Цинков борат, като ефективен и екологично чист неорганичен забавител на горенето и многофункционална добавка, се използва широко в пластмаси, каучук, покрития, текстил и други области. Въпреки това, често споменаваният "цинков борат" в индустрията всъщност включва различни форми с различно съдържание на кристална вода, сред които най-представителните са цинков борат монохидрат (ZnO·B₂O3·H₂O) и цинков борат 3,5 хидрат (2ZnO·3B₂O3·3,5H₂O). Тази статия ще разгледа разликите между двете от професионална академична гледна точка.
Химическата формула на цинковия борат монохидрат е ZnO·B₂O3·H2O, където моларното съотношение на ZnO към B2O3 е 1:1 и съдържанието на кристална вода е фиксирано на 1 молекула. Неговата кристална структура обикновено представлява слоесто или верижно подреждане, като атомите на бора съществуват в три координатна или четири координатна форма, образувайки стабилна борна кислородна мрежа. Тази структура има висока термична стабилност и температурата на дехидратация обикновено е между 250-300 ℃.
Химическата формула на 3,5 хидратиран цинков борат е 2ZnO·3B₂O3·3,5H₂O, с моларно съотношение 2:3 между ZnO и B₂O3, съдържащ 3,5 кристални водни молекули.
Сравнение на основните структурни разлики:
· Разлика във водното съдържание: кристалното водно съдържание на 3,5 хидратиран цинков борат е 3,5 пъти по-голямо от това на монохидрата
· Различни съотношения на бор-цинк: 1:1 за монохидрат и 3:2 за 3,5-хидрат
· Кристална симетрия: Монохидратът обикновено е в моноклинната кристална система, докато 3,5 хидратът е предимно в триклинната или моноклинната кристална система
Процесът на дехидратация на цинков борат монохидрат е сравнително прост, като се отстранява единствената структурна водна молекула в диапазона от 250-300 ℃, за да се образува безводен цинков борат. Този процес значително абсорбира топлината, което помага на материала да абсорбира голямо количество топлина при нагряване.
Поведението при дехидратация на 3,5 хидратиран цинков борат е по-сложно, показвайки многоетапни характеристики на дехидратация:
· Фаза 1 (100-150 ℃): Отстраняване на малко адсорбирана вода и малко количество кристална вода
· Втори етап (200-250 ℃): Отстранете по-голямата част от кристалната вода
· Етап 3 (300-350 ℃): Пълна дехидратация до образуване на аморфен цинков борат
Този многоетапен процес на дехидратация му позволява да абсорбира топлина в по-широк температурен диапазон и има по-дълга ефективност на забавяне на горенето.
Разтворимостта на цинковия борат монохидрат във вода е изключително ниска (<0,1%) и е почти неразтворим в органични разтворители, което му придава добра дисперсионна стабилност в полимерни системи.
3.5 Хидратираният цинков борат има по-силна повърхностна полярност поради по-високото си съдържание на кристална вода, което води до по-добра дисперсия в полярните системи. При неполярни полимери обаче може да се наложи повърхностно модифициране.
Размерът на частиците на цинковия борат монохидрат е по-малък (обикновено 1-5 μm), а специфичната повърхност е по-голяма (5-15 m²/g), което е от полза за неговата равномерна дисперсия в матрицата.
Размерът на частиците на3.5 хидратиран цинков борате сравнително голям (обикновено 5-20 μm), но ултрафините продукти също могат да бъдат получени чрез специални процеси.
И двата вида цинков борат упражняват огнезащитни ефекти чрез множество механизми, но с различни фокуси:
Цинков борат монохидрат:
· Дехидратация при абсорбиране на топлина: Температурата на дехидратация е висока, подходяща за приложения, които изискват забавяне на горенето в по-късен етап
· Образуване на стъклен защитен слой: След дехидратация се генерира стъклен слой B₂O₃ за изолиране на кислорода и топлината
· Насърчаване на карбонизацията: има значителен синергичен ефект със забавители на горенето като алуминиев хидроксид
3.5 Хидратиран цинков борат:
·Многоетапно абсорбиране на топлина: абсорбиране на топлина в по-широк температурен диапазон
· Освободете кристална вода за разреждане на горими газове
· Генерираният цинков оксид има инхибиторен ефект върху дима
· Синергичният ефект с халогенираните забавители на горенето е особено изявен
3.5 Хидратиран цинков боратобикновено превъзхожда монохидратните продукти за потискане на образуването на дим поради по-високото съдържание на бор и уникалните характеристики на дехидратация, което го прави особено подходящ за приложения със строги изисквания за плътност на дима.
· Полимери за обработка при висока температура, като инженерни пластмаси (PA, PBT и др.), поради тяхната висока температура на дехидратация
· Продукти със светъл цвят: обикновено имат по-висока белота (≥ 95%), подходящи за продукти със строги изисквания за цвят
·Материал на кабела: Отличен синергичен ефект с алуминиев хидроксид/магнезий
·Прозрачни или полупрозрачни продукти: по-добро съответствие на индекса на пречупване
· Системи, съдържащи PVC и халоген: значителен синергичен ефект на забавяне на горенето с халогени
· Каучукови продукти: характеристиките на многостепенна дехидратация са по-подходящи за процеса на вулканизация на каучук
· Огнеупорно покритие: високото съдържание на бор осигурява по-добра пожароустойчивост
·Текстилна обработка със забавяне на горенето: Огнезащитният ефект при ниска температура е по-добър
·Места с високи изисквания за потискане на дима: като метро, кораби и други вътрешни материали
· Температура на обработка <220 ℃: Приоритет трябва да се даде на 3,5 хидратиран цинков борат
· Температура на обработка 220-280 ℃: И двете опции са налични, изберете според другите изисквания
·Температура на обработка>280℃: Трябва да се избере цинков борат монохидрат
· В комбинация с неорганични забавители на горенето (алуминиев хидроксид/магнезий): Цинковият борат монохидрат обикновено има по-добър ефект
· Когато се комбинира с халогенирани забавители на горенето, синергичният ефект на 3,5 хидратиран цинков борат е по-значим
Поради по-малкия си размер на частиците, цинковият борат монохидрат обикновено има по-малко въздействие върху механичните свойства на материала, докато продуктът 3,5 хидрат може да изисква обработка с по-фина дисперсия.
Монохидратът и 3,5-хидратният цинков борат са по същество две различни съединения в химията, а не проста разлика във "водното съдържание".
