Oxyde borique : propriétés, production et utilisations

boric oxide powder

L’oxyde borique, également connu sous le nom de trioxyde de dibore, est le composé de formule chimique B2O3. C’est un solide incolore et transparent, presque toujours vitreux (amorphe), mais qui peut être cristallisé très difficilement.

L’oxyde borique est un acide de Lewis relativement fort et forme facilement des verres avec d’autres oxydes. Il est également soluble dans l’eau, où il réagit pour former de l’acide borique (H₃BO₃).

Table des matières

1. Physical Properties of Boric Oxide

Vitreous boric oxide is a transparent, glassy solid with a high viscosity. It is difficult to prepare in a fully anhydrous state, even at high temperatures. The presence of small amounts of water can significantly affect its properties.

The density of vitreous boric oxide depends on its thermal history and moisture content. Commercial boric oxide has a density of 1.84 g/cm³ at 20 °C, while very dry boric oxide has a density of 1.82 g/cm³. Annealed boric oxide has a higher density than rapidly cooled boric oxide.

The heat of formation for amorphous boric oxide glass is 1260 kJ/mol. Crystalline hexagonal boric oxide has a heat of formation of 1274 kJ/mol. The heat capacity of boric oxide increases with temperature.

The electrolytic conductivity of boric oxide is very low at only 5 × 10-4 S/cm at 300 °C. The refractive index of boric oxide depends on its thermal history varies between (1.4502 and 1.4633).

The vapor composition of boric oxide is primarily B2O3+, with approximately 7% each of B2O3+ and BO+, along with 2% B+. Boric oxide exhibits greater volatility in steam compared to dry air.

The green hue of boric oxide in a flame is attributed to BO2 as the emitting species.

The molecular arrangements in liquid and vitreous boric oxide remain a topic of debate. Current understanding posits a random network of trigonal boric oxide units, existing both independently and in shared oxygen arrangements forming six-membered boroxol rings, with short-range localized order.

The proportion of boron present in boroxol rings remains contentious, with experimental and computational studies yielding disparate results. Nevertheless, the preponderance of experimental data suggests a significant presence of boron in vitreous boric oxide in the form of boroxol rings.

Tableau 1 : Viscosité du B2O3 fondu en fonction de la température
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
Tableau 2 : Pression de vapeur de l'oxyde borique fondu en fonction de la température
T (°C) PB2O3 ; kPa
1163 0,0005
1270 0,005
1673 1.5
1810 5.7
2000 24
2146 80

2. Propriétés chimiques de l’oxyde borique

Le B2O3 fondu est corrosif pour la plupart des métaux et alliages présents dans l’air à des températures supérieures à 1 000 °C. Cela est dû à la nature fondante du B2O3, qui maintient les surfaces métalliques propres et les rend vulnérables à la corrosion par l’oxygène atmosphérique. Les alliages de molybdène et de nickel résistent à cette corrosion en dessous de 1 000 °C, tandis que le carbure de silicium résiste au-dessus de 1 200 °C.

À haute température, l’aluminium, le magnésium ou les métaux alcalins peuvent réduire le B2O3 en sous-oxydes de bore. Le carbone réduit le B2O3 en nitrure de bore dans une atmosphère d’azote au-dessus de 900 °C. Le nitrure de bore peut également être fabriqué en faisant réagir de l’oxyde borique avec de l’ammoniac à 600-900 °C.

Le B2O3 vitreux réagit de manière exothermique avec trois équivalents d’eau pour produire de l’acide borique cristallin avec une chaleur d’hydratation de -76,5 kJ/mol. L’oxyde borique cristallin a une chaleur d’hydratation de -58,2 kJ/mol. Au-dessus de 135-140 °C, l’oxyde borique réagit avec l’eau pour former de l’acide métaborique.

Le borohydrure de sodium (NaBH4) est fabriqué avec un rendement de 60 % en faisant réagir l’hydrure de sodium avec du B2O3 à 330-350 °C. HB(HSO4)4 se forme lorsque le B2O3 ou l’acide borique réagit avec du H2SO4 anhydre.

3. Production d’oxyde borique

L’oxyde borique (B2O3) de haute pureté (> 99 %) est produit commercialement en fusionnant de l’acide borique dans un four, puis en refroidissant rapidement le verre fondu qui en résulte. Le solide vitreux B2O3 est ensuite broyé et criblé en différentes tailles de produits.

Une autre méthode de préparation de l’oxyde borique est la décomposition thermique du pentaborate d’ammonium (NH4B5O8·4H2O) à des températures comprises entre 500 et 900°C.

4. Utilisations de l’oxyde borique

Fibre de verre isolante (laine de verre)

L’oxyde borique est ajouté à la fibre de verre isolante pour améliorer ses performances et répondre aux exigences de fabrication. Il réduit la température de fusion et de fibrage du verre fondu, inhibe la dévitrification et améliore la résilience et la durabilité de la fibre de verre.

Il améliore également la biosolubilité des fibres, les rendant moins nocives en cas d’inhalation. La teneur typique en borate de la fibre de verre isolante est de 3 à 7 % de B2O3.

Fibre de verre textile

L’oxyde borique est ajouté à la fibre de verre textile pour réduire la température de fibrage du verre fondu sans qu’il soit nécessaire d’ajouter des oxydes de métaux alcalins, ce qui peut avoir un impact négatif sur la conductivité électrique et la résistance chimique du produit final. La teneur en borate de la fibre de verre textile peut varier de 0 à 10 % de B2O3.

Verre borosilicaté

L’oxyde borique est un composant clé du verre borosilicaté, avec une teneur généralement de 8 à 13 %. Il confère au verre des propriétés importantes, notamment une résistance aux chocs thermiques, une durabilité chimique améliorée et une résistance mécanique accrue.

Ces propriétés rendent le verre borosilicaté adapté à une large gamme d’applications, notamment les ustensiles de cuisine, les produits d’éclairage, les compositions d’étanchéité métal-verre, les ustensiles de laboratoire, les lentilles optiques, les tubes en verre, les flacons pharmaceutiques, etc.

Verre d’affichage

L’oxyde borique est utilisé dans la production de verre pour transistors à couches minces (TFT) pour écrans à cristaux liquides (LCD). Ce verre doit être essentiellement exempt d’alcalis pour éviter les interactions chimiques ou électroniques avec les transistors à couches minces. La teneur en borate du verre TFT est généralement d’environ 10 % de B2O3.

Glaçures et émaux

L’oxyde borique est largement utilisé dans la fabrication d’émaux et d’émaux pour articles en céramique et en métal. Il réduit la température de fusion de la glaçure ou de l’émail, améliore son apparence et améliore sa durabilité.

Les borates sont généralement ajoutés aux émaux et aux émaux sous forme de frittes, qui sont des compositions de verre granulaires. La teneur en borate des frittes peut varier en fonction de l’application, mais elle se situe généralement autour de 11 % B2O3 pour les émaux appliqués sur les carreaux de céramique et jusqu’à 20 % B2O3 pour les émaux appliqués sur des éléments métalliques.

Céramiques avancées

L’oxyde borique joue un rôle crucial dans la synthèse de céramiques hautes performances dotées d’une résistance exceptionnelle, d’une résistance à la chaleur et d’autres propriétés souhaitables. Le carbure de bore, matériau réputé pour sa dureté et sa résistance à l’abrasion exceptionnelles, est dérivé du B2O3.

De même, le nitrure de bore, une céramique haute température présentant d’excellentes propriétés de conductivité thermique et d’isolation électrique, est également produit à partir de B2O3.

Il est utilisé dans la fabrication de diborures de titane et de zirconium, des matériaux appréciés pour leur extrême dureté et leur inertie chimique, ainsi que du bore élémentaire, un élément stratégique aux propriétés semi-conductrices uniques.

Réfractaires

L’oxyde borique fait partie intégrante des réfractaires, des matériaux conçus pour résister à des températures extrêmes, à l’abrasion et à la corrosion. Il est utilisé dans la fabrication de briques réfractaires et de bétons liés chimiquement, garantissant leur intégrité structurelle et leur résistance aux conditions difficiles.

Dans les briques réfractaires à base de magnésie, le B2O3 agit comme un liant, tandis que dans les briques réfractaires à base de dolomite, il sert de stabilisant, améliorant ainsi les performances globales et la durabilité de ces réfractaires. Les réfractaires sont des matériaux essentiels dans diverses industries, notamment la sidérurgie, la production pétrochimique et la fabrication du ciment.

Réactions chimiques

L’oxyde borique est utilisé dans la préparation du bore élémentaire, un matériau stratégique doté de propriétés semi-conductrices uniques, et dans la synthèse des halogénures de bore, des composés ayant diverses applications en synthèse organique et en catalyse.

Le borohydrure de sodium, un puissant agent réducteur, est également produit à partir de B2O3. Les borates métalliques, composés aux applications diverses, sont également synthétisés à partir du B2O3.

Il sert également de catalyseur dans de nombreuses conversions et synthèses organiques, facilitant la production d’une large gamme de produits chimiques précieux.

Métallurgie

Dans le domaine de la métallurgie, l’oxyde borique est utilisé dans la préparation de flux de soudage et de brasage spéciaux, améliorant les propriétés d’écoulement et de mouillage des métaux en fusion au cours de ces processus.

Les réfractaires à liaison chimique qui sont essentiels pour le revêtement des fours et des réacteurs dans les opérations métallurgiques sont formulés à partir de B2O3.

Lors du durcissement de l’acier, l’oxyde borique joue un rôle en conférant dureté et ténacité à l’acier. Les alliages contenant du fer, du nickel ou du manganèse peuvent être améliorés en incorporant du B2O3, améliorant ainsi leurs propriétés mécaniques et leur résistance à la corrosion.

L’oxyde borique est utilisé dans la production d’aimants en métaux amorphes et en terres rares, des matériaux dotés de propriétés magnétiques uniques et d’applications potentielles dans diverses technologies de pointe.

5. Toxicologie de l’oxyde borique

L’oxyde borique fondu est corrosif pour la plupart des métaux et alliages au-dessus de 1 000 °C en raison de sa nature fondante. Cependant, certains matériaux, comme les alliages de molybdène et de nickel, résistent à cette corrosion en dessous de 1 000 °C.

L’oxyde borique a une faible toxicité aiguë. L’absorption cutanée est faible, mais le B2O3 peut provoquer une irritation des yeux chez les animaux ; il n’est cependant pas considéré comme cancérigène ou mutagène.

Cependant, les effets potentiels sur le développement et les effets sur les testicules et la fertilité chez les mâles sont considérés comme des paramètres critiques.

Les limites d’exposition professionnelle à l’oxyde borique sont de 15 mg/m3 (OSHA) et 10 mg/m3 (NIOSH).

Références