Borato di zinco, come additivo multifunzionale e ritardante di fiamma inorganico efficiente ed ecologico, è stato ampiamente utilizzato in plastica, gomma, rivestimenti, tessuti e altri campi. Tuttavia, il "borato di zinco" comunemente menzionato nel settore comprende in realtà varie forme con diversi contenuti di acqua cristallina, tra cui i più rappresentativi sono il borato di zinco monoidrato (ZnO·B₂O₃·H₂O) e il borato di zinco 3,5idrato (2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O). Questo articolo approfondirà le differenze tra i due da una prospettiva accademica professionale.
La formula chimica del borato di zinco monoidrato è ZnO·B₂O₃·H₂O, dove il rapporto molare tra ZnO e B₂O₃ è 1:1 e il contenuto di acqua cristallina è fissato a 1 molecola. La sua struttura cristallina presenta solitamente una disposizione a strati o a catena, con atomi di boro esistenti in una forma a tre o quattro coordinate, formando una rete stabile di ossigeno e boro. Questa struttura ha un'elevata stabilità termica e la temperatura di disidratazione è solitamente compresa tra 250 e 300 ℃.
La formula chimica del borato di zinco idrato 3,5 è 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O, con un rapporto molare di 2:3 tra ZnO e B₂O₃, contenente 3,5 molecole di acqua cristallina.
Confronto delle principali differenze strutturali:
·Differenza nel contenuto di acqua: il contenuto di acqua cristallina del borato di zinco idrato 3,5 è 3,5 volte quello del monoidrato
·Diversi rapporti boro zinco: 1:1 per monoidrato e 3:2 per 3,5-idrato
·Simmetria cristallina: il monoidrato si trova solitamente nel sistema cristallino monoclino, mentre il 3,5 idrato si trova principalmente nel sistema cristallino triclino o monoclino
Il processo di disidratazione del borato di zinco monoidrato è relativamente semplice, poiché rimuove l'unica molecola d'acqua strutturale nell'intervallo 250-300 ℃ per formare borato di zinco anidro. Questo processo assorbe il calore in modo significativo, il che aiuta il materiale ad assorbire una grande quantità di calore quando riscaldato.
Il comportamento di disidratazione del borato di zinco idrato 3,5 è più complesso e mostra caratteristiche di disidratazione a più stadi:
·Fase 1 (100-150℃): rimozione di parte dell'acqua adsorbita e di una piccola quantità di acqua cristallina
·Seconda fase (200-250℃): rimuovere la maggior parte dell'acqua cristallina
·Stadio 3 (300-350℃): disidratazione completa per formare borato di zinco amorfo
Questo processo di disidratazione multistadio consente di assorbire il calore in un intervallo di temperature più ampio e ha un'efficienza ritardante di fiamma più lunga.
La solubilità del borato di zinco monoidrato in acqua è estremamente bassa (<0,1%) ed è quasi insolubile nei solventi organici, il che gli conferisce una buona stabilità di dispersione nei sistemi polimerici.
3.5 Il borato di zinco idrato ha una polarità superficiale più forte grazie al suo maggiore contenuto di acqua cristallina, con conseguente migliore dispersione nei sistemi polari. Tuttavia, nei polimeri non polari può essere necessario un trattamento di modifica superficiale.
La dimensione delle particelle del borato di zinco monoidrato è più piccola (solitamente 1-5 μ m) e l'area superficiale specifica è maggiore (5-15 m ²/g), il che è vantaggioso per la sua dispersione uniforme nella matrice.
La dimensione delle particelle di3,5 borato di zinco idratoè relativamente grande (di solito 5-20μm), ma i prodotti ultrafini possono anche essere preparati attraverso processi speciali.
Entrambi i tipi di borato di zinco esercitano effetti ritardanti di fiamma attraverso molteplici meccanismi, ma con focus diversi:
Borato di zinco monoidrato:
·Disidratazione per assorbimento di calore: la temperatura di disidratazione è elevata, adatta per applicazioni che richiedono ritardante di fiamma nella fase successiva
·Formazione di uno strato protettivo vetroso: dopo la disidratazione, viene generato uno strato di vetro B₂O₃ per isolare l'ossigeno e il calore
·Promuove la carbonizzazione: ha un significativo effetto sinergico con ritardanti di fiamma come l'idrossido di alluminio
3.5 Borato di zinco idrato:
·Assorbimento del calore multistadio: assorbimento del calore in un intervallo di temperature più ampio
·Rilascia acqua cristallina per diluire i gas combustibili
·L'ossido di zinco generato ha un effetto inibitorio sul fumo
·L'effetto sinergico con i ritardanti di fiamma alogenati è particolarmente evidente
3,5 Borato di zinco idratoè generalmente superiore ai prodotti monoidrato nel sopprimere la generazione di fumo grazie al suo contenuto di boro più elevato e alle caratteristiche di disidratazione uniche, che lo rendono particolarmente adatto per applicazioni con severi requisiti di densità del fumo.
·Polimeri per lavorazione ad alta temperatura, come tecnopolimeri (PA, PBT, ecc.), a causa della loro elevata temperatura di disidratazione
·Prodotti di colore chiaro: solitamente hanno un punto di bianco più elevato (≥ 95%), adatto a prodotti con severi requisiti di colore
·Materiale del cavo: eccellente effetto sinergico con idrossido di alluminio/magnesio
·Prodotti trasparenti o semitrasparenti: migliore corrispondenza dell'indice di rifrazione
·Sistemi contenenti PVC e alogeni: significativo effetto ritardante di fiamma sinergico con gli alogeni
·Prodotti in gomma: le caratteristiche di disidratazione multistadio sono più adatte al processo di vulcanizzazione della gomma
·Rivestimento ignifugo: l'alto contenuto di boro garantisce migliori prestazioni di resistenza al fuoco
·Trattamento ignifugo tessile: l'effetto ignifugo a bassa temperatura è migliore
·Luoghi con elevati requisiti di soppressione del fumo: come metropolitane, navi e altri materiali interni
·Temperatura di lavorazione <220℃: la priorità deve essere data al borato di zinco idrato 3,5
·Temperatura di lavorazione 220-280℃: sono disponibili entrambe le opzioni, scegliere in base ad altri requisiti
·Temperatura di lavorazione>280℃: selezionare borato di zinco monoidrato
·Combinato con ritardanti di fiamma inorganici (idrossido di alluminio/magnesio): il borato di zinco monoidrato ha solitamente effetti migliori
·Se combinato con ritardanti di fiamma alogenati, l'effetto sinergico del borato di zinco idrato 3,5 è più significativo
A causa delle sue dimensioni più piccole delle particelle, il borato di zinco monoidrato solitamente ha un impatto minore sulle proprietà meccaniche del materiale, mentre il prodotto 3,5 idrato può richiedere un trattamento di dispersione più fine.
Il monoidrato e il borato di zinco 3,5-idrato sono essenzialmente due composti diversi in chimica, piuttosto che una semplice differenza nel "contenuto di acqua".
