Cinkov borat, kot učinkovit in okolju prijazen anorganski zaviralec gorenja in večnamenski dodatek, se pogosto uporablja v plastiki, gumi, premazih, tekstilu in na drugih področjih. Vendar pogosto omenjeni "cinkov borat" v industriji dejansko vključuje različne oblike z različnimi vsebnostmi kristalne vode, med katerimi sta najbolj reprezentativna cinkov borat monohidrat (ZnO·B₂O₃·H₂O) in cinkov borat 3,5 hidrat (2ZnO·3B₂O3·3,5H₂O). Ta članek se bo poglobil v razlike med obema s poklicnega akademskega vidika.
Kemijska formula cinkovega borata monohidrata je ZnO·B₂O3·H₂O, kjer je molsko razmerje med ZnO in B₂O3 1:1, vsebnost kristalne vode pa je določena na 1 molekulo. Njegova kristalna struktura običajno predstavlja večplastno ali verižno razporeditev z atomi bora, ki obstajajo v tri koordinatni ali štiri koordinatni obliki, ki tvorijo stabilno borovo kisikovo mrežo. Ta struktura ima visoko toplotno stabilnost, temperatura dehidracije pa je običajno med 250-300 ℃.
Kemijska formula 3,5 hidriranega cinkovega borata je 2ZnO·3B₂O3·3,5H₂O, z molskim razmerjem 2:3 med ZnO in B₂O₃, ki vsebuje 3,5 kristalne molekule vode.
Primerjava ključnih strukturnih razlik:
·Razlika v vsebnosti vode: Vsebnost kristalne vode v 3,5 hidratiranem cinkovem boratu je 3,5-krat večja od vsebnosti monohidrata
· Različna razmerja cinkovega bora: 1:1 za monohidrat in 3:2 za 3,5-hidrat
· Kristalna simetrija: Monohidrat je običajno v monokliničnem kristalnem sistemu, medtem ko je 3,5 hidrat večinoma v trikliničnem ali monokliničnem kristalnem sistemu
Postopek dehidracije cinkovega borata monohidrata je razmeroma preprost, saj odstrani edino strukturno molekulo vode v območju 250-300 ℃, da nastane brezvodni cinkov borat. Ta proces znatno absorbira toploto, kar pomaga materialu absorbirati veliko količino toplote pri segrevanju.
Obnašanje dehidracije 3,5 hidriranega cinkovega borata je bolj zapleteno in ima večstopenjske značilnosti dehidracije:
· Faza 1 (100-150 ℃): Odstranitev nekaj adsorbirane vode in majhne količine kristalne vode
·Druga stopnja (200-250 ℃): Odstranite večino kristalne vode
· Faza 3 (300-350 ℃): Popolna dehidracija, da nastane amorfni cinkov borat
Ta večstopenjski postopek dehidracije mu omogoča, da absorbira toploto v širšem temperaturnem območju in ima daljšo učinkovitost zaviranja gorenja.
Topnost cinkovega borata monohidrata v vodi je izredno nizka (<0,1 %) in je skoraj netopen v organskih topilih, kar mu daje dobro disperzijsko stabilnost v polimernih sistemih.
3.5 Hidrirani cinkov borat ima močnejšo površinsko polarnost zaradi višje vsebnosti kristalne vode, kar ima za posledico boljšo disperzijo v polarnih sistemih. Vendar pa je pri nepolarnih polimerih morda potrebna obdelava za modifikacijo površine.
Velikost delcev cinkovega borata monohidrata je manjša (običajno 1-5 μ m) in specifična površina je večja (5-15 m²/g), kar je koristno za njegovo enakomerno disperzijo v matriksu.
Velikost delcev3,5 hidratirani cinkov boratje razmeroma velik (običajno 5-20 μm), vendar je mogoče ultrafine izdelke pripraviti tudi s posebnimi postopki.
Obe vrsti cinkovega borata zavirata gorenje prek več mehanizmov, vendar z različnimi poudarki:
Cinkov borat monohidrat:
· Dehidracija zaradi absorpcije toplote: Temperatura dehidracije je visoka, primerna za aplikacije, ki zahtevajo zaviranje gorenja v poznejši fazi
· Oblikovanje steklene zaščitne plasti: po dehidraciji nastane steklena plast B₂O₃ za izolacijo kisika in toplote
·Spodbujanje karbonizacije: ima pomemben sinergistični učinek z zaviralci gorenja, kot je aluminijev hidroksid
3.5 Hidrirani cinkov borat:
·Večstopenjska absorpcija toplote: absorbira toploto v širšem temperaturnem območju
·Sprostite kristalno vodo za redčenje vnetljivih plinov
·Nastali cinkov oksid ima zaviralni učinek na dim
·Posebej izrazit je sinergistični učinek s halogeniranimi zaviralci gorenja
3.5 Hidrirani cinkov boratje zaradi svoje višje vsebnosti bora in edinstvenih lastnosti dehidracije običajno boljši od monohidratnih izdelkov pri zatiranju nastajanja dima, zaradi česar je posebej primeren za aplikacije s strogimi zahtevami glede gostote dima.
· Polimeri za obdelavo pri visokih temperaturah, kot je inženirska plastika (PA, PBT itd.), zaradi visoke temperature dehidracije
· Izdelki svetlih barv: običajno imajo večjo belino (≥ 95 %), primerni za izdelke s strogimi zahtevami glede barve
·Material kabla: Odličen sinergistični učinek z aluminijevim hidroksidom/magnezijem
·Prozorni ali polprozorni izdelki: boljše ujemanje lomnega količnika
· Sistemi, ki vsebujejo PVC in halogene: pomemben sinergistični učinek zaviranja gorenja s halogeni
· Izdelki iz gume: značilnosti večstopenjske dehidracije so bolj primerne za postopek vulkanizacije gume
· Ognjevarni premaz: visoka vsebnost bora zagotavlja boljšo požarno odpornost
·Tekstilna negorljiva obdelava: Nizkotemperaturni učinek zaviranja gorenja je boljši
·Mesta z visokimi zahtevami za dušenje dima: kot so podzemne železnice, ladje in drugi notranji materiali
·Temperatura obdelave <220 ℃: Prednost je treba dati 3,5 hidratiranemu cinkovemu boratu
· Temperatura obdelave 220-280 ℃: Na voljo sta obe možnosti, izberite glede na druge zahteve
·Temperatura obdelave >280 ℃: Izbrati je treba cinkov borat monohidrat
· V kombinaciji z anorganskimi zaviralci gorenja (aluminijev hidroksid/magnezij): cinkov borat monohidrat ima običajno boljše učinke
· V kombinaciji s halogeniranimi zaviralci gorenja je sinergistični učinek 3,5 hidriranega cinkovega borata pomembnejši
Zaradi manjše velikosti delcev ima cinkov borat monohidrat običajno manjši vpliv na mehanske lastnosti materiala, medtem ko je za izdelek 3,5 hidrat morda potrebna obdelava s fino disperzijo.
Monohidrat in 3,5-hidratni cinkov borat sta v bistvu dve različni spojini v kemiji in ne preprosta razlika v "vsebnosti vode".
