Borate de zinc, en tant qu'additif inorganique ignifuge et multifonctionnel efficace et respectueux de l'environnement, a été largement utilisé dans les plastiques, le caoutchouc, les revêtements, les textiles et d'autres domaines. Cependant, le « borate de zinc » communément mentionné dans l'industrie comprend en réalité diverses formes avec différentes teneurs en eau cristalline, parmi lesquelles les plus représentatives sont le borate de zinc monohydraté (ZnO·B₂O₃·H₂O) et le borate de zinc 3,5hydraté (2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O). Cet article approfondira les différences entre les deux d’un point de vue académique professionnel.
La formule chimique du borate de zinc monohydraté est ZnO·B₂O₃·H₂O, où le rapport molaire de ZnO à B₂O₃ est de 1:1 et la teneur en eau des cristaux est fixée à 1 molécule. Sa structure cristalline présente généralement un arrangement en couches ou en chaîne, avec des atomes de bore existant sous une forme à trois ou quatre coordonnées, formant un réseau stable d'oxygène de bore. Cette structure a une stabilité thermique élevée et la température de déshydratation est généralement comprise entre 250 et 300 ℃.
La formule chimique du borate de zinc hydraté 3,5 est 2ZnO·3B₂O₃·3,5H₂O, avec un rapport molaire de 2:3 entre ZnO et B₂O₃, contenant 3,5 molécules d'eau cristallines.
Comparaison des principales différences structurelles :
·Différence de teneur en eau : la teneur en eau cristalline du borate de zinc hydraté 3,5 est 3,5 fois celle du monohydrate
·Différents ratios de bore-zinc : 1:1 pour le monohydrate et 3:2 pour le 3,5-hydrate
·Symétrie cristalline : le monohydrate se trouve généralement dans le système cristallin monoclinique, tandis que 3,5 hydrates se trouvent principalement dans le système cristallin triclinique ou monoclinique.
Le processus de déshydratation du borate de zinc monohydraté est relativement simple, éliminant la seule molécule d'eau structurelle dans la plage de 250 à 300 ℃ pour former du borate de zinc anhydre. Ce processus absorbe considérablement la chaleur, ce qui aide le matériau à absorber une grande quantité de chaleur lorsqu'il est chauffé.
Le comportement de déshydratation du borate de zinc 3,5 hydraté est plus complexe, présentant des caractéristiques de déshydratation en plusieurs étapes :
·Phase 1 (100-150℃) : Élimination d'un peu d'eau adsorbée et d'une petite quantité d'eau cristalline
·Deuxième étape (200-250 ℃) : élimine la majeure partie de l'eau cristalline
·Étape 3 (300-350℃) : déshydratation complète pour former du borate de zinc amorphe
Ce processus de déshydratation en plusieurs étapes lui permet d'absorber la chaleur sur une plage de températures plus large et a une efficacité ignifuge plus longue.
La solubilité du borate de zinc monohydraté dans l'eau est extrêmement faible (<0,1 %) et il est presque insoluble dans les solvants organiques, ce qui lui confère une bonne stabilité de dispersion dans les systèmes polymères.
3.5 Le borate de zinc hydraté a une polarité de surface plus forte en raison de sa teneur plus élevée en eau cristalline, ce qui entraîne une meilleure dispersion dans les systèmes polaires. Cependant, un traitement de modification de surface peut être nécessaire dans les polymères non polaires.
La taille des particules du borate de zinc monohydraté est plus petite (généralement 1 à 5 µm) et la surface spécifique est plus grande (5 à 15 m²/g), ce qui est bénéfique pour sa dispersion uniforme dans la matrice.
La taille des particules de3,5 borate de zinc hydratéest relativement grande (généralement 5 à 20 μm), mais des produits ultrafins peuvent également être préparés grâce à des procédés spéciaux.
Les deux types de borate de zinc exercent des effets ignifuges par le biais de multiples mécanismes, mais avec des objectifs différents :
Borate de zinc monohydraté :
·Déshydratation par absorption de chaleur : la température de déshydratation est élevée, adaptée aux applications nécessitant un retardateur de flamme à un stade ultérieur
·Formant une couche protectrice vitreuse : après déshydratation, une couche de verre B₂O₃ est générée pour isoler l'oxygène et la chaleur.
· Favoriser la carbonisation : a un effet synergique important avec les retardateurs de flamme tels que l'hydroxyde d'aluminium.
3.5 Borate de zinc hydraté :
·Absorption de chaleur en plusieurs étapes : absorbe la chaleur sur une plage de température plus large
· Libérer de l'eau cristalline pour diluer les gaz combustibles
·L'oxyde de zinc généré a un effet inhibiteur sur la fumée
·L'effet synergique avec les retardateurs de flamme halogénés est particulièrement important
3.5 Borate de zinc hydratéest généralement supérieur aux produits monohydratés pour supprimer la génération de fumée en raison de sa teneur plus élevée en bore et de ses caractéristiques de déshydratation uniques, ce qui le rend particulièrement adapté aux applications avec des exigences strictes en matière de densité de fumée.
·Polymères traités à haute température, tels que les plastiques techniques (PA, PBT, etc.), en raison de leur température de déshydratation élevée
·Produits de couleur claire : ont généralement une blancheur plus élevée (≥ 95%), adaptés aux produits ayant des exigences de couleur strictes
·Matériau du câble : Excellent effet synergique avec l'hydroxyde d'aluminium/magnésium
·Produits transparents ou semi-transparents : meilleure adaptation de l'indice de réfraction
·Systèmes contenant du PVC et des halogènes : effet ignifuge synergique significatif avec les halogènes
·Produits en caoutchouc : les caractéristiques de déshydratation en plusieurs étapes sont plus adaptées au processus de vulcanisation du caoutchouc
·Revêtement ignifuge : une teneur élevée en bore offre de meilleures performances de résistance au feu
·Traitement ignifuge textile : l'effet ignifuge à basse température est meilleur
·Lieux avec des exigences élevées en matière de suppression de fumée : tels que les métros, les navires et autres matériaux internes
·Température de traitement <220 ℃ : la priorité doit être donnée au borate de zinc hydraté 3,5
·Température de traitement 220-280℃ : les deux options sont disponibles, choisissez en fonction d'autres exigences
·Température de traitement>280 ℃ : le borate de zinc monohydraté doit être sélectionné
·Combiné avec des retardateurs de flamme inorganiques (hydroxyde d'aluminium/magnésium) : le borate de zinc monohydraté a généralement de meilleurs effets
·Lorsqu'il est combiné avec des retardateurs de flamme halogénés, l'effet synergique du borate de zinc hydraté 3,5 est plus significatif
En raison de sa plus petite taille de particules, le borate de zinc monohydraté a généralement moins d'impact sur les propriétés mécaniques du matériau, tandis que le produit à 3,5 hydrates peut nécessiter un traitement de dispersion plus fin.
Le monohydrate et le borate de zinc à 3,5 hydrates sont essentiellement deux composés différents en chimie, plutôt qu'une simple différence de « teneur en eau ».
