Boroxid: Eigenschaften, Herstellung und Verwendung

boric oxide powder

Boroxid, auch Dibortrioxid genannt, ist die Verbindung mit der chemischen Formel B2O3. Es handelt sich um einen farblosen, transparenten Feststoff, der fast immer glasig (amorph) ist, sich aber nur sehr schwer kristallisieren lässt.

Boroxid ist eine relativ starke Lewis-Säure und bildet mit anderen Oxiden leicht Gläser. Es ist auch in Wasser löslich und reagiert dort unter Bildung von Borsäure (H₃BO₃).

Inhaltsverzeichnis

1. Physikalische Eigenschaften von Boroxid

Glasartiges Boroxid ist ein transparenter, glasartiger Feststoff mit hoher Viskosität. Selbst bei hohen Temperaturen ist es schwierig, es in völlig wasserfreiem Zustand herzustellen. Das Vorhandensein geringer Mengen Wasser kann seine Eigenschaften erheblich beeinträchtigen.

Die Dichte von glasartigem Boroxid hängt von seiner thermischen Vorgeschichte und seinem Feuchtigkeitsgehalt ab. Handelsübliches Boroxid hat bei 20 °C eine Dichte von 1,84 g/cm³, während sehr trockenes Boroxid eine Dichte von 1,82 g/cm³ aufweist. Geglühtes Boroxid hat eine höhere Dichte als schnell abgekühltes Boroxid.

Die Bildungswärme für amorphes Boroxidglas beträgt 1260 kJ/mol. Kristallines hexagonales Boroxid hat eine Bildungswärme von 1274 kJ/mol. Die Wärmekapazität von Boroxid steigt mit der Temperatur.

Die elektrolytische Leitfähigkeit von Boroxid ist mit nur 5 × 10-4 S/cm bei 300 °C sehr niedrig. Der Brechungsindex von Boroxid variiert je nach seiner thermischen Vorgeschichte zwischen (1,4502 und 1,4633).

Die Dampfzusammensetzung von Boroxid besteht hauptsächlich aus B2O3+ , mit jeweils etwa 7 % B2O3+ und BO+, zusammen mit 2 % B< sup>+. Boroxid weist in Dampf eine größere Flüchtigkeit auf als trockene Luft.

Der grüne Farbton von Boroxid in einer Flamme wird BO2 als emittierender Spezies zugeschrieben.

Die molekularen Anordnungen in flüssigem und glasartigem Boroxid bleiben ein Diskussionsthema. Aktuelle Erkenntnisse gehen von einem zufälligen Netzwerk trigonaler Boroxideinheiten aus, die sowohl unabhängig voneinander als auch in gemeinsamen Sauerstoffanordnungen existieren und sechsgliedrige Boroxolringe mit lokalisierter Nahordnung bilden.

Der Anteil von Bor in Boroxolringen bleibt umstritten, wobei experimentelle und rechnerische Studien zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Dennoch deuten die überwiegenden experimentellen Daten auf ein signifikantes Vorkommen von Bor in glasartigem Boroxid in Form von Boroxolringen hin.

Tabelle 1: Viskosität von geschmolzenem B2O3 als Funktion der Temperatur
T (°C) η (Pa·s)
300 4,4×108
400 1,6×108
500 3900
600 480
700 85
800 26
900 12
1000 7.4
1100 4.3
Tabelle 2: Dampfdruck von geschmolzenem Boroxid als Funktion der Temperatur
T (°C) PB2O3; kPa
1163 0,0005
1270 0,005
1673 1,5
1810 5.7
2000 24
2146 80

2. Chemische Eigenschaften von Boroxid

Geschmolzenes B2O3 wirkt bei Temperaturen über 1000 °C korrosiv auf die meisten Metalle und Legierungen in der Luft. Dies ist auf die Flussmitteleigenschaften von B2O3 zurückzuführen, die Metalloberflächen sauber halten und sie anfällig für Korrosion durch Luftsauerstoff machen. Molybdän- und Nickellegierungen sind gegen diese Korrosion unter 1000 °C beständig, während Siliziumkarbid über 1200 °C beständig ist.

Bei hohen Temperaturen können Aluminium, Magnesium oder Alkalimetalle B2O3 zu Borsuboxiden reduzieren. Kohlenstoff reduziert B2O3 in einer Stickstoffatmosphäre über 900 °C zu Bornitrid. Bornitrid kann auch durch Reaktion von Boroxid mit Ammoniak bei 600–900 °C hergestellt werden.

Glaskörper B2O3 reagiert exotherm mit drei Äquivalenten Wasser zu kristalliner Borsäure mit einer Hydratationswärme von -76,5 kJ/mol. Kristallines Boroxid hat eine Hydratationswärme von -58,2 kJ/mol. Oberhalb von 135–140 °C reagiert Boroxid mit Wasser zu Metaborsäure.

Natriumborhydrid (NaBH4) wird in einer Ausbeute von 60 % durch Reaktion von Natriumhydrid mit B2O3 bei 330–350 °C hergestellt. HB(HSO4)4 entsteht, wenn B2O3 oder Borsäure mit wasserfreiem H2SO4 reagiert.

3. Herstellung von Boroxid

Boroxid (B2O3) mit hoher Reinheit (>99 %) wird kommerziell hergestellt, indem Borsäure in einem Ofen geschmolzen und die resultierende Glasschmelze dann schnell abgekühlt wird. Der glasartige B2O3-Feststoff wird dann zerkleinert und in verschiedene Produktgrößen gesiebt.

Eine weitere Methode zur Herstellung von Boroxid ist die thermische Zersetzung von Ammoniumpentaborat (NH4B5O8·4 H2O) bei Temperaturen zwischen 500 und 900 °C.

4. Verwendung von Boroxid

Isolierung Fiberglas (Glaswolle)

Boroxid wird Isolierglasfasern zugesetzt, um deren Leistung zu verbessern und Herstellungsanforderungen zu erfüllen. Es senkt die Schmelz- und Faserbildungstemperatur der Glasschmelze, hemmt die Entglasung und verbessert die Elastizität und Haltbarkeit der Glasfaser.

Es verbessert auch die Biolöslichkeit der Fasern und macht sie beim Einatmen weniger schädlich. Der typische Boratgehalt von Isolierglasfasern beträgt 3–7 % B2O3.

Textilfaserglas

Boroxid wird textilen Glasfasern zugesetzt, um die Faserbildungstemperatur der Glasschmelze zu senken, ohne dass Alkalimetalloxide hinzugefügt werden müssen, die sich negativ auf die elektrische Leitfähigkeit und chemische Beständigkeit des Endprodukts auswirken können. Der Boratgehalt von Textilfaserglas kann zwischen 0 und 10 % B2O3 variieren.

Borosilikatglas

Boroxid ist ein wichtiger Bestandteil von Borosilikatglas, typischerweise mit einem Gehalt von 8–13 %. Es verleiht dem Glas wichtige Eigenschaften, darunter Temperaturwechselbeständigkeit, verbesserte chemische Beständigkeit und erhöhte mechanische Festigkeit.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich Borosilikatglas für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Küchengeräte, Beleuchtungsprodukte, Metall-Glas-Dichtungszusammensetzungen, Laborartikel, optische Linsen, Glasröhren, Arzneimittelfläschchen und mehr.

Displayglas

Boroxid wird bei der Herstellung von Dünnschichttransistorglas (TFT) für Flüssigkristallanzeigen (LCDs) verwendet. Dieses Glas muss im Wesentlichen alkalifrei sein, um chemische oder elektronische Wechselwirkungen mit den Dünnschichttransistoren zu verhindern. Der Boratgehalt von TFT-Glas liegt typischerweise bei etwa 10 % B2O3 .

Glasuren und Emails

Boroxid wird häufig bei der Herstellung von Glasuren und Emails für Keramik- und Metallartikel verwendet. Es senkt die Schmelztemperatur der Glasur oder des Emails, verbessert ihr Aussehen und verbessert ihre Haltbarkeit.

Borate werden typischerweise Glasuren und Emails in Form von Fritten zugesetzt, bei denen es sich um körnige Glaszusammensetzungen handelt. Der Boratgehalt von Fritten kann je nach Anwendung variieren, liegt jedoch typischerweise bei etwa 11 % B2O3 für Glasuren, die auf Keramikfliesen aufgetragen werden, und bis zu 20 % B2O3 für Emails, die auf Metallgegenstände aufgetragen werden.

Hochleistungskeramik

Boroxid spielt eine entscheidende Rolle bei der Synthese von Hochleistungskeramik mit außergewöhnlicher Festigkeit, Hitzebeständigkeit und anderen wünschenswerten Eigenschaften. Borcarbid, ein Material, das für seine außergewöhnliche Härte und Abriebfestigkeit bekannt ist, wird aus B2O3 gewonnen.

Ebenso wird mit B2O3 auch Bornitrid hergestellt, eine Hochtemperaturkeramik mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Isolationseigenschaften.

Es wird bei der Herstellung von Titan- und Zirkoniumdiboriden eingesetzt, Materialien, die wegen ihrer extremen Härte und chemischen Inertheit geschätzt werden, sowie von elementarem Bor, einem strategischen Element mit einzigartigen Halbleitereigenschaften.

Feuerfeste Materialien

Boroxid dient als integraler Bestandteil von feuerfesten Materialien, Materialien, die extremen Temperaturen, Abrieb und Korrosion standhalten. Es wird bei der Herstellung von chemisch gebundenen Schamottsteinen und Gussteilen eingesetzt und gewährleistet deren strukturelle Integrität und Widerstandsfähigkeit gegenüber rauen Bedingungen.

In feuerfesten Steinen auf Magnesiabasis fungiert B2O3 als Bindemittel, während es in feuerfesten Steinen aus Dolomit als Stabilisator dient und die Gesamtleistung und Haltbarkeit dieser feuerfesten Steine verbessert. Feuerfeste Materialien sind wesentliche Materialien in verschiedenen Branchen, darunter der Stahlerzeugung, der petrochemischen Produktion und der Zementherstellung.

Chemische Reaktionen

Boroxid wird bei der Herstellung von elementarem Bor, einem strategischen Material mit einzigartigen Halbleitereigenschaften, und bei der Synthese von Borhalogeniden verwendet, Verbindungen mit vielfältigen Anwendungen in der organischen Synthese und Katalyse.

Auch Natriumborhydrid, ein starkes Reduktionsmittel, wird aus B2O3 hergestellt. Metallborate, Verbindungen mit vielfältigen Anwendungen, werden ebenfalls mit B2O3 synthetisiert.

Es dient auch als Katalysator bei zahlreichen organischen Umwandlungen und Synthesen und erleichtert die Herstellung einer Vielzahl wertvoller Chemikalien.

Metallurgie

In der Metallurgie wird Boroxid zur Herstellung spezieller Schweiß- und Lötflussmittel verwendet, um die Fließ- und Benetzungseigenschaften geschmolzener Metalle bei diesen Prozessen zu verbessern.

Chemisch gebundene feuerfeste Materialien, die für die Auskleidung von Öfen und Reaktoren in metallurgischen Betrieben unerlässlich sind, werden mit B2O3 formuliert.

Beim Härten von Stahl spielt Boroxid eine Rolle dabei, dem Stahl Härte und Zähigkeit zu verleihen. Legierungen mit Eisen, Nickel oder Mangan können durch den Einbau von B2O3 verbessert werden, wodurch ihre mechanischen Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit verbessert werden.

Boroxid wird bei der Herstellung von amorphen Metall- und Seltenerdmagneten verwendet, Materialien mit einzigartigen magnetischen Eigenschaften und potenziellen Anwendungen in verschiedenen fortschrittlichen Technologien.

5. Toxikologie von Boroxid

Geschmolzenes Boroxid wirkt aufgrund seiner Flussmitteleigenschaften oberhalb von 1000 °C korrosiv gegenüber den meisten Metallen und Legierungen. Einige Materialien wie Molybdän- und Nickellegierungen widerstehen dieser Korrosion jedoch unterhalb von 1000 °C.

Boroxid weist eine geringe akute Toxizität auf. Die dermale Absorption ist gering, B2O3 kann jedoch bei Tieren zu Augenreizungen führen, gilt jedoch nicht als krebserregend oder mutagen.

Mögliche Auswirkungen auf die Entwicklung sowie auf die Hoden und die Fruchtbarkeit bei Männern gelten jedoch als kritische Endpunkte.

Die berufsbedingten Expositionsgrenzwerte für Boroxid liegen bei 15 mg/m3 (OSHA) und 10 mg/m3 (NIOSH).

Verweise