Nuova generazione di pitture ritardanti di fiamma sostenibili per legno

Ana Mangas – AIMPLAS

L’esigenza di sviluppare materiali ritardanti di fiamma sostenibili è diventata una priorità tecnologica più che una semplice endenza. Settori quali quelli delle costruzioni, dell’arredamento, del trasporto e del design d’interni richiedono rivestimenti in grado di ridurre la propagazione della fiamma, limitando il rilascio del calore e le emissioni di fumo, specialmente quando sono applicati su substrati combustibili quale il legno o i pannelli di legno. Tuttavia, questi requisiti prestazionali devono coesistere con una struttura legislativa e ambientale sempre più restrittiva, dove non è più sufficiente che un additivo sia efficace contro le fiamme: deve anche allinearsi ai criteri di sicurezza chimica, di riduzione delle emissioni, di un uso efficiente delle risorse e, laddove possibile, con l’incorporazione di materie prime rinnovabili. Questo cambiamento di paradigma sta trasformandoprofondamente lo sviluppo dei ritardanti di fiamma.
Da sempre, molti sistemi ritardanti di fiamma si affidano a materie prime di origine fossile, a percorsi di sintesi basati sulla soluzione e a processi produttivi intensivi nelle fasi solvente, energia e raffinazione. Sebbene queste tecnologie abbiano consentito di produrre additivi funzionali di alta prestazione esse presentano dei limiti significativi dal punto di vista della sostenibilità in ambito industriale. Il consumo di solvente, la generazione di scarti, la variabilità associata ai processi multifase e la difficoltà di ottenere una progressione continua e pulita sono fattori che influiscono in modo decisivo sulla fattibilità di nuove soluzioni.
In questo contesto, la sostenibilità dei materiali ritardanti di fiamma deve essere compresa in una dimensione doppia. D’altra parte, esiste una sostenibilità del materiale stesso come la possibilità di progettare ritardanti di fiamma dai precursori interamente o parzialmente bio o almeno di ridurre la dipendenza da componenti chimici di origine fossile. D’altronde, esiste la sostenibilità del processo di produzione, che implica il ripensamento della sintesi dalla prospettiva di un’accelerazione di processo, semplificazione operativa e di riduzione al minimo dell’impatto sull’ambiente. È proprio in questo secondo aspetto dove la meccanochimica sta polarizzando sempre più interesse come percorso di sintesi avanzato.

La meccanochimica consente reazioni chimiche indotte dall’energia meccanica, evitando o riducendo drasticamente l’utilizzo di solventi e consentendo processi più compatti, più veloci e potenzialmente scalabili. Sebbene sia stata sempre interpretata principalmente come strumento di laboratorio, la sua integrazione nelle tecnologie continue come nel caso dell’estrusione bivite sta dando vita a uno scenario molto interessante per la produzionedi ad ditivi funzionali su scala preindustriale e industriale.
In questa cornice si colloca il progetto REFUGI, finalizzato allo sviluppo di ritardanti di fiamma a base di fosforo sostenibile, ottenuto attraverso percorsi meccanosintetici continui, convalidati nelle formulazioni di vernici applicate su substrati d legno.

Dalla meccanochimica di laboratorio alla sintesi continua nell’estrusioni reattiva
In questo contesto, una delle maggiori sfide non consiste solo nell’individuare nuove molecole con effetto potenziale ritardante di fiamma, ma anche trovare percorsi produttivi che consentano una produzione più pulita, consistente e trasferibile. Questo è il punto in cui la meccanochimica inizia a acquisire una particolare importanza. Rispetto alle tecniche di sintesi convenzionali, basate su veicoli liquidi e sequenze di processo più lunghe, l’attivazione meccanica consente di generare materiali funzionali che attengono a differenti aspetti:
dipendenza inferiore dal solvente, meno fasi intermedie e superiore compatibilità con schemi produttivi continui. Questa transizione diventa particolarmente significativa quando la meccanochimica va oltre il laboratorio ed è integrata nelle tecnologie di processo continue con evidenti potenzialità industriali. L’estrusione reattiva a vite doppia rappresenta in questo caso una piattaforma molto interessante, in quanto associa in sé capacità di miscelazione intensiva, controllo termico, continuità di processo e scalabilità. Applicato allo sviluppo dei ritardanti di fiamma, questo approccio non solo consente di esplorare nuovi percorsi di sintesi, ma avvicina anche i materiali alla formulazione e agli ambienti di applicazione. In questa cornice il progetto REFUGI si concentra sullo sviluppo sostenibile degli additivi a base di fosforo ritardanti di fiamma grazie a una strategia meccanosintetica per poi confermarne l’efficacia nei rivestimenti di vernice per substrati di lignocellulosa.
Oltre all’interesse chimico dei composti ottenuti, il valore della tecnica deriva dalla dimostrazione del fatto che i materiali funzionali possono essere prodotti con un percorso produttivo intensificato con una chiara scalabilità potenziale per poi essere valutati nella prestazione antifiamma nei sistemi pratici. Grazie a questa piattaforma, sono state sviluppate diverse famiglie di materiali a base di fosforo e fosforo-azoto fra cui composizioni parzialmente o interamente bio. Lo scopo non era soltanto ottenere nuovi additivi, ma anche determinare se si fosse potuto prevedere una prestazione antifiamma competitiva, una volta incorporati nelle formulazioni reali di vernici. In altre parole, l’obiettivo non era dimostrare miglioramenti in test isolati su polveri sintetizzate, ma convalidare una proposta tecnologica completa: origine funzionale dell’additivo, processo produttivo sostenibile e prestazione finale nell’applicazione.

Materiali ritardanti di fiamma sostenibili: dalla chimica all’utilizzo finale
Uno degli aspetti più rilevanti del lavoro è che la sostenibilità è stata affrontata dal punto di vista olistico. Da una parte, sono stati esplorati i componenti chimici strutturali con funzionalità ritardante di fiamma, in molti casi di origine rinnovabile o parzialmente rinnovabile. Da un’altra, il processo produttivo è stato sviluppato fin dall’inizio come alternativa a percorsi con utilizzo intensivo di solvente e alle operazioni post-trattamento.

 

Questa combinazione è particolarmente interessante perché permette un’evoluzione verso additivi che non sono soltanto efficaci ma anche conformi ai requisiti attuali per un processo produttivo responsabile. Tuttavia, nel campo dei ritardanti di fiamma, il criterio fondamentale rimane la prestazione effettiva in condizioni d’uso. Per questa ragione, i materiali messi a punto nel progetto REFUGI sono stati incorporati nelle vernici a base solvente e applicati su pannelli MDF, un substrato molto rappresentativo per il suo uso molto diffuso nelle costruzioni di interni, arredamento e rivestimento. Questa fase di validazione è stata essenziale, dal momento che la risposta alla fiamma di un additivo dipende non solo dalla sua natura chimica ma anche dalle interazioni con la matrice, dalla sua dispersione, compatibilità e dal modo in cui contribuisce a formare barriere protettive durante la combustione. I risultati ottenuti mostrano che diverse formulazioni messe a punto offrono una prestazione molto competitiva rispetto ai prodotti di riferimento in commercio testati nello stesso sistema. In particolare, alcuni gruppi hanno mostrato valori massimi di rilascio di calore (pHRR), nel range di 85-90 kW/m2, oltre ai valori FIGRA pari a 0,09-0,10 kW/m2 al secondo, a indicare una chiara riduzione della fiamma e del tasso di sviluppo della fiamma. Inoltre, si è osservata una riduzione significativa del rilascio del calore sostenuto, testimoniata dai valori ridotti MARHE, così come la ridotta produzione di fumo in varie composizioni. Questo ultimo aspetto è particolarmente importante. In molti scenari reali, il fumo è uno dei fattori di sicurezza più critici, non solo per la sua tossicità potenziale ma anche per la ridotta visibilità e l’impatto indiretto sui tempi di evacuazione. A tal riguardo, alcune formulazioni REFUGI hanno mostrato valori totali di produzione di fumo (TSP) di molto inferiori rispetto a quelli osservati nelle soluzioni in commercio, pur mantenendo i livelli pHRR e FIGRA.
Si tratta di una combinazione particolarmente valida, perché una buona risposta alla criticità termica non è sempre accompagnata da riduzioni ugualmente significative di emissioni.

I risultati oltre la riduzione dei valori massimi di calore
Un altro importante risultato è rappresentato dalla risposta osservata in termini di ritardo dell’ignizione e di transizione temporale del rilascio del picco massimo di calore. Alcune formulazioni hanno mostrato tempi allungati di ignizione e un ritardo significativo del rilascio di calore nei suoi valori massimi, il che suggerisce la capacità non soltanto di ridurre l’intensità della fiamma ma anche di rallentarne lo sviluppo. Dal punto di vista della sicurezza, questo effetto può essere importante tanto quanto la riduzione del picco termico stesso perché offre una finestra temporale aggiuntiva per la conservazione, la risposta o l’evacuazione. Inoltre, diverse composizioni hanno dimostrato valori di perdita della massa pari a 0 durante il test. Ciò indica la formazione di un residuo protettivo stabile in grado di agire da barriera fisica contro la propagazione del calore e il trasferimento della massa. In questo contesto di rivestimenti su legno, questa risposta è particolarmente interessante perché suggerisce che il sistema non agisce solo come additivo disperso, ma contribuisce attivamente a formare una struttura protettiva efficace durante l’esposizione termica. Fra le categorie differenti che sono state studiate, sono stati osservati diversi profili di prestazione. Alcune composizioni si sono distinte grazie ad una combinazione ben bilanciata di bassi valori pHRR, FIGRA e livelli ridotti di fumo; altre hanno offerto una prestazione molto interessante in termini di ritardo dell’ignizione o di riduzione del rilascio di calore sostenuto. Questa diversità interna è, di fatto, uno dei punti di forza del lavoro in quanto dimostra che la piattaforma che è stata messa a punto non fornisce un’unica soluzione chiusa ma una categoria di materiali che possono essere personalizzati in base ai requisiti applicativi.

La rilevanza tecnologica e l’impatto potenziale
L’interesse rivestito da questi risultati non sta soltanto nel raggiungere dati relativi ad una prestazione antifiamma forte, ma nel fatto che essi derivano da una strategia che combina la progettazione chimica, la produzione sostenibile e la compatibilità con le formulazioni reali. In altre parole il progetto dimostra non soltanto che i ritardanti di fiamma possono essere sintetizzati con i percorsi meccanosintetici continui, ma anche che questi materiali possono essere integrati nelle vernici applicabili su substrati d’uso industriale e competere con le soluzioni già esistenti sul mercato. Questo ha implicazioni importanti a vari livelli.
Dalla prospettiva del processo, rinforza l’idea che la meccanochimica può andare oltre la sfera accademica e diventare uno strumento di produzione reale per additivi funzionali. Dal punto di vita del prodotto, esso apre le porte ai ritardanti di fiamma con un’impronta di processo potenzialmente inferiore oltre alla possibilità di incorporare materie prime bio. Dal punto di vista settoriale, esso avvia un percorso promettente per lo sviluppo di rivestimenti di generazione futura in applicazioni in cui la sicurezza anti-incendio è fondamentale, ma così come la sostenibilità, l’estetica e la compatibilità con le linee industriali esistenti.
In conclusione, REFUGI dimostra che lo sviluppo di ritardanti di fiamma sostenibili non dovrebbe essere più considerato come una semplice sostituzione di materie prime, ma come una ridefinizione completa della catena di valore, dalla sintesi all’applicazione finale. La combinazione di meccanochimica continua, di blocchi strutturali funzionali a base di fosforo e la convalida nelle vernici per legno permette di progredire verso soluzioni che sono sempre più conformi ai requisiti tecnologici attuali: materiali più sicuri, processi più puliti e un percorso molto vicino all’implementazione industriale.
Il progetto è parte integrante del programma di finanziamenti IVACE+i mirato ai centri tecnologici nella comunità di Valenza per progetti R&D non a scopo di lucro, svolti in collabora zione con le aziende per la domanda 2024, finanziato con il Fondo per lo Sviluppo Regionale Europeo (ERDF) dell’Unione europea nell’ambito del Programma Operativo il 2021-2027.

Note
1 MDF (truciolato a densità media): un truciolato di densità media ottenuto dall’estrazione delle fibre e dalla pressatura con le resine, utilizzate come substrato di lignocellulosa nei test della reazione alle fiamme.
2 pHRR (Grado massimo di rilascio di calore): valore massimo del grado di rilascio di calore (kW/m2) durante la combustione, a indicare l’intensità del picco della fiamma.
3 FIGRA (Indice del grado di crescita della fiamma): indice che si riferisce al grado di sviluppo della fiamma e del rilascio di calore; quanto più è basso il valore, minore è il contributo allo sviluppo della fiamma.
4 MARHE (Grado medio massimo di emissione di calore): media massima di emissione di calore nel corso del test, un parametro che rappresenta la severità generale della fiamma.
5 TSP (Produzione Totale di fumo): quantità totale di fumo generato durante la combustione (m2), associato al carico di fumo e alla visibilità durante l’incendio.

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