Nos campos industriais modernos, polipropileno reforçado com fibra de vidro (PP/GF) , com sua baixa densidade, excelente resistência ao calor e à fluência e alta relação custo-desempenho, tornou-se uma “estrela em ascensão” em indústrias como fabricação de eletrônicos, aeroespacial e automotiva . Este material é frequentemente usado para produzir componentes leves e de paredes finas como um substituto para aço e plásticos de engenharia convencionais .

No entanto, o polipropileno em si é um material inflamável, com um índice de oxigênio limitante (IO) de apenas cerca de 17,0%. Durante a combustão, ele gera uma grande quantidade de gotejamentos flamejantes e libera calor significativo. Embora a adição de fibra de vidro (GF) alivie o fenômeno de gotejamento em certa medida, o chamado "efeito pavio" da GF prolonga o tempo de queima e aumenta a liberação de calor. Portanto, em aplicações críticas de segurança, o tratamento retardante de chamas de PP/GF é indispensável.

Vale ressaltar que o sistema retardante de chamas bromo-antimônio, outrora amplamente utilizado, foi restringido por regulamentações nacionais e internacionais, devido à fumaça tóxica liberada durante a combustão. Por exemplo, o éter decabromodifenílico e outros retardantes de chamas bromados já foram proibidos.

Como alternativa, sistemas retardantes de chama intumescentes de fósforo-nitrogênio sem halogênio estão ganhando atenção no campo das poliolefinas, graças à sua compatibilidade ambiental e às vantagens de custo. O pirofosfato de piperazina (PAPP), por exemplo, contém elementos de fósforo e nitrogênio, bem como grupos hidroxila abundantes, permitindo que atue simultaneamente como "fonte de ácido" e "fonte de carbono" em um sistema retardante de chama intumescente. Neste estudo, o PAPP foi composto com polifosfato de melamina (MPP) para formar um retardante de chama intumescente à base de PAPP. Sob uma carga constante de retardante de chama, a influência do teor de fibra de vidro no desempenho de compósitos PP/GF foi investigada sistematicamente.

Como o conteúdo GF influencia o desempenho do material?

1. Melhoria significativa na resistência à chama (GF < 30%)
À medida que o teor de fibra de vidro (FV) aumenta, o desempenho retardante de chamas dos compósitos PP/FV melhora. Por um lado, um maior teor de FV significa uma menor proporção de matriz de PP, o que reduz a geração de fragmentos inflamáveis durante a decomposição térmica. Ao mesmo tempo, a FV reduz a taxa de fluxo de fusão, aliviando efetivamente os problemas de gotejamento em amostras finas e permitindo que o material passe com mais facilidade nos testes de queima vertical. Por outro lado, a camada de carbono formada pelo retardante de chamas através do mecanismo de "formação de carvão em fase sólida" pode cobrir firmemente a superfície da amostra sem ser rompida por resíduos de FV em alta temperatura, isolando assim o calor e o oxigênio e reduzindo a liberação de voláteis combustíveis.

2. Mudanças na estabilidade térmica
A incorporação de GF em materiais poliméricos pode otimizar efetivamente múltiplas propriedades físicas. Por um lado, o GF melhora significativamente a estabilidade dimensional do compósito, tornando-o menos propenso à deformação sob condições ambientais variáveis. Por outro lado, a temperatura de distorção térmica (HDT) do material é notavelmente aumentada, melhorando significativamente sua resistência a altas temperaturas. A incorporação de GF altera a estabilidade térmica do material. Embora diminua a temperatura inicial de decomposição térmica de compósitos PP/GF retardantes de chama, aumenta significativamente sua estabilidade em altas temperaturas. Dados experimentais mostram que, quando o teor de GF aumenta para 25%, a Amostra nº 4 atinge uma taxa de resíduo de carbonização de 39,4% a 700 °C. Isso indica que, em temperaturas elevadas, a liberação de gases combustíveis é bastante reduzida, enquanto mais carbonetos sólidos não combustíveis são formados. Em uma atmosfera de ar, devido à degradação termo-oxidativa, a temperatura inicial de decomposição é menor do que em uma atmosfera de nitrogênio. Entretanto, em altas temperaturas, o resíduo de carvão de amostras com diferentes teores de GF permanece maior do que o de amostras sem GF, o que pode ser atribuído à estabilidade inerente do GF em altas temperaturas, pois ele é menos propenso à decomposição.

3. Efeito duplo no desempenho da combustão
Sob radiação térmica externa, o retardante de chamas FR-1420 forma uma camada isolante de carvão na superfície da amostra por meio de carbonização intumescente. Resultados experimentais mostram que, na Amostra nº 1 sem GF, a camada de carvão expandiu-se para uma espessura de cerca de 2,5 cm, enquanto a espessura da camada de carvão da Amostra nº 2 com 15% de GF aumentou para aproximadamente 6,2 cm. No entanto, quando o teor de GF foi aumentado, a espessura da camada de carvão diminuiu para cerca de 5,0 cm (Amostra nº 4). Esse fenômeno pode ser explicado pela alta estabilidade térmica do GF: ele pode servir como um "esqueleto de carvão" que suporta a expansão do carvão, mas o excesso de resíduo de GF em altas temperaturas impede o crescimento posterior do carvão.

Vale ressaltar que a incorporação de GF não afetou os principais parâmetros de combustão do material, como a taxa de liberação de calor de pico (PHRR), indicando que o desempenho geral de segurança contra incêndio permaneceu satisfatório. Além disso, devido à natureza inerte do GF e à proporção reduzida de matriz de PP, a liberação de voláteis inflamáveis durante a combustão foi diminuída, enquanto mais resíduos sólidos não combustíveis foram retidos em temperaturas elevadas. Conforme mostrado pela curva massa-tempo, amostras com GF exibiram maior massa residual em altas temperaturas, com menor liberação de calor e geração de fumaça. Índices de segurança contra incêndio, como o Fire Growth Rate Index (FIGRA) e a Maximum Average Heat Release Rate (MAHRE), não mostraram alterações significativas.

Conclusões

O retardante de chamas FR-1420, isento de halogênio, demonstra notável eficácia em compósitos PP/GF. Com a mesma carga de retardante de chamas, um maior teor de GF resulta em melhor retardância de chamas.

Embora o GF diminua a temperatura inicial de decomposição térmica, ele aumenta a estabilidade térmica em altas temperaturas.

Em testes de calorimetria de cone, o GF atua como um “esqueleto de carvão”, aumentando a espessura da expansão do carvão enquanto reduz a liberação total de calor (THR) e a produção total de fumaça (TSP), melhorando significativamente o desempenho de segurança contra incêndio de compósitos PP/GF.