Il poliuretano termoplastico (TPU) è da tempo apprezzato per l'eccezionale resistenza all'abrasione, l'adesione e la lavorabilità, che lo rendono un materiale di scelta in settori che vanno dall'automotive all'aerospaziale. Tuttavia, l'elevata infiammabilità e la significativa emissione di fumo durante la combustione ne hanno limitato le applicazioni nei settori dei trasporti, dell'elettrico e tessile.
Nanoriempitivi: la chiave per la modifica del TPU
L'emergere dei nanoriempitivi ha aperto nuove possibilità per migliorare la resistenza alla fiamma del TPU. Materiali come i nanotubi di carbonio (CNT), i nanoplatelet di grafene (GNP), il disolfuro di molibdeno (MoS
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) e l'ossido di grafene (GO) hanno dimostrato significativi miglioramenti nella resistenza al fuoco del TPU. Ad esempio:
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I nanocompositi TPU/schiuma di grafene (TPU/GF) preparati tramite infiltrazione hanno mostrato una riduzione del 35,1% del tasso di rilascio di calore di picco (PHRR) rispetto al TPU puro.
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TPU con 2,0% in peso di MoS funzionalizzato
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ha ottenuto una riduzione del 45,4% del PHRR.
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I nanocompositi TPU riempiti con 2,7% in peso di GNP hanno mostrato una diminuzione del 41,1% del PHRR.
Il compromesso: resistenza alla fiamma contro proprietà meccaniche
Sebbene i nanoriempitivi migliorino la resistenza alla fiamma, spesso compromettono la tenacità e l'elasticità del TPU. Questo compromesso ha spinto la ricerca di una soluzione che migliori simultaneamente la sicurezza antincendio e le prestazioni meccaniche.
MXene: un nuovo materiale promettente
MXene (Ti
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), un materiale bidimensionale, ha attirato l'attenzione per le sue proprietà piezoelettriche, meccaniche ed elettroniche. Gli studi suggeriscono il suo potenziale nei nanocompositi polimerici ignifughi:
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L'aggiunta del 2,0% in peso di Ti
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alla resina poliestere insatura ha ridotto il PHRR e la resa totale di monossido di carbonio (COTY) rispettivamente del 29,6% e del 31,6%.
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I nanocompositi TPU/Ti
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con il 3,0% in peso di Ti esfoliato
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hanno ottenuto una riduzione del 51,4% del tasso di produzione di fumo di picco (PSPR) e una diminuzione del 57,1% del COTY.
Nonostante le sue impressionanti proprietà ignifughe, la capacità di MXene di migliorare le prestazioni meccaniche rimane limitata.
DOPO-HQ: il vantaggio del fosforo organico
DOPO-HQ (10-(2,5-diidrossifenil)-9,10-diidro-9-oxa-10-fosfafenantrene-10-ossido), un composto organico del fosforo, ha dimostrato di essere promettente come nanoriempitivo. Non solo migliora la resistenza alla fiamma, ma migliora anche le proprietà meccaniche. Per esempio:
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GO funzionalizzato con DOPO-HQ (FGO-HQ) ha ridotto il rilascio totale di calore (THR) e il rilascio totale di fumo (TSR) dei nanocompositi di acido polilattico rispettivamente del 43,0% e dell'83,0%, mantenendo al contempo eccellenti prestazioni meccaniche.
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Nuovi oligomeri a base di DOPO-HQ e gruppi ferrocene (PFDCHQ) hanno migliorato significativamente la sicurezza antincendio e il modulo di Young dei compositi epossidici/PFDCHQ.
Effetti sinergici: combinare MXene e DOPO-HQ
Per affrontare i limiti di MXene, i ricercatori hanno esplorato la combinazione di Ti
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e DOPO-HQ. Un approccio di autoassemblaggio indotto da legami idrogeno è stato utilizzato per sintetizzare un nuovo nanibrido (Ti
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-D-H), che è stato poi incorporato nel TPU.
Risultati: un miglioramento completo delle prestazioni
Lo studio ha rivelato che l'aggiunta di solo il 2,0% in peso di Ti
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-D-H al TPU ha ridotto significativamente il rilascio di calore e fumo, migliorando al contempo la resistenza alla trazione e la tenacità. I risultati chiave includono:
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Resistenza alla fiamma:
Il PHRR e l'emissione di fumo sono stati notevolmente ridotti, migliorando la sicurezza antincendio.
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Proprietà meccaniche:
La resistenza alla trazione, l'allungamento a rottura e la resistenza all'urto sono tutti migliorati.
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Stabilità termica:
L'analisi termogravimetrica (TGA) ha mostrato temperature di decomposizione termica aumentate, indicando prestazioni migliori alle alte temperature.
Meccanismi: come funziona Ti
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-D-H
L'efficacia del nanibrido deriva da molteplici meccanismi sinergici:
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Barriera fisica:
Ti
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formano una barriera che rallenta la diffusione del calore e del fumo.
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Resistenza alla fiamma chimica:
DOPO-HQ rilascia radicali fosforo che inibiscono la combustione.
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Formazione di carbone:
DOPO-HQ promuove la carbonizzazione, creando uno strato protettivo che blocca il calore e l'ossigeno.
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Rinforzo meccanico:
Ti
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migliora la resistenza, mentre DOPO-HQ migliora la dispersione e la tenacità.
Applicazioni: espandere gli orizzonti del TPU
Questa svolta apre le porte al TPU in:
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Trasporti:
Interni automobilistici resistenti al fuoco, componenti aeronautici e sedili ferroviari ad alta velocità.
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Elettronica:
Cavi, involucri e materiali isolanti ignifughi.
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Tessuti:
Abbigliamento protettivo e tessuti ignifughi.
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Costruzioni:
Rivestimenti ignifughi e materiali da costruzione.
Conclusione: una nuova era per il TPU
Lo sviluppo di Ti
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-D-H rappresenta un significativo progresso nella modifica del TPU, offrendo un miglioramento bilanciato della resistenza alla fiamma e delle proprietà meccaniche. Questa innovazione apre la strada a più ampie applicazioni del TPU in tutti i settori, garantendo sia la sicurezza che le prestazioni.
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