Nanotubos de carbono como retardantes de llama: ¿es la cura peor que el frío?

Originalmente publicado en inglés por Howard Fairbrother
Publicado el 15 de enero del 2016
Traducido por Gellyz N. González Díaz y Juan A. Cintrón Cruz, Editado por Mariah Dooley

Según la Asociación Nacional de Protección contra Incendios de EE. UU., cerca del 20 por ciento de las muertes a causa de incendios en el hogar entre 2006 y 2010 ocurrieron por incendios donde el primer elemento en incendiarse fueron los muebles tapizados.1 Para tratar de evitar esto, muchos materiales de tapizado incorporan un retardante de llama: una mezcla de productos químicos que se añaden a materiales tales como plásticos y textiles para inhibir, suprimir o retrasar la destrucción del material cuando este es expuesto al fuego.2 Los retardantes de llamas, conocidos también como materiales ignífugos, se encuentran en muchos materiales cotidianos, desde textiles en cojines de asientos de aviones y uniformes militares hasta espumas de uretano en colchones infantiles y plastificantes en materiales de construcción y automotriz. 

Un sofá que aparenta no tener tapicería ignífuga. (Imagen de la figura 8)

El estado actual del asunto: éteres de difenilo polibromados

Algunos de los retardantes de llama más comunes utilizan un grupo de productos químicos llamados éteres de difenilo polibromados (PBDE por sus siglas en inglés). Sin embargo, se ha encontrado que los PBDE son recalcitrantes una vez que ingresan al medio ambiente – en otras palabras, persisten y se acumulan en lugar de dispersarse. Los PBDEs se han detectado en la sangre y la leche materna en la población de EE. UU., así como en la vida silvestre.3 La exposición prenatal a PBDE altera el desarrollo del cerebro fetal y se ha relacionado con retardaciones del desarrollo físico,4 IQ reducido y casos de déficit de atención.5 Estos retardantes de llama también pueden generar trastornos endocrinos 6 y también han sido implicados a contribuir a la infertilidad.7 Como consecuencia de los impactos ecológicos y en la salud humana, la producción y el uso de PBDEs se está eliminando en los Estados Unidos.

Decabromodifenil éter (DecaBPE), un ejemplo de un PBDE

¿Qué tiene todo esto que ver con la nanotecnología? Bueno, hay una variedad de tecnologías ignífugas alternativas, incluidos los nanomateriales, que podrían funcionar como sustitutos de los PBDEs, pero se deben evaluar antes de comenzar a utilizarse en productos comerciales. Como parte de este esfuerzo, la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés) se encargó recientemente de un estudio para evaluar la viabilidad del uso de nanotubos de carbono (CNT) como un posible reemplazo para los PBDEs en retardantes de llama en textiles de tapicería.8

¿Qué son los nanotubos de carbono? 

Los nanotubos de carbono (CNTs, por sus siglas en inglés) son cilindros tubulares de átomos de carbono que suelen tener algunos micrones de largo y unos pocos nanómetros de ancho. Los CNTs consisten en una matriz hexagonal de átomos de carbono enrollada en un cilindro largo, delgado y hueco (ver la figura a continuación); esta disposición significa que tienen áreas de superficie extremadamente altas y son muchas veces más largos que anchos (típicamente 100-1000 veces más largos).

Diagrama de un nanotubo de carbono de paredes múltiples (MWCNT) (imagen de Eric Wieser)

Existen dos formas estructurales de CNTs: nanotubos de pared simple (SWCNT) y de pared múltiple (MWCNT). Un SWCNT es una lámina simple de grafeno enrollada que, normalmente, está cerrada en los extremos, mientras que un MWCNT incluye dos o más cilindros concéntricos de carbono unidos por las fuerzas de van der Waals. 10 Las estructuras únicas de los CNTs dan lugar a una combinación de propiedades físicas y químicas, incluida una resistencia mecánica notablemente alta (p. ej., resistencias a la tracción 100 veces más grandes que el acero), combinadas con conductividades eléctricas y térmicas similares a las del diamante y el cobre, respectivamente.11,12 En el pasado, los CNTs eran tan costosos que no era práctico utilizarlos (alrededor de $1,000 por gramo para SWCNTs), pero los MWCNT ahora pueden producirse en masa por solo $100 por kilogramo. Esto significa que los MWCNTs se están convirtiendo en la opción más viable y rentable para algunas aplicaciones comerciales a gran escala. De hecho, el costo es cada vez menos un obstáculo para la comercialización de la mayoría de los productos nano-habilitados. 

¿Cómo funcionan los retardantes de llama? 

Si bien cada retardante de llama es único, prácticamente todos actúan mediante uno o más de los siguientes tres mecanismos generales: A) Se expanden o promueven la carbonización cuando se queman, formando una barrera para proteger el material subyacente o para sofocar la llama.2 Generan subproductos (sólidos o gases) que reducen la velocidad del calor liberado durante la combustión, reduciendo efectivamente la velocidad de combustión del material y la velocidad de propagación del incendio. C) Liberan moléculas de vida corta llamadas radicales libres que reaccionan con el material y otros subproductos de la combustión para disminuir la velocidad del incendio o detener la llama. Algunos retardantes de llama están diseñados para aprovechar dos o los tres de estos mecanismos a la vez.

 

Formación de una capa protectora basada en CNT durante la combustión de un revestimiento modificado con CNT. (imagen inspirada en Kashiwagi et al.13)

La investigación ha demostrado que cuando los MWCNTs se agregan como recubrimientos a los textiles de tapicería, estos se unen débilmente para formar una barrera. Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST por sus siglas en inglés) han demostrado que los CNTs pueden usarse para crear un revestimiento que reduce la inflamabilidad de la espuma que se usa comúnmente en tapicería en un 35 por ciento.14 Los CNTs también proporcionan su efecto retardante de llama a concentraciones más pequeñas en comparación con otros rellenos. Esto significa que se requieren menos CNTs para lograr el mismo efecto y, por lo tanto, son menos visibles en el producto final. Otra ventaja de los CNTs es que pueden aumentar las propiedades retardantes de la llama de un material y, al mismo tiempo, mejorar la resistencia del material o proporcionar un efecto de descarga electrostática (es decir, se reduce la estática durante el clima seco del invierno). El único gran obstáculo tecnológico que queda es descubrir cómo dispersar efectivamente los CNTs en todos los materiales para obtener el máximo beneficio. Pero esto no debe ser un gran obstáculo: la empresa de fabricación de CNTs, Nanocyl, ya está comercializando MWCNTs para su uso como retardantes de llama en textiles como las fundas de sofá y las cortinas. 

La barricada actual 

Un inconveniente de todo esto es que el uso de MWCNTs como retardantes de llama en los textiles de tapicería podría hacer que se liberen más MWCNTs en el medio ambiente. Existe una falta de consenso acerca de los efectos en la salud y de seguridad de los CNTs, lo que ha alimentado la preocupación por el temor de que podamos saltar “de la sartén al fuego” al reemplazar una toxina por otra que pueda resultar mucho más peligrosa.3 Es probable que, por el momento, estas preocupaciones estén deteniendo una comercialización a gran escala de esta tecnología. Lo que se necesita para llenar este vacío de información y hacer avanzar la discusión es información científica detallada que compare las ventajas y desventajas de reemplazar los PBDEs con los MWCNTs. Esto incluye información sobre las rutas de exposición y las tasas de liberación de estos dos retardantes de fuego durante sus ciclos de vida, así como datos detallados de toxicidad y comparaciones de costos de fabricación. Desafortunadamente, hasta que se disponga de una comparación lado a lado confiable basada en métricas cuantitativas, esta aplicación potencialmente positiva de la nanotecnología se verá obstaculizada por la incertidumbre y la inquietud de los fabricantes y los consumidores. 

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RECURSOS EDUCATIVOS (en inglés)

  • NOVA: On Fire virtual lab
  • Journal of Chemical Education classroom activity: Burning to Learn15 (puede requerir subscripción)

REFERENCIAS (algunas pueden requerir subscripción para ver artículo completo)

  1. Ahrens, M. Home Fires That Began With Upholstered Furniture [report]. National Fire Protection Association. 2011. Retrieved from http://www.nfpa.org/research/reports-and-statistics/fire-causes/household-products/upholstered-furniture.
  2. Laoutid, F.; Bonnaud, L.; Alexandre, M.; Lopez-Cuesta, J.-M.; Dubois, P., New prospects in flame retardant polymer materials: From fundamentals to nanocomposites. Materials Science and Engineering R 2009, 63, 100-125. doi: 10.1016/j.mser.2008.09.002
  3. Sass, J. (Feb 24, 2014). Carbon nanotube flame retardants – two wrongs don’t make a right. Switchboard: National Resources Defense Council Staff Blog. Retrieved from http://switchboard.nrdc.org/blogs/jsass/carbon_nanotube_flame_retardan.html.
  4. Herbstman, J.; Sjödin, A.; Kurzon, M.; Lederman, S.; Jones, R.; Rauh, V.; Needham, L.; Tang, D.; Niedzwiecki, M.; Wang, R.; Perera, F., Prenatal Exposure to PBDEs and Neurodevelopment. Environmental Health Perspectives 2010, 118, 712-719. doi: 10.1097/01.ede.0000340573.89899.1b
  5. Eskenazi, B.; Chevrier, J.; Rauch, S. A.; Kogut, K.; Harley, K. G.; Johnson, C.; Trujillo, C.; Sjödin, A.; Bradman, A., In Utero and Childhood Polybrominated Diphenyl Ether (PBDE) Exposures and Neurodevelopment in the CHAMACOS Study. Environmental Health Perspectives 2013, 121, 257-262. doi: 10.1289/ehp.1205597
  6. Chen, A.; Chung, E.; DeFranco, E. A.; Pinney, S. M.; Dietrich, K. N., Serum PBDEs and age at menarche in adolescent girls: Analysis of the National Health and Nutrition Examination Survey 2003–2004. Environmental Research 2011, 111, 831-837. doi: 10.1016/j.envres.2011.05.016
  7. Harley, K.; Marks, A.; Chevrier, J.; Bradman, A.; Sjödin, A.; Eskenazi, B., PBDE Concentrations in Women’s Serum and Fecundability. Environ Health Perspectives 2010, 118, 699-704. doi: 10.1289/ehp.0901450
  8. Agency, U. S. E. P. An Alternatives Assessment for the Flame Retardant Decabromodiphenyl Ether (DecaBDE); United States Environmental Protection Agency: 2014; pp 1-34. Available at http://www.epa.gov/sites/production/files/2014-05/documents/decabde_final.pdf
  9. Chen, Q.; Saltiel, C.; Manickavasagam, S.; Schadler, L. S.; Siegel, R. W.; Yang, H., Aggregation behavior of single-walled carbon namotubes in dilute aqueous suspension. J. Colloid Interface Sci. 2004, 280, 91-97. doi: 10.1016/j.jcis.2004.07.028
  10. He, X.; Kitipornchai, S.; C.M., W.; Leiw, K. M., Modeling of van der Waals force for infinitesimal deformation of multi-walled carbon nanotubes treated as cylindrical shells. International Journal of Solids and Structures 2005, 42, 6032-6047. doi: 10.1016/j.ijsolstr.2005.03.045
  11. Robertson, D. H.; Brenner, D. W.; Mintmire, J. W., Energetics of nanoscale graphitic tubules. Physical Review B 1992, 45, 12592-12595. doi: 10.1103/PhysRevB.45.12592
  12. Gibson, J. M.; Ebbensen, T. W.; Treacy, M. M. J., Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes. Nature 1996, 381, 678-680. doi: 10.1038/381678a0
  13. Kashiwagi, T., Du, F., Winey, K. I., Groth, K. M., Shields, J. R., Bellayer, S. P., … & Douglas, J. F., Flammability properties of polymer nanocomposites with single-walled carbon nanotubes: effects of nanotube dispersion and concentration. Polymer 2005, 46(2), 471-481. doi: 10.1016/j.polymer.2004.10.087
  14. Kim, Y. S.; Davis, R., Multi-walled carbon nanotube layer-by-layer coatings with a trilayer structure to reduce foam flammability. Thin Solid Films 2014, 550 184-189. doi: 10.1016/j.tsf.2013.10.167
  15. Gettys, N.; Jacobsen, E., Burning to Learn: An Introduction to Flame Retardants. Journal of Chemical Education 2001, 78, 328A-B. doi: 10.1021/ed078p328