Plastiki są wszędzie. To dobrze – odkrycie tych materiałów spowodowało rewolucję w przemyśle. Tanie i łatwe w formowaniu stały się nieodłącznym elementem naszego życia. Okrywamy budynki poliuretanem i polistyrenem, żeby było w nich cieplej. Pianki poliuretanowe stały się nieodłącznym elementem oparć i siedzisk. Poliolefiny takie jak polietylen to nieodłączny surowiec opakowań. Problem polega jednak na tym, że dość łatwo się palą, wydzielając przy tym toksyczne dymy. Jeśli już dojdzie do pożaru, opary te ograniczają widoczność, utrudniają oddychanie, a w efekcie zmniejszają szanse na udaną ewakuację.

Dlatego przemysł stara się znaleźć sposoby na uniepalnienie tych związków. Uniepalnienie to termin oznaczający po prostu zmniejszanie palności. – Nie ma bowiem czegoś takiego, jak niepalne tworzywa sztuczne. Wszystkie związki organiczne, a więc zawierające wodór, węgiel, tlen i azot – a tworzywa sztuczne do takich należą – są palne. Dlatego możemy jedynie starać się ograniczać ich podatność na płomienie – tłumaczy dr inż. Wojciech Zatorski z Centralnego Instytutu Ochrony Pracy – Państwowego Instytutu Badawczego. Badacz dodaje, że na świecie co prawda w niewielkich ilościach produkuje się bardzo trudnopalne tworzywa sztuczne, ale przez wzgląd na skomplikowany proces produkcji nie da się ich wytwarzać na przemysłową skalę, a związana z tym wysoka cena powoduje, że trafiają tylko do specjalistycznych zastosowań.

Zatorskiemu udało się opracować i opatentować mieszankę prostych substancji, niedrogich w wytwarzaniu i łatwych do zastosowania przez przemysł, które znacząco ograniczają palność otaczających nas tworzyw sztucznych. W naukowym żargonie substancje te nazywają się antypirenami i – jak chwali się naukowiec – ze względu na ochronę zdrowia i środowiska nie zawierają związków halogenowych (chloru oraz bromu). Mieszanka ponadto jest synergiczna, co znaczy, że składające się na nią substancje wzmacniają nawzajem siłę swojego działania.

Aby jednak powstrzymać ogień, musimy najpierw zrozumieć, czym on jest i jak trawi tworzywa sztuczne. Z perspektywy chemika są one polimerami, a więc długimi łańcuchami zbudowanymi z powtarzających się takich samych cegiełek. W normalnych warunkach łańcuchy te bardzo rzadko reagują z tlenem, co sprawia, że się nie rozpadają i utrzymują swoje właściwości. Co innego pod wpływem zewnętrznego źródła energii – takiego jak na przykład niedopalony papieros. Wtedy te długie łańcuchy rwą się na znacznie krótsze, które są już znacznie bardziej podatne na działanie tlenu, zwłaszcza pod wpływem temperatury. Ponieważ reakcja łączenia z tlenem – czyli właśnie spalania – jest egzotermiczna (co oznacza, że wydziela, a nie pochłania energię), to po każdej takiej reakcji powstaje nadmiar energii pochłaniany przez sąsiednie łańcuchy, które się rozpadają. W ten sposób powstaje swego rodzaju samorozprzestrzeniająca się reakcja łańcuchowa, w której płomień pożera coraz to więcej tworzywa.

Jeżeli chcemy dany materiał uniepalnić, możemy to osiągnąć, na przykład dodając do polimeru coś, co będzie działało jak gąbka na energię, czyli będzie pochłaniało ciepło powstające podczas spalania. W ten sposób ilość ciepła niezbędnego do rozkładu polimeru ulegnie podwyższeniu i tworzywo już tak łatwo nie zapali się od papierosa.

Takim związkiem na przykład jest wodorotlenek glinu, czyli prosta substancja, z którą każdy zetknął się podczas kursu chemii w szkole podstawowej. Nie tylko pełni on rolę owej gąbki energetycznej, ale też po rozpadzie wydziela wodę i tlenek glinu, czyli substancje niepalne. Nie tylko więc nie przyczynią się do powiększania pożaru, ale też w formie gazowej ulecą w powietrze, unosząc ze sobą część energii cieplnej powstałej w wyniku spalania i w ten sposób utrudniając rozprzestrzenianie się płomienia. Inną substancją jest polifosforan amonowy, który rozpadając się pod wpływem ciepła tworzy kwasy polifosforowe, które odkładając się na powierzchni spalania, tworzą warstwę ochronną ograniczającą dostęp tlenu i ciepła, do wnętrza materiału – co utrudnia propagację płomienia w jego wnętrze. Działanie tych dwóch związków silnie wzmacnia fosforan dimetylopropylu.

Jednak dobranie odpowiedniej mieszanki antypirenów nie jest proste. – Żeby dobrze uniepalnić tworzywo, trzeba doskonale znać jego chemię, właściwości i sposoby przetwórstwa. Proces projektowania takiego rozwiązania często zaczyna się od samego recepturowania tworzywa, a więc przeglądu wszystkich substancji zaangażowanych w jego wytworzenie pod kątem tego, jak będą zachowywać się po dodaniu antypirenów. Związki używane do uniepalniania bowiem bardzo często powodują zakłócenia w reakcji polimeryzacji i w efekcie otrzymuje się tworzywo o złych właściwościach użytkowych – mówi dr Zatorski. Innymi słowy, tworzywo po uniepalnieniu ma być dokładnie takim samym tworzywem – tak samo miękkim, tak samo rozciągliwym itd. Oznacza to również, że kompozycje antypirenów bardzo często opracowuje się pod konkretny typ tworzywa sztucznego. Rozwiązanie dr. Zatorskiego ma jednak tę zaletę, że można je zastosować w odniesieniu do kilku klas polimerów.

Wybrane kompozycje antypirenów dr Zatorski badał pod kątem zgodności z procesami wytwarzania na miejscu w CIOP, bowiem instytut jest w stanie wytwarzać niewielkie ilości tworzyw sztucznych na własne potrzeby. W ten sposób otrzymane materiały były następnie poddawane testom bojowym, czyli po prostu palone. W badaniach kalorymetrycznych sprawdza się m.in., ile i jak szybko dany materiał wydziela w trakcie spalania ciepła (im mniej, tym lepiej). Dodatkowo sprawdza się też zachowanie materiału w obecności płomienia w sztucznych atmosferach zawierających więcej tlenu niż w powietrzu, którym oddychamy. Ważne jest również określenie gęstości optycznej, czyli parametru mówiącego o tym, jak nieprzejrzysty jest dym wytwarzany w trakcie spalania.

Na tym jednak nie kończą się badania nad antypirenami w CIOP. – Pracujemy również nad innymi substancjami, w tym nad różnymi rodzajami nanocząstek, czyli związków o wymiarach do 100 nm. Mało znany fakt jest bowiem taki, że niektóre substancje mają zupełnie inne właściwości, kiedy są tak rozdrobnione, a inne, kiedy są elementem większych struktur – deklaruje dr Zatorski. Wśród tych materiałów są przykładowo: glinokrzemiany warstwowe, nanorurki węglowe, nanometale i ich tlenki.

Kompozycje antypirenów opracowywane w instytucie (wynalazek dr. Zatorskiego powstał dzięki środkom z grantu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju) mają spore szanse na rynkowy sukces. Rocznie bowiem na świecie wytwarza się 2,5 mln ton różnych substancji z tej klasy, które służą do uniepalnienia 7,5 mln ton tworzyw sztucznych rocznie. Tylko w Polsce takich materiałów produkuje się 200 tys. ton rocznie, przy czym rynek – zarówno lokalny, jak i globalny – wykazuje tendencję wzrostową, spowodowaną chociażby zaostrzaniem norm przeciwpożarowych przez ustawodawców na całym świecie.