阻燃劑的種類繁多，其化學(xué)結(jié)構(gòu)及使用方法各不相同。最常見的阻燃劑的阻燃元素主要是以元素周期表中第Ⅲ主族中的硫。第Ⅶ主族的氟、氯、溴等為基礎(chǔ)的化合物。 此外，鋅、鋇、鎂、鈦、錫、鐵、鋯、鉬等金屬化合物也可作為阻燃劑，但是在實(shí)際應(yīng)用中，阻燃劑主要是以鹵素和磷為中心阻燃元素的化合物。含鹵阻燃劑盡管阻 燃效果較好，但由于在使用和燃燒過程中的二次污染問題，而逐漸被無鹵阻燃劑所代替。磷系阻燃劑也是一種阻燃性能良好的阻燃劑，有機(jī)磷阻燃劑應(yīng)用于織物整理 時，雖然有良好的耐洗性和耐久壓燙性，但有些處理過的織物存在斷裂強(qiáng)度下降、變色和產(chǎn)生臭氣、有毒性等問題。近年來隨著新的環(huán)保要求和法規(guī)的不斷提出，硼 系阻燃劑以其優(yōu)良的阻燃、低毒和抑煙特性正越來越受到人們的關(guān)注，硼酸鋅就是其中的重要產(chǎn)品之一。

　　一、硼酸鋅的物化性能

　　硼酸鋅外觀為白色或淡黃色結(jié)晶粉末，是一種多功能添加劑，具有阻燃、成碳、抑煙、抑陰燃和防止生成溶滴等多種效能，并且具有低毒、廉價、透明度高和不易沉淀等特性。它的分子式通常為2ZnO·3B2O3·3.5H2O或2ZnO·3B2O3·7H2O。在已經(jīng)面市的各種不同結(jié)構(gòu)的硼酸鋅水合物中，因?yàn)?ZnO·3B2O3·3.5H2O具有較高的脫水溫度，在250℃以上仍然保留結(jié)晶水，因此實(shí)際應(yīng)用的硼酸鋅指的主要是2ZnO·3B2O3·3.5H2O。它平均粒徑7um左右，熔點(diǎn)為980℃，密度2.8，折射率為1.58～1.59，細(xì)度大于325目，吸油性（g/100g）為35，室溫下水中溶解度＜0.28％，不溶于冷水，熱水中微溶，能被強(qiáng)酸或強(qiáng)堿水解，易溶于鹽酸、硫酸、二甲亞砜，可溶于氨水，在氫氧化鈉中溶解性稍差，不溶于乙醇、正丁醇、苯及丙酮等有機(jī)溶劑。

　　二、硼酸鋅的阻燃機(jī)理

　　一般來說，阻燃劑是通過吸熱作用、覆蓋作用、抑制鏈反應(yīng)和釋放不燃?xì)怏w等若干途徑或機(jī)理發(fā)揮其阻燃作用的，而多數(shù)阻燃劑是幾種機(jī)理共同作用而達(dá)到阻燃目的。硼酸鹽的阻燃原理主要來自以下幾個方面：(1)能形成玻璃態(tài)無機(jī)膨脹涂層；（2）能促進(jìn)成碳；（3）能阻礙發(fā)揮性阻燃物的逸出；（4）能在高溫下脫水，具有吸熱、發(fā)泡及沖稀可燃物的功能。實(shí)際上，硼酸鋅阻燃劑的阻燃機(jī)理可歸納為吸熱及稀釋作用、覆蓋作用和抑制鏈反應(yīng)等三方面。

　　1、吸熱及稀釋作用

　　溫度高于300℃時硼酸鋅產(chǎn)生熱分解失去結(jié)晶水，起到吸熱冷卻和稀釋空氣中氧氣的作用。另外，此時硼酸鋅中的部分鋅以氧化鋅的形式進(jìn)入相，稀釋可燃?xì)怏w的濃度低于燃燒下限，從而阻止繼續(xù)燃燒，達(dá)到阻燃目的。

　　2、覆蓋作用

　　高溫下，硼酸鋅分解生成B2O3固體，附著于材料表面，形成一層覆蓋層，此覆蓋層能夠有效抑制可燃性體產(chǎn)生并阻止氧化及熱分解作用的進(jìn)一步進(jìn)行。硼酸鋅阻燃劑與鹵素化合物并用，受熱時發(fā)生反應(yīng)生成ZnX2，ZnOX(X為CL或Br)。阻燃劑在高分子材料熱解前熔融并形成高沸點(diǎn)的固體ZnX2覆蓋層，抑制可然性氣體的同時阻止氧化及熱作用，進(jìn)而達(dá)到阻燃的作用。

　　3、抑制鏈反應(yīng)

　　材料燃燒的鏈反應(yīng)理論認(rèn)為，自由基之間的鏈傳遞是維持燃燒的必要條件。阻燃劑作用于氣相燃燒區(qū)，捕捉燃燒反應(yīng)中的自由基，阻止火焰的傳遞，降低燃燒區(qū)火焰密度和燃燒反應(yīng)速度直至燃燒終止。硼酸鋅添加含鹵材料燃燒時所產(chǎn)生BX3與氣相中水蒸氣作用生產(chǎn)HX，HX在火焰中能生成有效阻止自由基間鏈反應(yīng)的鹵素原子，從而起到阻燃作用。

　　三、硼酸鋅的制備方法

　　目前，硼酸鋅的制備方法主要有中和法和復(fù)分解法兩種。

　　1、中和法

　　該方法按原料的不同又可分為硼酸－氧化鋅法和硼酸－氫氧化鋅法兩種。

　　（1）、硼酸－氧化鋅法

　　該方法以硼酸和氧化鋅為原料，按一定配比和先后順序?qū)⒃贤度敕磻?yīng)器中，在指定溫度下反應(yīng)一定時間，過濾、洗滌、干燥即可得到產(chǎn)品。該方法工藝簡單，產(chǎn)品單一性好，純度高，收率可達(dá)到95％，操作方便，母液可循環(huán)使用，無三廢污染，無后續(xù)處理工序，設(shè)備投資少，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。不足之處是硼酸和氧化鋅的價格都比較高，所以成本比較高。

　　（2）、硼酸－氫氧化鋅法

　　該方法的合成條件與硼酸－氧化鋅法基本相同，工藝流程也十分相似，將硼酸和氫氧化鋅按一定的比例投入反應(yīng)器，控制一定的固液比，于90～100℃下反應(yīng)5～7h。該路線的優(yōu)點(diǎn)就是產(chǎn)品單一，無三廢，硼酸的利用率較高，缺點(diǎn)原料Zn(OH)2需要用鋅鹽現(xiàn)場制備，有副產(chǎn)物和廢水產(chǎn)生，實(shí)際生產(chǎn)中由于需要增加氫氧化鋅制備工序，使得該方法生產(chǎn)的步驟增多，增加了成本，故該路線現(xiàn)在已經(jīng)基本不再使用。

　　2、復(fù)分解法

　　該方法是目前生產(chǎn)硼酸鋅的主要方法，它是以硼砂和鋅鹽（主要是ZnSO4·7 H2O）為原料，將一定配比硼砂和水加入反應(yīng)器中，攪拌加熱至一定溫度，然后在一定時間內(nèi)加入ZnO和ZnSO4，恒溫?cái)嚢柘路磻?yīng)一定時間，過濾、洗滌、干燥制得產(chǎn)品。加入ZnO不 僅可以作為晶種，也可提高硼砂的利用率，減少硼酸分離步驟，降低生產(chǎn)成本。此法的原料比較容易得到，成本較低，粒度容易控制，但是該法的缺點(diǎn)是反應(yīng)條件比 較苛刻。硼砂是強(qiáng)堿弱酸鹽，使得體系溶液呈堿性，鋅以氫氧化鋅微溶物形式存在，復(fù)分解反應(yīng)速度減慢，反應(yīng)時間延長，在一定程度上增加了能耗，提高了產(chǎn)品成 本。另外，此方法生成硼酸和硫酸鈉兩種副產(chǎn)物，只有將其分離出來才能循環(huán)使用母液，生產(chǎn)設(shè)備投資大，后處理量大，工序繁瑣，為提高產(chǎn)品純度必須嚴(yán)格控制反 應(yīng)條件。關(guān)于兩種副產(chǎn)物的分離，可以采用含多羥基類物質(zhì)進(jìn)行分離。實(shí)際并不產(chǎn)生廢水，只是設(shè)備投入比較大，比較適合規(guī)?；a(chǎn)。

　　四、硼酸鋅的主要用途

　　硼酸鋅是一種多功能無機(jī)添加型阻燃劑，熱穩(wěn)定性好，失水溫度高，脫結(jié)晶水的溫度可達(dá)300℃以上。比重小、粒徑細(xì)、易分散、無毒性是其獨(dú)特之處，與其它有機(jī)和無機(jī)阻燃劑相比較，它的阻燃效果更優(yōu)、抑煙性好（能減少燃燒黑煙量25％），可保持透明塑料的透明度，使用時無需處理等優(yōu)點(diǎn)。

　　硼酸鋅具有多種優(yōu)異性能，其中協(xié)效作用尤為顯著，這使得其應(yīng)用更加廣泛。在無機(jī)阻燃劑中，氫氧化鋁具有阻燃、消煙、填充三種功能，但是氫氧化鋁在使用時通常需要加入50％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以上才能顯示很好的阻燃效果。氫氧化鎂和氫氧化鋁一樣，這樣就會由于大量添加使基材料脂加工性能變差，力學(xué)性能損失較大。三氧化二銻使鹵素阻燃劑必不可少的協(xié)同劑，但是單獨(dú)使用時阻燃作用很小。硼酸鋅由于具有較高的脫水溫度（大于300℃）， 超過大多數(shù)聚合物的分解溫度，可以全部或部分代替三氧化二銻用于熱固性聚酯配方中，降低了使用成本，也可以與氫氧化鋁、氫氧化鎂和磷系阻燃劑產(chǎn)生良好的協(xié) 效作用，從而減少了它們的添加量，降低了它們對基材加工性能的影響。趙偉等研究硼酸鋅與氫氧化鎂、氫氧化鋁、三氧化二銻、氯化石蠟在低密度聚乙烯的阻燃中 的協(xié)效作用，發(fā)現(xiàn)硼酸鋅無論是與鹵阻燃體系復(fù)配還是與有鹵阻燃體系復(fù)配，都能達(dá)到很好的阻燃效果，并且減少了其它阻燃劑的用量，改善了材料的加工性能。Bourbigor等報道了硼酸鋅與氫氧化鋁、氫氧化鎂在阻燃EVA(VA含量24％)中的協(xié)同效應(yīng)。相對于單獨(dú)使用氫氧化鋁、氫氧化鎂，將彭雙向與它們合并使用，能獲得更高的氧指數(shù)。羅權(quán)媲等還研究了硅橡膠中加入Mg(OH)/硼酸鋅并用的添加型阻燃劑對其阻燃性能和物理機(jī)械性能的影響，結(jié)果表明，加入該并用阻燃劑后，硅橡膠的氧指數(shù)最大可達(dá)到33％。在無鹵阻燃體系中，除常見的無機(jī)阻燃劑外，磷系阻燃劑也是研究熱門之一，林曉丹等通過氧指數(shù)、熱重分析（TGA）和掃描電子顯微鏡（SEM） 研究了硼酸鋅在膨脹型阻燃聚丙烯中與聚磷刷酸銨的協(xié)同阻燃作用。研究認(rèn)為該體系的阻燃機(jī)理是聚磷酸銨分解后形成的玻璃狀物質(zhì)與硼酸鋅分解物形成一種乳液體 系覆蓋在燃燒物表面。該體系使聚磷酸銨分解產(chǎn)生的氣泡穩(wěn)定，形成有效的隔離層使阻燃性能得到提高。從以上研究結(jié)果可以看出，硼酸鋅的多重阻燃機(jī)理使得它在 不同阻燃體系中扮演了不同的角色。

　　鹵系阻燃劑以其阻燃效率高而且價格適中，加上品種多、適用范圍廣等特點(diǎn)占據(jù)了塑料阻燃劑的主導(dǎo)地位，是目前世界上產(chǎn)量最大的有機(jī)阻燃劑之一，主要用于電子和 建筑工業(yè)。多年來，除了個別情況（如某些阻燃熱塑料性聚酯、阻燃環(huán)氧玻璃鋼印刷電路板）外，鹵系阻燃劑都與氧化銻并用，以提高阻燃效率。長期以來，人們一 直在尋找能與氧化銻媲美的增效劑。根據(jù)前人的研究結(jié)果，在阻燃不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂、PBT、PET及尼龍等多種塑料中，硼酸鋅可單獨(dú)用作鹵系阻燃劑的增效劑，全部代替氧化銻，也可與氧化銻混用。而且在很多阻燃體系中，硼酸鋅與氧化銻間有協(xié)同效果。值得注意的是，硼酸鋅的這種增效作用與鹵素阻燃劑的類型十分有關(guān)。

　　硼酸鋅能起清除余輝的作用，能減緩熱釋放速率，在無鹵聚烯烴中燃燒時能促進(jìn)陶瓷質(zhì)的形成，能延長聚烯烴的老化壽命，在溴銻系阻燃劑中能提高熱穩(wěn)定性，在含鹵工程塑料的的加工設(shè)備中能起到抗腐蝕作用，能提高激光標(biāo)刻質(zhì)量。

　　硼酸鋅在除了作為阻燃劑，廣泛應(yīng)用于各種纖維樹脂、橡膠制品、電器絕緣材料、電子制品外殼、汽車零件壁材、電線電纜、阻燃涂料等多方面的阻燃和抑煙外，還可 用于木材、紙張、醫(yī)藥、防水織物、陶瓷釉藥、涂料等的防霉劑、殺菌劑、防腐劑、防銹劑，如硼酸鋅用作汽車和船舶底漆的防腐蝕涂料。另外，硼酸鋅可作新興陶 瓷低溫快燒工藝中的助溶劑，在制備具有抗磨減磨潤滑劑方面也有廣闊的應(yīng)用前景。

　　五、結(jié)束語

　　硼酸鋅的制備方法各具有特點(diǎn)，根據(jù)我國的資源情況和國情，復(fù)分解法仍將是我國今后發(fā)展的重點(diǎn)。為此，今后將繼續(xù)加大該工藝的研究開發(fā)，重點(diǎn)是要加強(qiáng)副產(chǎn)物的 回收利用技術(shù)開發(fā)，以降低生產(chǎn)成本。此外，目前，硼酸鋅的應(yīng)用在我國還處于開發(fā)階段，隨著今后阻燃劑向低毒化、無鹵化、復(fù)合化和抑煙化等方向發(fā)展，硼酸鋅 作為一種性能優(yōu)越的阻燃劑，在我國將具有廣闊的發(fā)展和開發(fā)利用前景?！灸详枛|方應(yīng)用化工研究所】