Síntese de retardantes de chama para controlo de incêndios

Abstract

O presente trabalho teve por objetivo desenvolver retardantes de chama (RC) que possammelhorar o desempenho convencional de combate a incêndios florestais. Com base em estudospreliminares acerca de potenciais compostos com este efeito, e após análise dos impactes nasaúde e ambiente destes, os retardantes de chama selecionados foram o hidróxido de alumínioe o hidróxido de magnésio (compostos inorgânicos e minerais que se encontram na natureza).Os retardantes de chama selecionados foram sintetizados através de sol-gel/co-precipitação deforma a obter partículas submicrométricas para maior razão superfície/volume. Asconcentrações de precursor (nitratos de alumínio ou magnésio) estudadas para cada um dos RCforam: 0,10 M; 0,25 M; 0,50 M; 0,75 M e 1,00 M. Esta técnica permitiu obter um rendimentomáximo de 66,7 % (obtida com 0,50 M de precursor) e um mínimo de 12,8% (obtida com 0,10M de precursor) para o hidróxido de alumínio, e 77,2 % (obtida com 0,10 M de precursor) e1,7% (obtida com 1,00 M de precursor) para o hidróxido de magnésio. No geral, foram obtidaspartículas superiores para o hidróxido de magnésio.Dado o tempo e os recursos disponíveis, ao longo do trabalho foi feita exclusão de algumas dasamostras com base no potencial de aplicação de estudo. A primeira análise realizada foi aanálise térmica. No fenómeno de decomposição térmica dos RC obteve-se um calor dedegradação máximo nas partículas obtidas a 0,50 M para o hidróxido de alumínio e 1,00 M parao hidróxido de magnésio. Apesar destas serem as amostras com maior potencial, devido aorendimento muito baixo obtido para a amostra obtida a 1,00 M de magnésio, esta não foi paraanálise em fogo. Contudo, concluiu-se a caraterização morfológica desta amostra.Os difratogramas demonstraram que o hidróxido de alumínio é constituído por duas fases, α-Al2O3·3H2O e β-Al(OH)3, ambas com sistema cristalino monoclínico, sendo que o tamanho dogrão é superior na fase β em cerca de 10 vezes para as partículas obtidas a 0,50 M de precursore cerca de 4 vezes nas partículas obtidas a 1,00 M de precursor . No hidróxido de magnésioobteve-se apenas uma fase (brucite) – sistema cristalino hexagonal, com tamanho de grão deca. 15 nm.Através de SEM observou-se que o hidróxido de alumínio apresenta partículas arredondadas eagregadas, com uma moda de diâmetros de partícula entre 92 e 103 nm para ambas as partículasobtidas com 0,50 M e 1,00 M de precursor. As partículas de hidróxido de magnésio obtiveramum diâmetro não uniforme, variando entre tamanhos submicrométricos, contudo, mostraramuma morfologia em forma de folhas que lhes permite maximizar a sua área de reação/interação.Testaram-se em testes de fogo caldas com 5% (m/m) de partículas de hidróxido de alumínioobtido com a concentração de precursor de 0,50 M e 0,6 % (m/m) de partículas de hidróxido demagnésio obtido com a concentração de precursor de 0,10 M. O hidróxido de alumínio foi oque obteve os melhores resultados, permitindo uma redução na velocidade de propagação de22,8 % (comparados com 15,4 % no hidróxido de magnésio e 10,9 % na água) e um fator deivredução da chama de 36,4 % (comparados com 25,0 % no hidróxido de magnésio e 16,6 % naágua). Contudo, numa análise mais detalhada da velocidade de propagação observou-se que ohidróxido de magnésio teve uma maior atenuação na propagação da chama.

The present work aimed to develop flame retardants (FR) that can improve the performance ofconventional forest fire fighting. Based on preliminary studies on compounds with this effect,after analysing health and environmental impacts, the selected flame retardants selected werealuminium hydroxides and magnesium hydroxides (inorganic and mineral compounds that canbe found in nature).The selected flame retardants were synthesized by sol-gel/ co-precipitation to obtain submicronparticles with the highest surface to volume ratio. The following molar concentrations ofprecursors (aluminium or magnesium nitrates) studied were: 0.10 M; 0.25 M; 0,50 M; 0,75 Mand 1,00 M, for each FR. For aluminium hydroxide, this technique achieved a maximum yieldof 66.7% (with 0,50 M precursor) and a minimum of 12.8 % (with 0.10 M precursor). Formagnesium hydroxide, the maximum yield was of 77.2 % (with 0.10 M precursor) and aminimum of 1.7 % (with 1,00 M precursor). Overall, the obtained magnesium hydroxideparticles were larger.Given the time and resources available, some samples were excluded throughout the work basedon the study's application potential. Thermal analysis was the first to be performed. Byanalysing thermal decomposition phenomena of FR samples, it was observed that the maximumdegradation heat occurs for the particles obtained with 0,50 M precursor for aluminiumhydroxide and the particles obtained with 1,00 M precursor for magnesium hydroxide.Although the latter is the sample with the most potential, it was not analysed on fire, due to thevery low yield obtained with 1,00 M precursor sample of magnesium hydroxide. However,morphological characterization of this sample was completed.The diffractograms showed that aluminium hydroxide is composed of two phases, α-Al2O3·3H2O and β-Al(OH)3, both with a monoclinic crystal system. The grain size is largerin β phase approximately 10 times, for particles obtained with 0,50 M precursor, and byapproximately 4 times, for particles obtained with 1,00 M precursor. For magnesium hydroxideparticles, only one phase was obtained (brucite) - hexagonal crystalline system, grain size ca.15 nm.SEM analysis showed that aluminium hydroxide particles exhibited rounded morphology andaggregates, with a particle diameter pattern between 92 and 113 nm for both 0,50 M and 1,00M precursor. Magnesium hydroxide particles exhibited a nonuniform diameter that variedbetween submicron sizes, however, despite their large size, their leaf-shaped morphologyallows the reaction/interaction area to be maximized.The FR were implemented in fire tests, 5% (w/w) was used for aluminium hydroxide obtainedwith a concentration of 0,50 M precursor, and 0.6% (w/w) for magnesium hydroxide obtainedwith a concentration of 0,10 M precursor. Aluminium hydroxide was the best performer,allowing a reduction in the rate of spread of 22,8 % (compared with 15,4 % for magnesiumhydroxide and 10,9 % for water) and a flame reduction factor of 36,4 % (compared with 25,0vi% for magnesium hydroxide and 16.6 % for water). However, a more detailed analysis of therate of spread revealed that magnesium hydroxide had a greater attenuation effect on flamepropagation.