Zinkboraat, als een efficiënte en milieuvriendelijke anorganische vlamvertrager en multifunctioneel additief, wordt op grote schaal gebruikt in kunststoffen, rubber, coatings, textiel en andere gebieden. Het algemeen genoemde "zinkboraat" in de industrie omvat echter feitelijk verschillende vormen met verschillende kristalwatergehalten, waarvan de meest representatieve zinkboraatmonohydraat (ZnO·B2O₃·H2O) en zinkboraat 3,5hydraat (2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O) zijn. Dit artikel gaat dieper in op de verschillen tussen de twee vanuit een professioneel academisch perspectief.
De chemische formule van zinkboraatmonohydraat is ZnO·B₂O₃·H₂O, waarbij de molaire verhouding van ZnO tot B₂O₃ 1:1 is en het kristalwatergehalte is vastgesteld op 1 molecuul. De kristalstructuur ervan vertoont gewoonlijk een gelaagde of ketenachtige opstelling, waarbij booratomen bestaan in een vorm met drie of vier coördinaten, die een stabiel boorzuurstofnetwerk vormen. Deze structuur heeft een hoge thermische stabiliteit en de dehydratatietemperatuur ligt meestal tussen 250 en 300 ℃.
De chemische formule van 3,5 gehydrateerd zinkboraat is 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O, met een molaire verhouding van 2:3 tussen ZnO en B₂O₃, met 3,5 kristallijne watermoleculen.
Vergelijking van de belangrijkste structurele verschillen:
· Verschil in watergehalte: het kristalwatergehalte van 3,5 gehydrateerd zinkboraat is 3,5 maal dat van monohydraat
·Verschillende boorzinkverhoudingen: 1:1 voor monohydraat en 3:2 voor 3,5-hydraat
· Kristalsymmetrie: Monohydraat bevindt zich meestal in het monokliene kristalsysteem, terwijl 3,5-hydraat zich meestal in het trikliene of monokliene kristalsysteem bevindt
Het dehydratatieproces van zinkboraatmonohydraat is relatief eenvoudig, waarbij het enige structurele watermolecuul binnen het bereik van 250-300 ℃ wordt verwijderd om watervrij zinkboraat te vormen. Dit proces absorbeert de warmte aanzienlijk, waardoor het materiaal bij verhitting een grote hoeveelheid warmte absorbeert.
Het dehydratatiegedrag van 3,5 gehydrateerd zinkboraat is complexer en vertoont dehydratatiekenmerken in meerdere fasen:
·Fase 1 (100-150℃): Verwijdering van wat geadsorbeerd water en een kleine hoeveelheid kristallijn water
·Tweede fase (200-250℃): Verwijder het grootste deel van het kristallijne water
· Fase 3 (300-350 ℃): Volledige uitdroging om amorf zinkboraat te vormen
Dankzij dit meerfasige dehydratatieproces kan het warmte absorberen over een groter temperatuurbereik en heeft het een langere vlamvertragende efficiëntie.
De oplosbaarheid van zinkboraatmonohydraat in water is extreem laag (<0,1%) en het is vrijwel onoplosbaar in organische oplosmiddelen, waardoor het een goede dispersiestabiliteit in polymeersystemen heeft.
3.5 Gehydrateerd zinkboraat heeft een sterkere oppervlaktepolariteit vanwege het hogere gehalte aan kristallijn water, wat resulteert in een betere dispersie in polaire systemen. Bij niet-polaire polymeren kan echter een oppervlaktemodificatiebehandeling nodig zijn.
De deeltjesgrootte van zinkboraatmonohydraat is kleiner (meestal 1-5 μm) en het specifieke oppervlak is groter (5-15 m²/g), wat gunstig is voor de uniforme dispersie in de matrix.
De deeltjesgrootte van3,5 gehydrateerd zinkboraatis relatief groot (meestal 5-20 μm), maar ultrafijne producten kunnen ook via speciale processen worden bereid.
Beide soorten zinkboraat oefenen vlamvertragende effecten uit via meerdere mechanismen, maar met verschillende aandachtspunten:
Zinkboraat monohydraat:
· Warmteabsorptie-uitdroging: de dehydratietemperatuur is hoog, geschikt voor toepassingen waarbij in een later stadium vlamvertraging vereist is
· Vorming van een glasachtige beschermlaag: na uitdroging wordt een B₂O₃-glaslaag gegenereerd om zuurstof en warmte te isoleren
·Bevordert carbonisatie: heeft een aanzienlijk synergetisch effect met vlamvertragers zoals aluminiumhydroxide
3.5 Gehydrateerd zinkboraat:
· Meertraps warmteabsorptie: het absorberen van warmte over een groter temperatuurbereik
·Laat kristalwater vrij om brandbare gassen te verdunnen
·Het gegenereerde zinkoxide heeft een remmend effect op rook
·Het synergetische effect met gehalogeneerde vlamvertragers is bijzonder prominent
3.5 Gehydrateerd zinkboraatis doorgaans superieur aan monohydraatproducten wat betreft het onderdrukken van de rookontwikkeling vanwege het hogere boorgehalte en de unieke dehydratatie-eigenschappen, waardoor het bijzonder geschikt is voor toepassingen met strenge eisen aan de rookdichtheid.
· Hoge temperatuur verwerkingspolymeren, zoals technische kunststoffen (PA, PBT, enz.), vanwege hun hoge dehydratatietemperatuur
·Lichtgekleurde producten: hebben doorgaans een hogere witheid (≥ 95%), geschikt voor producten met strenge kleureisen
·Kabelmateriaal: Uitstekend synergetisch effect met aluminiumhydroxide/magnesium
·Transparante of semi-transparante producten: betere aanpassing van de brekingsindex
· PVC- en halogeenhoudende systemen: aanzienlijk synergetisch vlamvertragend effect met halogenen
·Rubberproducten: dehydratatie-eigenschappen in meerdere fasen zijn geschikter voor het vulkanisatieproces van rubber
· Brandwerende coating: hoog boorgehalte zorgt voor betere brandwerendheid
·Textiel vlamvertragende behandeling: Het vlamvertragende effect bij lage temperaturen is beter
·Plaatsen met hoge vereisten voor rookonderdrukking: zoals metro's, schepen en andere interne materialen
· Verwerkingstemperatuur <220 ℃: prioriteit moet worden gegeven aan 3,5 gehydrateerd zinkboraat
· Verwerkingstemperatuur 220-280 ℃: beide opties zijn beschikbaar, kies op basis van andere vereisten
·Verwerkingstemperatuur>280℃: Er moet zinkboraatmonohydraat worden geselecteerd
· Gecombineerd met anorganische vlamvertragers (aluminiumhydroxide/magnesium): zinkboraat-monohydraat heeft meestal betere effecten
·In combinatie met gehalogeneerde vlamvertragers is het synergetische effect van 3,5 gehydrateerd zinkboraat groter
Vanwege de kleinere deeltjesgrootte heeft zinkboraatmonohydraat gewoonlijk minder invloed op de mechanische eigenschappen van het materiaal, terwijl het 3,5-hydraatproduct mogelijk een fijnere dispersiebehandeling vereist.
Monohydraat en 3,5-hydraat zinkboraat zijn in wezen twee verschillende verbindingen in de chemie, in plaats van een eenvoudig verschil in "watergehalte".
