硼酸氧化鋅催化法合成阻燃劑硼酸鋅的研究

孫忠良 翟玉紅 王蓉暉 （營口泰斗化工原料有限責(zé)任公司）

硼酸鋅是阻燃劑家族中成員之一。它的阻燃機理除同氫氧化鋁一樣吸熱失水外，還具有同磷化物類似的成膜效應(yīng)，形成一層固溶體覆蓋在物體表面產(chǎn)生阻燃效果。隨著社會發(fā)展，人類對阻燃劑要求量越來越大，如煤礦的安全生產(chǎn)，皮帶、電纜等必須添加阻燃劑，保證其阻燃效果。硼酸鋅的生產(chǎn)方法有三種工藝：硼砂與鋅鹽反應(yīng)，硼酸與氫氧化鋅反應(yīng)，本實驗采用后種硼酸與氧化鋅合成硼酸鋅，從工藝、環(huán)保、能源都取得了滿意效果，為工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持。

一、實驗部分

1.1、實驗原理

硼酸氧化鋅在催化劑存在下，于液相反應(yīng)生成3.5水硼酸鋅，其反應(yīng)式如下：

2ZnO+6H3BO3=2ZnO.3B2O3.3.5H2O+5.5H2O

1.2、主要儀器與試劑

儀器：攪拌器、溫度控制儀、抽濾瓶、真空泵、電熱干燥箱、電爐、燒杯等。

原料：硼酸（99.5%）、氧化鋅（99.4%）、催化劑。

二、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

2.1、化學(xué)名稱：硼酸鋅。

分子式：2ZnO.3B2O3.3.5H2O

分子量：434.62

性能：外觀為無規(guī)則白色粉末，不溶于水、乙醇、丙酮等溶劑。易溶于鹽酸、硫酸等，熱穩(wěn)定性好，易分散，無毒。

硼酸鋅應(yīng)符合以下要求：

氧化硼（B2O3）% ：47-49.5

氧化鋅（ZnO）% ：37-38.5

灼燒失重 % ：13.5-15.5

水分 %≤ ：1

細度（200 目通過）%≥：99

三、實驗步驟及結(jié)果討論

3.1、工藝流程示意圖

3.2、實驗方法

3.2.1 實驗過程：將氧化鋅加入盛有硼酸溶液及催化劑的反應(yīng)器中，升溫至103-105℃，保溫6-7小時，產(chǎn)物經(jīng)過濾、洗滌、干燥、粉碎即得到成品硼酸鋅。母液循環(huán)使用，同時補加少量催化劑。

3.2.2 本實驗采用正交設(shè)計法

?

3.2.2.1 選擇四個因素：H3BO3用量，ZnO用量，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時間。每個因素選擇三個水平，其中溫度選擇兩個水平，原因是資料介紹反應(yīng)溫度在90-100℃，但通過實驗發(fā)現(xiàn)在該溫度下反應(yīng)速度很慢，所以將溫度提到103-105℃。

3.2.2.2 其它條件為：水量1000ml,在3000ml燒杯中進行加熱反應(yīng)。

3.2.2.3 根據(jù)四因素三水平選用L9（43）正交表進行實驗，結(jié)果如表.：

?

從實驗結(jié)果看，第2、6、9次結(jié)果比較理想，產(chǎn)品達到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中表中第二次實驗為最佳工藝條件,不僅產(chǎn)品質(zhì)量好，而且轉(zhuǎn)化率為最高，反應(yīng)時間最短,條件為A1B2C2D2，即

水量1000ml，硼酸 280g，氧化鋅 100g，反應(yīng)溫度 103-105℃，反應(yīng)時間6-7小時。

3.2.2.4 對正交實驗結(jié)果進行分析，通過計算極差R看各種因素對反應(yīng)結(jié)果影響程度。計算反應(yīng)溫度R為最大6.01/6.92,其次氧化鋅用量5.73/7,再其次H3BO3用量7.08/4.5,最次之反應(yīng)時間2.49/6.54。

3.3、根據(jù)實驗探討各種因素對反應(yīng)的影響

以最佳工藝條件A1B2C2D2為基礎(chǔ)，調(diào)整改變反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間及ZnO、H3BO3用量，確定各種因素對反應(yīng)的影響，實驗條件及結(jié)果如下：

?

3.3.1 溫度對反應(yīng)的影響

從上圖中看出產(chǎn)品中B2O3含量隨著溫度上升而提高，而ZnO含量隨著溫度上升而下降，到100℃時基本維持不變，達到了硼酸與氧化鋅含量配比的匹配。

3.3.2 氧化鋅用量對反應(yīng)的影響

從上圖中明顯看出，隨著ZnO用量增加，生成物中B2O3含量下降，ZnO含量隨著ZnO用量增加而增加，因此ZnO用量不可過量。

3.3.3 H3BO3用量對反應(yīng)的影響

從上圖中明顯看出產(chǎn)品中B2O3含量隨著H3BO3用量上升而提高，而ZnO含量隨著H3BO3用量上升而下降，達到280g時平衡，因此H3BO3用量可適當(dāng)過量。

3.3.4 反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響

從上圖中看出，產(chǎn)品中B2O3含量隨著時間上升而提高，而ZnO含量隨著時間上升而下降，時間達到7小時后，產(chǎn)品含量基本維持不變，反應(yīng)影響比較小。

四、母液循環(huán)實驗

通過化驗，確定母液中硼酸及催化劑含量，通過計算得到循環(huán)投料比，得到與最佳工藝相同結(jié)果。

5、結(jié)論

4.1 通過實驗說明選定的硼酸氧化鋅催化法合成阻燃劑硼酸鋅工藝路線是可行的。

4.2 確定了最佳工藝條件。

4.3 實驗產(chǎn)品質(zhì)量好于國內(nèi)同類產(chǎn)品。

硼化物的制造與應(yīng)用。冉起培、姚樾、鄭學(xué)家、楊子懷主編。無機化工1984.4