Polymeric materials reinforced with vegetable fibres and additivated with natural flame retardants

Abstract

The rapid increase in the use of polymers and their impact on the current lifestyle is almost incalculable. Nowadays, it is difficult to find objects that do not contain plastic materials due to their price, lightness, insulation, and resistance characteristics, among others. Plastics are used in a wide variety of applications because they can be individually adapted to the requirements and needs of a certain product. In Europe, by sector, packaging is the largest field of application followed by construction and automotive industry, and in these last two sectors fire resistance of materials is key. The knowledge of the fire properties allows to predict how materials behave in case of fire, how combustion starts, evolves, and spreads, and enables us to find solutions to improve their behaviour. To minimize fire hazard and accomplish fire safety requirements, different solutions have been developed to prevent ignition or reduce the heat released during combustion of materials. For polymers, these methods include engineering approach, less flammable polymers, and flame retardant (FR) additives. The use of FR additives is the most common method because it is well-accepted, cost effective and relatively easy to incorporate. The term flame retardant is defined by ISO 13943 as “substance added, or a treatment applied, to a material in order to suppress or delay the appearance of a flame and/or reduce the flame spread rate”. Therefore, the term “flame retardant” refers to a function, not a family of chemicals. Classifying flame retardants by their nature, they can be separated into halogenated, phosphorous, nitrogenous, silicon compounds, carbonaceous, metal oxides and hydroxides, borates, nanoclays and natural flame retardants. Those based on halogenated compounds have been the most used ones due to their effectiveness, cost, availability, and the industry's extensive experience with this class of additives. However, these compounds are harmful to health and the environment, thus, new environmental regulations have entered into force that limit and even prevent their use. Finding alternatives is a great challenge for the industry of flame retardants because the other types of flame retardant are usually polymer specific, so one additive may work for a particular polymer while it may have no effect on another. The increasing concern in the environment has promoted several studies focused on the improvement of the sustainability of materials, industrial processes, and the management of the huge amount of polymeric waste produced in the world. For this reason, flame retardants based on natural sources are attracting a great deal of interest. Natural flame retardants are additives that can be obtained by simple isolation from natural or biological sources, therefore, they have high availability and enable industrial processes to be almost CO2 neutral. Additionally, the development of natural flame retardants from renewable resources also promotes the use of bio-based polymers in many technical fields, thus maintaining the sustainability of the composite as a whole and preserving its good environmental impact. However, research on natural flame retardants in biopolymers is still scarce and more research is needed in this field. In addition to the natural flame retardants and biopolymers, another option to improve the sustainability is the use natural fibres as reinforcement. The use of natural fibres is attractive because they are a renewable and biodegradable resource. Nevertheless, there are some disadvantages, such as quality variability, low impact resistance, limited processing temperatures and high combustibility. To improve the fire performance of composites, different strategies can be used, such as reducing the flammability of the matrix, the reinforcement or the whole composite. Regarding to the reinforcement, synthetic and natural chemical treatments can be applied to improve the fire resistance properties of natural fibres. Therefore, this thesis presents two main challenges, to improve the fire performance of plastic by using natural flame retardants, and to reduce the high combustibility of plant fibres. In summary, the main objective of this thesis is to develop polymeric composites reinforced with vegetable fibres and additivated with natural flame retardants, and then evaluate their fire resistance to determine their capacity to replace conventional reinforcement materials.

El rápido aumento del uso de polímeros y su impacto en el estilo de vida actual es casi incalculable. Hoy en día, es difícil encontrar objetos que no contengan materiales plásticos debido a sus características de precio, ligereza, aislamiento y resistencia, entre otras. Los plásticos se utilizan en una gran variedad de aplicaciones porque pueden adaptarse individualmente a los requisitos y necesidades de un determinado producto. En Europa, por sectores, el envasado es el mayor campo de aplicación, seguido de la construcción y la industria del automóvil, y en estos dos últimos sectores la resistencia al fuego de los materiales es clave. El conocimiento de las propiedades del fuego permite predecir cómo se comportan los materiales en caso de incendio, cómo se inicia, evoluciona y propaga la combustión, y permite encontrar soluciones para mejorar su comportamiento. Para minimizar el riesgo de incendio y cumplir los requisitos de seguridad, se han desarrollado diferentes soluciones para evitar la ignición o reducir el calor liberado durante la combustión de los materiales. En el caso de los polímeros, estos métodos incluyen un enfoque de ingeniería, polímeros menos inflamables y aditivos ignífugos (FR). El uso de aditivos ignífugos es el método más común porque está bien aceptado, es rentable y relativamente fácil de incorporar. El término retardante de llama se define en la norma ISO 13943 como "sustancia añadida, o un tratamiento aplicado, a un material con el fin de suprimir o retrasar la aparición de una llama y/o reducir la velocidad de propagación de la llama". Por tanto, el término "retardante de llama" se refiere a una función, no a una familia de sustancias químicas. Clasificando los retardantes de llama por su naturaleza, pueden separarse en halogenados, fosforados, nitrogenados, compuestos de silicio, carbonosos, óxidos e hidróxidos metálicos, boratos, nanoarcillas y retardantes de llama naturales. Los basados en compuestos halogenados han sido los más utilizados debido a su eficacia, coste, disponibilidad y por la amplia experiencia de la industria con esta clase de aditivos. Sin embargo, estos compuestos son perjudiciales para la salud y el medio ambiente, por lo que han entrado en vigor nuevas normativas medioambientales que limitan e incluso impiden su uso. Encontrar alternativas es un gran reto para la industria de los retardantes de llama, ya que los otros tipos de retardantes de llama suelen ser específicos de cada polímero, por lo que un aditivo puede funcionar para un polímero concreto mientras que puede no tener ningún efecto en otro. La creciente preocupación por el medio ambiente ha promovido varios estudios centrados en la mejora de la sostenibilidad de los materiales, los procesos industriales y la gestión de la enorme cantidad de residuos poliméricos que se producen en el mundo. Por este motivo, los retardantes de llama basados en fuentes naturales están despertando un gran interés. Los retardantes de llama naturales son aditivos que pueden obtenerse por simple aislamiento a partir de fuentes naturales o biológicas, por lo que tienen una alta disponibilidad y permiten que los procesos industriales sean casi neutros en CO2. Además, el desarrollo de retardantes de llama naturales a partir de recursos renovables también promueve el uso de polímeros de base biológica en muchos campos técnicos, manteniendo así la sostenibilidad del composite en su conjunto y preservando su buen impacto medioambiental. Sin embargo, la investigación sobre retardantes de llama naturales en biopolímeros sigue siendo escasa y es necesario seguir investigando en este campo. Además de los retardantes de llama naturales y los biopolímeros, otra opción para mejorar la sostenibilidad es el uso de fibras naturales como refuerzo. El uso de fibras naturales es atractivo porque son un recurso renovable y biodegradable. Sin embargo, presentan algunas desventajas, como la variabilidad de la calidad, la baja resistencia al impacto, las temperaturas de procesamiento limitadas y la alta combustibilidad. Para mejorar el comportamiento al fuego de los composites, se pueden utilizar diferentes estrategias como reducir la inflamabilidad de la matriz, del refuerzo o de todo el compuesto. En cuanto al refuerzo, para mejorar las propiedades de resistencia al fuego de las fibras naturales, se pueden aplicar tratamientos químicos sintéticos y naturales. Por lo tanto, esta tesis presenta dos retos principales, mejorar el comportamiento al fuego de la matriz plástica mediante el uso de retardantes de llama naturales, y reducir la alta combustibilidad de las fibras vegetales. En resumen, el objetivo principal de esta tesis es desarrollar composites poliméricos reforzados con fibras vegetales y aditivados con retardantes de llama naturales, y posteriormente evaluar su resistencia al fuego para determinar su capacidad para sustituir a los materiales de refuerzo convencionales.