硼酸氧化锌催化法合成阻燃剂硼酸锌的研究

孙忠良 翟玉红 王蓉晖 （营口泰斗化工原料有限责任公司）

硼酸锌是阻燃剂家族中成员之一。它的阻燃机理除同氢氧化铝一样吸热失水外，还具有同磷化物类似的成膜效应，形成一层固溶体覆盖在物体表面产生阻燃效果。随着社会发展，人类对阻燃剂要求量越来越大，如煤矿的安全生产，皮带、电缆等必须添加阻燃剂，保证其阻燃效果。硼酸锌的生产方法有三种工艺：硼砂与锌盐反应，硼酸与氢氧化锌反应，本实验采用后种硼酸与氧化锌合成硼酸锌，从工艺、环保、能源都取得了满意效果，为工业化生产提供了技术支持。

一、实验部分

1.1、实验原理

硼酸氧化锌在催化剂存在下，于液相反应生成3.5水硼酸锌，其反应式如下：

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

1.2、主要仪器与试剂

仪器：搅拌器、温度控制仪、抽滤瓶、真空泵、电热干燥箱、电炉、烧杯等。

原料：硼酸（99.5%）、氧化锌（99.4%）、催化剂。

二、产品标准

2.1、化学名称：硼酸锌。

分子式：2ZnO.3B2O3.3.5H2O

分子量：434.62

性能：外观为无规则白色粉末，不溶于水、乙醇、丙酮等溶剂。易溶于盐酸、硫酸等，热稳定性好，易分散，无毒。

硼酸锌应符合以下要求：

氧化硼（B2O3）% ：47-49.5

氧化锌（ZnO）% ：37-38.5

灼烧失重 % ：13.5-15.5

水分 %≤ ：1

细度（200 目通过）%≥：99

三、实验步骤及结果讨论

3.1、工艺流程示意图

3.2、实验方法

3.2.1 实验过程：将氧化锌加入盛有硼酸溶液及催化剂的反应器中，升温至103-105℃，保温6-7小时，产物经过滤、洗涤、干燥、粉碎即得到成品硼酸锌。母液循环使用，同时补加少量催化剂。

3.2.2 本实验采用正交设计法

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3.2.2.1 选择四个因素：H3BO3用量，ZnO用量，反应温度，反应时间。每个因素选择三个水平，其中温度选择两个水平，原因是资料介绍反应温度在90-100℃，但通过实验发现在该温度下反应速度很慢，所以将温度提到103-105℃。

3.2.2.2 其它条件为：水量1000ml,在3000ml烧杯中进行加热反应。

3.2.2.3 根据四因素三水平选用L9（43）正交表进行实验，结果如表.：

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从实验结果看，第2、6、9次结果比较理想，产品达到质量标准，其中表中第二次实验为最佳工艺条件,不仅产品质量好，而且转化率为最高，反应时间最短,条件为A1B2C2D2，即

水量1000ml，硼酸 280g，氧化锌 100g，反应温度 103-105℃，反应时间6-7小时。

3.2.2.4 对正交实验结果进行分析，通过计算极差R看各种因素对反应结果影响程度。计算反应温度R为最大6.01/6.92,其次氧化锌用量5.73/7,再其次H3BO3用量7.08/4.5,最次之反应时间2.49/6.54。

3.3、根据实验探讨各种因素对反应的影响

以最佳工艺条件A1B2C2D2为基础，调整改变反应温度、反应时间及ZnO、H3BO3用量，确定各种因素对反应的影响，实验条件及结果如下：

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3.3.1 温度对反应的影响

从上图中看出产品中B2O3含量随着温度上升而提高，而ZnO含量随着温度上升而下降，到100℃时基本维持不变，达到了硼酸与氧化锌含量配比的匹配。

3.3.2 氧化锌用量对反应的影响

从上图中明显看出，随着ZnO用量增加，生成物中B2O3含量下降，ZnO含量随着ZnO用量增加而增加，因此ZnO用量不可过量。

3.3.3 H3BO3用量对反应的影响

从上图中明显看出产品中B2O3含量随着H3BO3用量上升而提高，而ZnO含量随着H3BO3用量上升而下降，达到280g时平衡，因此H3BO3用量可适当过量。

3.3.4 反应时间对反应的影响

从上图中看出，产品中B2O3含量随着时间上升而提高，而ZnO含量随着时间上升而下降，时间达到7小时后，产品含量基本维持不变，反应影响比较小。

四、母液循环实验

通过化验，确定母液中硼酸及催化剂含量，通过计算得到循环投料比，得到与最佳工艺相同结果。

5、结论

4.1 通过实验说明选定的硼酸氧化锌催化法合成阻燃剂硼酸锌工艺路线是可行的。

4.2 确定了最佳工艺条件。

4.3 实验产品质量好于国内同类产品。

硼化物的制造与应用。冉起培、姚樾、郑学家、杨子怀主编。无机化工1984.4