUA) con il monomero PSiMA, le nanoparticelle CBO, un diluente reattivo (NVP) e un fotoiniziatore. Una bella mescolata in un bagno a ultrasuoni per rendere tutto omogeneo, qualche minuto in forno per eliminare le bolle, e poi via sotto la lampada UV per tre minuti. Et voilà! I nostri film ignifughi sono pronti.

Abbiamo preparato diverse formulazioni, variando le quantità di PSiMA e di nanoparticelle CBO, per trovare la combinazione perfetta. E credetemi, i risultati ci hanno entusiasmato!

La Prova del Fuoco: Risultati Sorprendenti!

Uno dei test chiave è l’Indice Limite di Ossigeno (LOI). In pratica, misura la minima concentrazione di ossigeno necessaria per sostenere la combustione di un materiale. Più alto è il valore, migliore è la resistenza alla fiamma. Il nostro film di PUA puro (chiamato PLU) aveva un LOI di 19.5. Già l’aggiunta del solo PSiMA o delle sole nanoparticelle CBO migliorava le cose, come ci aspettavamo.

Ma la vera magia è avvenuta quando li abbiamo combinati! La nostra formulazione migliore, chiamata PLU-60PSi-10NP (con 60 parti di PSiMA e 10 parti di CBO NPs per cento di resina), ha raggiunto un LOI del 27.2! È un incremento di quasi il 40% rispetto al film di PUA puro. Un risultato notevole, superiore anche ad altri sistemi riportati in letteratura che magari usano fluoro (che noi volevamo evitare per la sua tossicità).

Non solo: questo film ha mostrato una capacità di formare “char” (quello strato carbonioso protettivo di cui parlavo) del 14.5%, contro il misero 2.9% del film base. Questo char è fondamentale perché isola il materiale sottostante dal calore e dall’ossigeno, bloccando la propagazione della fiamma.

Non Solo Ignifughi: Stabilità Termica e Robustezza Meccanica

Ok, sono super ignifughi, ma come si comportano per il resto? Una delle nostre preoccupazioni era che l’aggiunta di PSiMA potesse peggiorare le proprietà fisiche. E in effetti, il solo PSiMA tendeva a ridurre leggermente la temperatura di decomposizione iniziale e alcune proprietà meccaniche, pur aumentando la flessibilità (il che non è male!).

Ma ancora una volta, l’accoppiata con le nanoparticelle CBO si è rivelata vincente. Non solo abbiamo ottenuto la massima resistenza alla fiamma, ma siamo riusciti a recuperare e persino migliorare le proprietà termiche e fisiche del polimero! Ad esempio, la stabilità termica del nostro film migliore è rimasta praticamente invariata rispetto al PUA puro, a differenza di altri sistemi dove l’aggiunta di ritardanti di fiamma la comprometteva.

Dal punto di vista meccanico, l’aggiunta di PSiMA rendeva i film più flessibili (l’allungamento a rottura aumentava), ma ne riduceva la resistenza a trazione. Le nanoparticelle CBO, invece, hanno agito come rinforzo, compensando questa perdita e, in alcuni casi, migliorando significativamente la resistenza a trazione, fino a raggiungere valori superiori a quelli del PUA di partenza, mantenendo una buona flessibilità. Anche la durezza, inizialmente ridotta dal PSiMA, è stata riportata ai livelli originali grazie alle nanoparticelle.

Abbiamo anche dato un’occhiata alla bagnabilità dei film misurando l’angolo di contatto con l’acqua. È interessante notare come l’aggiunta di PSiMA e nanoparticelle abbia generalmente portato a superfici più idrofobiche, un aspetto che può essere vantaggioso in molte applicazioni.

Uno Sguardo Avanzato: La Spettroscopia Terahertz

E non è finita qui! Abbiamo voluto esplorare una tecnica di caratterizzazione un po’ più di nicchia ma super interessante: la spettroscopia Terahertz (THz). Questa tecnica, non distruttiva, ci permette di “vedere” come i nostri additivi modificano le proprietà dielettriche dei film. E la cosa fichissima è che abbiamo trovato delle correlazioni interessanti tra le risposte dielettriche misurate con THz e le proprietà meccaniche dei film, come la resistenza a trazione e il modulo elastico. Questo apre la strada all’uso della spettroscopia THz come strumento complementare per valutare questi materiali compositi.

Un Futuro Più Sicuro e Flessibile: Le Applicazioni

Insomma, quello che abbiamo sviluppato non è solo un film più sicuro, ma un materiale che apre la porta a un sacco di possibilità. La combinazione sinergica del nostro monomero PSiMA e delle nanoparticelle CBO ci ha permesso di ottenere film di poliuretano acrilato fotopolimerizzabili con eccellente resistenza alla fiamma, senza usare alogeni e senza sacrificare (anzi, in alcuni casi migliorando!) le proprietà termiche e meccaniche.

Pensate alle applicazioni: rivestimenti per l’industria automobilistica, per la pelle sintetica, per la stampa, per gli inchiostri… ovunque sia richiesta flessibilità, buone prestazioni e, soprattutto, maggiore sicurezza contro il fuoco. Il metodo di preparazione è semplice e veloce, il che lo rende appetibile anche per l’industria.

Sono davvero entusiasta di questi risultati e convinta che questa ricerca possa contribuire significativamente a rendere i materiali che ci circondano un po’ più sicuri per tutti noi e per il nostro pianeta. E questo, per me, è ciò che conta davvero!

Fonte: Springer