Borato de zinco, como um retardador de chama inorgânico eficiente e ecológico e um aditivo multifuncional, tem sido amplamente utilizado em plásticos, borracha, revestimentos, têxteis e outros campos. No entanto, o "borato de zinco" comumente mencionado na indústria inclui, na verdade, várias formas com diferentes teores de água cristalina, entre as quais os mais representativos são o borato de zinco monohidratado (ZnO·B₂O₃·H₂O) e o borato de zinco 3,5hidratado (2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O). Este artigo irá aprofundar as diferenças entre os dois de uma perspectiva acadêmica profissional.
A fórmula química do borato de zinco monohidratado é ZnO·B₂O₃·H₂O, onde a proporção molar de ZnO para B₂O₃ é 1:1 e o teor de água cristalina é fixado em 1 molécula. Sua estrutura cristalina geralmente apresenta um arranjo em camadas ou em cadeia, com átomos de boro existindo em uma forma de três ou quatro coordenadas, formando uma rede estável de boro-oxigênio. Esta estrutura possui alta estabilidade térmica e a temperatura de desidratação geralmente está entre 250-300 ℃.
A fórmula química do borato de zinco hidratado 3,5 é 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O, com proporção molar de 2:3 entre ZnO e B₂O₃, contendo 3,5 moléculas de água cristalina.
Comparação das principais diferenças estruturais:
·Diferença de teor de água: O teor de água cristalina do borato de zinco hidratado 3,5 é 3,5 vezes maior que o do monohidrato
·Diferentes proporções de boro e zinco: 1:1 para monohidrato e 3:2 para 3,5 hidrato
·Simetria cristalina: o monohidrato geralmente está no sistema cristalino monoclínico, enquanto o hidrato 3,5 está principalmente no sistema cristalino triclínico ou monoclínico
O processo de desidratação do borato de zinco monohidratado é relativamente simples, removendo a única molécula estrutural de água na faixa de 250-300 ℃ para formar borato de zinco anidro. Este processo absorve calor significativamente, o que ajuda o material a absorver uma grande quantidade de calor quando aquecido.
O comportamento de desidratação do borato de zinco hidratado 3,5 é mais complexo, exibindo características de desidratação em vários estágios:
·Fase 1 (100-150℃): Remoção de alguma água adsorvida e uma pequena quantidade de água cristalina
·Segundo estágio (200-250°C): Remova a maior parte da água cristalina
·Estágio 3 (300-350°C): Desidratação completa para formar borato de zinco amorfo
Este processo de desidratação em vários estágios permite absorver calor em uma faixa de temperatura mais ampla e tem uma eficiência retardadora de chama mais longa.
A solubilidade do borato de zinco monohidratado em água é extremamente baixa (<0,1%) e é quase insolúvel em solventes orgânicos, o que lhe confere boa estabilidade de dispersão em sistemas poliméricos.
3.5 O borato de zinco hidratado possui polaridade superficial mais forte devido ao seu maior teor de água cristalina, resultando em melhor dispersão em sistemas polares. No entanto, o tratamento de modificação de superfície pode ser necessário em polímeros não polares.
O tamanho de partícula do borato de zinco monohidratado é menor (geralmente 1-5 μm) e a área superficial específica é maior (5-15 m²/g), o que é benéfico para sua dispersão uniforme na matriz.
O tamanho da partícula de3,5 borato de zinco hidratadoé relativamente grande (geralmente 5-20μm), mas produtos ultrafinos também podem ser preparados através de processos especiais.
Ambos os tipos de borato de zinco exercem efeitos retardadores de chama através de múltiplos mecanismos, mas com focos diferentes:
Borato de zinco monohidratado:
·Desidratação por absorção de calor: A temperatura de desidratação é alta, adequada para aplicações que exigem retardamento de chama na fase posterior
·Formando uma camada protetora vítrea: Após a desidratação, uma camada de vidro B₂O₃ é gerada para isolar oxigênio e calor
·Promover a carbonização: tem um efeito sinérgico significativo com retardadores de chama, como o hidróxido de alumínio
3.5 Borato de Zinco Hidratado:
· Absorção de calor em vários estágios: absorção de calor em uma faixa de temperatura mais ampla
·Libere água cristalina para diluir gases combustíveis
·O óxido de zinco gerado tem efeito inibitório sobre a fumaça
·O efeito sinérgico com retardadores de chama halogenados é particularmente proeminente
3.5 Borato de zinco hidratadoé geralmente superior aos produtos monohidratados na supressão da geração de fumaça devido ao seu maior teor de boro e características únicas de desidratação, tornando-o particularmente adequado para aplicações com requisitos rigorosos de densidade de fumaça.
·Polímeros de processamento em alta temperatura, como plásticos de engenharia (PA, PBT, etc.), devido à sua alta temperatura de desidratação
·Produtos de cor clara: geralmente apresentam maior brancura (≥ 95%), adequados para produtos com requisitos rigorosos de cor
·Material do cabo: Excelente efeito sinérgico com hidróxido de alumínio/magnésio
·Produtos transparentes ou semitransparentes: melhor correspondência do índice de refração
·Sistemas contendo PVC e halogênio: efeito retardador de chama sinérgico significativo com halogênios
·Produtos de borracha: características de desidratação em vários estágios são mais adequadas para o processo de vulcanização de borracha
·Revestimento à prova de fogo: alto teor de boro proporciona melhor desempenho de resistência ao fogo
·Tratamento retardador de chamas têxteis: O efeito retardador de chamas de baixa temperatura é melhor
·Locais com altos requisitos de supressão de fumaça: como metrôs, navios e outros materiais internos
·Temperatura de processamento<220°C: Deve ser dada prioridade ao borato de zinco hidratado 3,5
·Temperatura de processamento 220-280°C: Ambas as opções estão disponíveis, escolha de acordo com outros requisitos
·Temperatura de processamento>280°C: Borato de zinco monohidratado deve ser selecionado
·Combinado com retardadores de chama inorgânicos (hidróxido de alumínio/magnésio): O borato de zinco monohidratado geralmente tem melhores efeitos
·Quando combinado com retardadores de chama halogenados, o efeito sinérgico do borato de zinco hidratado 3,5 é mais significativo
Devido ao seu menor tamanho de partícula, o borato de zinco monohidratado geralmente tem menos impacto nas propriedades mecânicas do material, enquanto o produto 3,5 hidratado pode exigir um tratamento de dispersão mais fino.
O borato de zinco monohidratado e 3,5-hidratado são essencialmente dois compostos diferentes em química, em vez de uma simples diferença no "conteúdo de água".
