kẽm borat, như một chất phụ gia đa chức năng và chống cháy vô cơ hiệu quả và thân thiện với môi trường, đã được sử dụng rộng rãi trong nhựa, cao su, sơn, dệt may và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, "kẽm borat" thường được nhắc đến trong ngành thực tế bao gồm nhiều dạng khác nhau với hàm lượng nước tinh thể khác nhau, trong đó tiêu biểu nhất là kẽm borat monohydrat (ZnO·B₂O₃·H₂O) và kẽm borat 3,5hydrat (2ZnO·3B₂O₃·3.5H₂O). Bài viết này sẽ đi sâu vào sự khác biệt giữa hai từ góc độ học thuật chuyên nghiệp.
Công thức hóa học của kẽm borat monohydrat là ZnO·B₂O₃·H₂O, trong đó tỷ lệ mol của ZnO và B₂O₃ là 1:1 và hàm lượng nước tinh thể được cố định ở 1 phân tử. Cấu trúc tinh thể của nó thường thể hiện sự sắp xếp theo lớp hoặc chuỗi, với các nguyên tử boron tồn tại ở dạng ba tọa độ hoặc bốn tọa độ, tạo thành mạng lưới oxy boron ổn định. Cấu trúc này có độ ổn định nhiệt cao và nhiệt độ khử nước thường nằm trong khoảng 250-300oC.
Công thức hóa học của borat kẽm hydrat hóa 3,5 là 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O, với tỷ lệ mol là 2:3 giữa ZnO và B₂O₃, chứa 3,5 phân tử nước kết tinh.
So sánh sự khác biệt về cấu trúc chính:
·Chênh lệch hàm lượng nước: Hàm lượng nước tinh thể của 3,5 borat kẽm ngậm nước gấp 3,5 lần so với monohydrat
·Tỷ lệ kẽm boron khác nhau: 1:1 đối với monohydrat và 3:2 đối với 3,5-hydrat
·Tính đối xứng tinh thể: Monohydrat thường thuộc hệ tinh thể đơn tà, trong khi 3,5 hydrat chủ yếu thuộc hệ tinh thể ba tà hoặc đơn tà
Quá trình khử nước của kẽm borat monohydrat tương đối đơn giản, loại bỏ phân tử nước cấu trúc duy nhất trong khoảng 250-300oC để tạo thành kẽm borat khan. Quá trình này hấp thụ nhiệt đáng kể, giúp vật liệu hấp thụ một lượng nhiệt lớn khi nung nóng.
Hành vi khử nước của borat kẽm hydrat hóa 3,5 phức tạp hơn, thể hiện các đặc điểm khử nước nhiều giai đoạn:
·Giai đoạn 1 (100-150oC): Loại bỏ một lượng nước bị hấp phụ và một lượng nhỏ nước kết tinh
·Giai đoạn thứ hai (200-250oC): Loại bỏ phần lớn nước kết tinh
·Giai đoạn 3 (300-350oC): Khử nước hoàn toàn để tạo thành borat kẽm vô định hình
Quá trình khử nước nhiều giai đoạn này cho phép nó hấp thụ nhiệt trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn và có hiệu quả chống cháy lâu hơn.
Độ hòa tan của kẽm borat monohydrat trong nước cực kỳ thấp (<0,1%) và hầu như không hòa tan trong dung môi hữu cơ, mang lại độ ổn định phân tán tốt trong các hệ thống polymer.
3.5 Kẽm borat ngậm nước có độ phân cực bề mặt mạnh hơn do hàm lượng nước tinh thể cao hơn, dẫn đến sự phân tán tốt hơn trong các hệ phân cực. Tuy nhiên, việc xử lý biến đổi bề mặt có thể được yêu cầu đối với các polyme không phân cực.
Kích thước hạt của kẽm borat monohydrat nhỏ hơn (thường là 1-5 μm) và diện tích bề mặt riêng lớn hơn (5-15 m2/g), có lợi cho sự phân tán đồng đều của nó trong nền.
Kích thước hạt của3,5 kẽm borat ngậm nướctương đối lớn (thường là 5-20μm), nhưng các sản phẩm siêu mịn cũng có thể được điều chế thông qua các quy trình đặc biệt.
Cả hai loại kẽm borat đều có tác dụng chống cháy thông qua nhiều cơ chế nhưng với trọng tâm khác nhau:
Kẽm borat monohydrat:
·Khử nước hấp thụ nhiệt: Nhiệt độ khử nước cao, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu khả năng chống cháy ở giai đoạn sau
·Hình thành lớp bảo vệ thủy tinh: Sau khi khử nước, tạo ra lớp thủy tinh B₂O₃ để cách ly oxy và nhiệt
·Thúc đẩy quá trình cacbon hóa: có tác dụng hiệp đồng đáng kể với các chất chống cháy như nhôm hydroxit
3.5 Kẽm borat ngậm nước:
·Hấp thụ nhiệt nhiều giai đoạn: hấp thụ nhiệt trên phạm vi nhiệt độ rộng hơn
·Giải phóng nước tinh thể để pha loãng khí dễ cháy
·Kẽm oxit sinh ra có tác dụng ức chế khói
·Tác dụng hiệp đồng với chất chống cháy halogen hóa đặc biệt nổi bật
3.5 Kẽm borat ngậm nướcthường vượt trội hơn các sản phẩm monohydrat trong việc ngăn chặn sự tạo khói do hàm lượng boron cao hơn và đặc tính khử nước độc đáo, khiến nó đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng có yêu cầu nghiêm ngặt về mật độ khói.
·Polyme xử lý nhiệt độ cao, chẳng hạn như nhựa kỹ thuật (PA, PBT, v.v.), do nhiệt độ khử nước cao
·Sản phẩm có màu sáng: thường có độ trắng cao hơn ( ≥ 95%), phù hợp với những sản phẩm có yêu cầu khắt khe về màu sắc
·Vật liệu cáp: Tác dụng hiệp đồng tuyệt vời với nhôm hydroxit/magiê
·Sản phẩm trong suốt hoặc bán trong suốt: kết hợp chỉ số khúc xạ tốt hơn
·Hệ thống chứa PVC và halogen: tác dụng chống cháy tổng hợp đáng kể với halogen
·Sản phẩm cao su: đặc tính khử nước nhiều giai đoạn phù hợp hơn cho quá trình lưu hóa cao su
·Lớp phủ chống cháy: hàm lượng boron cao mang lại hiệu quả chống cháy tốt hơn
·Xử lý chất chống cháy dệt: Hiệu quả chống cháy ở nhiệt độ thấp tốt hơn
·Những nơi có yêu cầu ngăn khói cao: như tàu điện ngầm, tàu thủy và các vật liệu bên trong khác
·Nhiệt độ xử lý<220oC: Nên ưu tiên borat kẽm hydrat hóa 3,5
·Nhiệt độ xử lý 220-280oC: Cả hai tùy chọn đều có sẵn, lựa chọn theo yêu cầu khác
·Nhiệt độ xử lý>280oC: Nên chọn kẽm borat monohydrat
·Kết hợp với chất chống cháy vô cơ (nhôm hydroxit/magiê): Kẽm borat monohydrat thường có tác dụng tốt hơn
·Khi kết hợp với chất chống cháy halogen hóa, tác dụng hiệp đồng của borat kẽm hydrat hóa 3,5 sẽ đáng kể hơn
Do kích thước hạt nhỏ hơn, kẽm borat monohydrat thường ít ảnh hưởng đến tính chất cơ học của vật liệu, trong khi sản phẩm 3,5 hydrat có thể yêu cầu xử lý phân tán mịn hơn.
Monohydrat và kẽm borat 3,5 hydrat về cơ bản là hai hợp chất khác nhau trong hóa học, chứ không phải là sự khác biệt đơn giản về "hàm lượng nước".
