孫忠良 翟玉紅 王蓉暉 （營(yíng)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(jī)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(huì)發(fā)展，人類對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)部分

1.1、實(shí)驗(yàn)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(xì)度（200 目通過）%≥：99

三、實(shí)驗(yàn)步驟及結(jié)果討論

3.1、工藝流程示意圖

3.2、實(shí)驗(yàn)方法

3.2.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)補(bǔ)加少量催化劑。

3.2.2 本實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)法

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3.2.2.1 選擇四個(gè)因素：H3BO3用量，ZnO用量，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時(shí)間。每個(gè)因素選擇三個(gè)水平，其中溫度選擇兩個(gè)水平，原因是資料介紹反應(yīng)溫度在90-100℃，但通過實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表.：

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從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，第2、6、9次結(jié)果比較理想，產(chǎn)品達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，其中表中第二次實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)間6-7小時(shí)。

3.2.2.4 對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，通過計(jì)算極差R看各種因素對(duì)反應(yīng)結(jié)果影響程度。計(jì)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(shí)間2.49/6.54。

3.3、根據(jù)實(shí)驗(yàn)探討各種因素對(duì)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(shí)間及ZnO、H3BO3用量，確定各種因素對(duì)反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果如下：

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3.3.1 溫度對(duì)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(shí)基本維持不變，達(dá)到了硼酸與氧化鋅含量配比的匹配。

3.3.2 氧化鋅用量對(duì)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(duì)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(dá)到280g時(shí)平衡，因此H3BO3用量可適當(dāng)過量。

3.3.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響

從上圖中看出，產(chǎn)品中B2O3含量隨著時(shí)間上升而提高，而ZnO含量隨著時(shí)間上升而下降，時(shí)間達(dá)到7小時(shí)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(shí)驗(yàn)

通過化驗(yàn)，確定母液中硼酸及催化劑含量，通過計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量好于國(guó)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(jī)化工1984.4