Desde el antiguo Egipto, la larga lucha contra el fuego

El descubrimiento del fuego suele presentarse como el más importante de la historia del hombre, tanto condicionó el desarrollo del género Homo. Al reducir la cantidad de energía necesaria para digerir los alimentos, la cocción ha provocado notablemente un aumento del cerebro.

Lel dominio del fuego parece haber sido adquirido hace unos 400 años incluso si se han detectado rastros de uso mucho más antiguos. Sin embargo, con la urbanización, el fuego también se ha convertido en una plaga si se propaga sin control. pensemos por ejemplo al gran incendio de Roma en el 64 dC al de la catedral de Notre Dame de París o incluso a los megaincendios que ahora asolan muchos países.

¿Qué es el fuego?

Un fuego requiere la conjunción de tres elementos: un combustible, un comburente y una fuente de calor, lo que se denomina triángulo del fuego. Estos elementos interactúan en un proceso complejo que involucra fenómenos físicos como la transferencia de calor y fenómenos químicos como la pirólisis de la fuente de combustible o la combustión de los productos de pirólisis.

Técnicamente se distingue entre reacción y resistencia al fuego. La reacción al fuego se refiere a los materiales combustibles, que pueden liberar calor durante su descomposición bajo el efecto de la temperatura y en presencia de un comburente (más a menudo oxígeno presente en el aire). La resistencia al fuego se refiere a la capacidad de un elemento para mantener su función portante y sus propiedades de aislamiento térmico y estanqueidad al gas y al humo durante un incendio. Como material combustible utilizado como elemento estructural en los edificios, la madera se ve afectada por estos dos aspectos que requieren normas específicas y ensayos diferentes.

Cuando se trata de extinción de incendios, hay dos estrategias que no son mutuamente excluyentes. El primero prevé el uso de los denominados dispositivos activos en caso de incendio: extintores, detectores de humo o extintores automáticos de agua. La segunda es utilizar materiales que contribuyan lo menos posible a la propagación del fuego.

ignifugación

Muchos materiales, como la mayoría de los plásticos o la madera, son inherentemente altamente combustibles y es necesario incorporar aditivos llamados retardadores de llama, los cuales, incorporados dentro o sobre la superficie de un material combustible, están destinados a cambiar su comportamiento al interrumpir el triángulo del fuego. .

Sus efectos son principalmente retrasar la aparición de la llama, ralentizar la velocidad de su propagación, reducir la liberación de calor y la potencia del fuego, limitar la opacidad del humo y su toxicidad. Todos estos efectos se evalúan mediante pruebas estandarizadas de reacción al fuego. Conducen a clasificaciones que determinan el uso potencial del material en una determinada aplicación de acuerdo con la normativa. No existe un retardante de llama universal. Un sistema ignífugo debe adaptarse al material que pretende proteger, teniendo especialmente en cuenta su proceso de descomposición. Además, la elección de un retardante de llama también está guiada por el proceso de fabricación del material y no debe alterar significativamente las propiedades funcionales esperadas.

Los arqueólogos sitúan los inicios de la ignifugación en la antigüedad. Los egipcios, alrededor del 400 a. J.-C., utilizó minerales para fabricar ciertos tejidos resistentes al fuego como el algodón o el lino. Más tarde, durante el asedio del Pireo (23 a. C.), se utilizaron soluciones de alumbre para hacer resistentes al fuego las murallas de madera. Entonces hubo que esperar hasta el 18 de junio de 1735 para que el inglés Obadiah Wyld presentara la primera patente, número de patente 551, sobre el tratamiento del algodón. En el siglo XNUMX, a petición del rey de Francia, Luis XVIII, hubo que encontrar un sistema eficaz para evitar incendios en los teatros parisinos iluminados con velas. Joseph Louis Gay-Lussac luego presentó una patente sobre el uso de una mezcla de fosfato de amonio, cloruro de amonio y bórax para la ignifugación de cortinas en teatros.

retardantes de llama

Existen varias familias de retardantes de llama, basadas en diferentes elementos químicos y con varios modos de acción. Históricamente, el moléculas halogenadas que contienen cloro o bromo, se han utilizado ampliamente debido a su eficacia, incluso en pequeñas cantidades. Estas moléculas actúan interrumpiendo las reacciones de combustión que tienen lugar en la llama, favoreciendo su extinción y limitando la cantidad de energía liberada. Esto se denomina inhibición de la llama. Sin embargo, la naturaleza tóxica de ciertos compuestos halogenados ha llevado a su prohibición. Debido a la imposibilidad de distinguir fácilmente durante el reciclaje el moléculas bromadas autorizados de los que están prohibidos, ya no es posible reciclar plásticos ignífugos con estos retardantes de llama. Además, estas moléculas conducen a la formación de humo opaco y corrosivo durante el incendio. Por todas estas razones, esta familia de retardantes de llama está ahora cada vez más en el banquillo.

Se sustituye principalmente por retardantes de llama de fósforo. Estos son de una variedad muy amplia y, por tanto, pueden actuar según diferentes modos de acción. Sin embargo, el principal modo de acción sigue siendo la promoción de una capa residual en la superficie del combustible que protege la parte sana del material. La estrategia consiste en interrumpir las reacciones de pirólisis (descomposición del material bajo la acción del calor) y promover la formación de un residuo rico en carbono y térmicamente estable llamado “char”. Algunos sistemas particularmente efectivos se denominan intumescentes porque el carbón forma una capa expandida, aislante y muy protectora. Este tipo de sistema intumescente se utiliza especialmente en revestimientos para proteger elementos metálicos o de madera.

También podemos mencionar los hidróxidos metálicos, que son económicos pero proporcionalmente menos efectivos y que, por lo tanto, deben incorporarse en proporciones elevadas (hasta un 65 % en masa en las cubiertas exteriores de los cables) para producir un efecto apreciable. Bajo el efecto de la temperatura, estas partículas liberan agua en forma de vapor por descomposición endotérmica, ayudando así a enfriar el material y diluyendo los combustibles en la llama.

Existen otros productos químicos, a base de nitrógeno (melamina), boro (borato de zinc) o estaño (hidroxiestannato), por ejemplo. La nanotecnología también se utiliza desde hace quince años en el campo de la protección contra incendios. Las nanopartículas del tipo arcilla laminar o nanotubos de carbono promueven el carácter aislante de la carbonilla formada, incluso en niveles bajos. Pero son insuficientes por sí solos para brindar una protección general al material.

¿Y la madera?

En general, los materiales de origen orgánico (del mundo vivo) como el petróleo, la madera o el carbón tienen en común una composición rica en átomos de carbono e hidrógeno, susceptibles de ser oxidados. Por lo tanto, son combustibles. La madera es un material de estructura compleja con una composición química elemental compuesta por la mitad de carbono (50%), oxígeno (44%) y una pequeña cantidad de hidrógeno (6%).

No muy densa, la madera tiene una capacidad natural para carbonizarse, es decir, se forma una capa protectora de carbón entre la madera sana y las llamas. Durante su combustión, la madera primero perderá agua para secarse completamente a 120°C. Luego, su estructura se descompone gradualmente con el aumento de la temperatura. Sus componentes son relativamente estables hasta los 250°C, temperatura por encima de la cual se observa una liberación de humo. A 320°C, la cantidad de gas es tal que puede encender la madera en el aire. La pirólisis tiene lugar principalmente hasta los 500 °C, después de lo cual solo queda carbón (char), que puede descomponerse lentamente por oxidación. Aunque la capa de carbón retarda la pirólisis de la madera sólida subyacente, su resistencia mecánica es, por otro lado, insignificante. A medida que avanza la pirólisis, la sección útil de un elemento estructural de madera se reduce y también su capacidad portante.

Los retardantes de llama utilizados para la ignifugación de la madera pertenecen a las familias mencionadas anteriormente (fósforo, boro, nitrógeno, hidróxidos metálicos). Sin embargo, a diferencia de los plásticos, no es posible integrar estos aditivos durante la fabricación de la madera. Por lo tanto, la protección contra el fuego se realiza de dos formas: la deposición de un revestimiento superficial (pintura, barniz) y la impregnación en el corazón de la madera, es decir, en la parte hueca, llamada lumen, de las células de la madera, mediante un proceso de autoclave. Esto implica llenar todos los lúmenes primero desgasificando al vacío y luego forzando la penetración del retardante de llama por sobrepresión. Esta solución más compleja permite evitar un deterioro del carácter ignífugo en caso de defectos superficiales. En el caso de un revestimiento, si se altera, deja de cumplir su función ignífuga y deja la madera desprotegida en caso de incendio.

Este artículo fue coescrito con Clément Lacoste (IMT – Mines Alès), Laurent Ferry (IMT – Mines Alès) y Henri Vahabi (Universidad de Lorena).

Rodolfo Sonnier, Ayudante del Maestro de las Escuelas de Minas, IMT Mines Alès – Instituto Mines-Telecom

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