Wat is boortrioxide?
Boortrioxide, ook bekend als diboortrioxide, is de verbinding met de chemische formule B2O3. Het is een kleurloze, transparante vaste stof die bijna altijd glasachtig (amorf) is, maar met grote moeite kan worden gekristalliseerd.
Boortrioxide is een relatief sterk Lewis-zuur en vormt gemakkelijk glas met andere oxiden. Het is ook oplosbaar in water, waar het reageert om boorzuur (H3BO3) te vormen.
Inhoudsopgave
1. Fysische eigenschappen van boortrioxide
De dichtheid van glasachtig boortrioxide hangt af van de thermische geschiedenis en het vochtgehalte. Commercieel boortrioxide heeft een dichtheid van 1,84 g/cm³ bij 20 °C, terwijl zeer droog boortrioxide een dichtheid heeft van 1,82 g/cm³. Gegloeid boortrioxide heeft een hogere dichtheid dan snel gekoeld boortrioxide.
De vormingswarmte voor amorf boortrioxideglas is 1260 kJ/mol. Kristallijn hexagonaal boortrioxide heeft een vormingswarmte van 1274 kJ/mol. De warmtecapaciteit van boortrioxide neemt toe met de temperatuur.
De elektrolytische geleidbaarheid van boortrioxide is zeer laag, namelijk slechts 5 × 10-4 S/cm bij 300 °C. De brekingsindex van boortrioxide is afhankelijk van de thermische geschiedenis en varieert tussen (1,4502 en 1,4633).
De dampsamenstelling van boortrioxide is voornamelijk B2O3+, met ongeveer 7% elk van B2O3+ en BO+, samen met 2% B+. Boortrioxide vertoont een grotere vluchtigheid in stoom vergeleken met droge lucht.
De groene tint van boortrioxide in een vlam wordt toegeschreven aan BO2 als de emitterende soort.
De moleculaire rangschikkingen in vloeibaar en glasachtig boortrioxide blijven een onderwerp van discussie. Het huidige begrip veronderstelt een willekeurig netwerk van trigonale boortrioxide-eenheden, die zowel onafhankelijk als in gedeelde zuurstofrangschikkingen bestaan en zesringige boroxolringen vormen, met een gelokaliseerde orde op korte afstand.
De verhouding van boor aanwezig in boroxolringen blijft controversieel, waarbij experimentele en computationele studies uiteenlopende resultaten opleveren. Niettemin suggereert het overgrote deel van de experimentele gegevens een significante aanwezigheid van boor in glasachtig boortrioxide in de vorm van boroxolringen.
| Temperatuur (°C) | Viscositeit (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 |
| Temperatuur (°C) | Druk B2O3; kPa |
|---|---|
| 1163 | 0,0005 |
| 1270 | 0,005 |
| 1673 | 1,5 |
| 1810 | 5,7 |
| 2000 | 24 |
| 2146 | 80 |
2. Chemische eigenschappen van boortrioxide
Gesmolten B2O3 is corrosief voor de meeste metalen en legeringen in de lucht bij temperaturen boven 1000 °C. Dit komt door de vloeiende aard van B2O3, waardoor metalen oppervlakken schoon blijven en kwetsbaar zijn voor corrosie door atmosferische zuurstof. Molybdeen- en nikkellegeringen zijn bestand tegen deze corrosie onder 1000 °C, terwijl siliciumcarbide bestand is boven 1200 °C.
Bij hoge temperaturen kunnen aluminium, magnesium of alkalimetalen B2O3 reduceren tot boorsuboxiden. Koolstof reduceert B2O3 tot boornitride in een stikstofatmosfeer boven 900 °C. Boornitride kan ook worden gemaakt door boortrioxide te laten reageren met ammoniak bij 600–900 °C.
Glasachtig B2O3 reageert exotherm met drie equivalenten water om kristallijn boorzuur te produceren met een hydratatiewarmte van -76,5 kJ/mol. Kristallijn boortrioxide heeft een hydratatiewarmte van -58,2 kJ/mol. Boven 135–140 °C reageert boortrioxide met water om metaboorzuur te vormen.
Natriumboorhydride (NaBH4) wordt gemaakt in een opbrengst van 60% door natriumhydride te laten reageren met boortrioxide bij 330–350 °C. HB(HSO4)4 wordt gevormd wanneer B2O3 of boorzuur reageert met watervrij H2SO4.
3. Productie van boortrioxide
Boortrioxide met een hoge zuiverheid (>99%) wordt commercieel geproduceerd door boorzuur in een oven te smelten en vervolgens het gesmolten glas dat ontstaat snel af te koelen. De glasachtige B2O3 vaste stof wordt vervolgens vermalen en gezeefd tot verschillende productgroottes.
Een andere methode voor het bereiden van boortrioxide is thermische ontleding van ammoniumpentaboraat (NH4B5O8·4 H2O) bij temperaturen tussen 500 en 900 °C.
4. Toepassingen van boortrioxide
Isolatieglasvezel (glaswol)
Boortrioxide wordt toegevoegd aan isolatieglasvezel om de prestaties te verbeteren en te voldoen aan de productievereisten. Het verlaagt de smelt- en vezelvormingstemperatuur van het glassmelt, remt devitrificatie en verbetert de veerkracht en duurzaamheid van het glasvezel.
Het verbetert ook de biologische oplosbaarheid van de vezels, waardoor ze minder schadelijk zijn bij inademing. Het typische boraatgehalte van isolatieglasvezel is 3-7% B2O3.
Textielglasvezel
Boortrioxide wordt toegevoegd aan textielglasvezel om de vezelvormingstemperatuur van het glassmelt te verlagen zonder dat er alkalimetaaloxiden hoeven te worden toegevoegd, wat een negatieve invloed kan hebben op de elektrische geleidbaarheid en chemische bestendigheid van het eindproduct. Het boraatgehalte van textielglasvezel kan variëren van 0 tot 10% B2O3.
Borosilicaatglas
Borontrioxide is een belangrijk onderdeel van borosilicaatglas, met een gehalte van doorgaans 8-13%. Het verleent belangrijke eigenschappen aan het glas, waaronder weerstand tegen thermische schokken, verbeterde chemische duurzaamheid en verhoogde mechanische sterkte.
Deze eigenschappen maken borosilicaatglas geschikt voor een breed scala aan toepassingen, waaronder keukengerei, verlichtingsproducten, metaal-op-glas afdichtingscomposities, laboratoriumartikelen, optische lenzen, glazen buizen, farmaceutische flesjes en meer.
Displayglas
Borontrioxide wordt gebruikt bij de productie van dunnefilmtransistorglas (TFT) voor liquid crystal displays (LCD’s). Dit glas moet in wezen alkalivrij zijn om chemische of elektronische interacties met de dunnefilmtransistors te voorkomen. Het boraatgehalte van TFT-glas is doorgaans ongeveer 10% B2O3.
Glazuren en emaille
Boortrioxide wordt veel gebruikt bij de productie van glazuren en emaille voor keramische en metalen artikelen. Het verlaagt de smelttemperatuur van het glazuur of emaille, verbetert het uiterlijk en verbetert de duurzaamheid.
Boraten worden doorgaans toegevoegd aan glazuren en emaille in de vorm van frits, wat korrelige glascomposities zijn. Het boraatgehalte van frits kan variëren afhankelijk van de toepassing, maar het is doorgaans ongeveer 11% B2O3 voor glazuren die worden aangebracht op keramische tegels en tot 20% B2O3 voor emaille die wordt aangebracht op metalen artikelen.
Geavanceerde keramiek
Boortrioxide speelt een cruciale rol bij het synthetiseren van hoogwaardige keramiek met uitzonderlijke sterkte, hittebestendigheid en andere gewenste eigenschappen. Boorcarbide, een materiaal dat bekendstaat om zijn uitzonderlijke hardheid en slijtvastheid, is afgeleid van boortrioxide.
Op vergelijkbare wijze wordt boornitride, een keramieksoort met hoge temperaturen, uitstekende thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie-eigenschappen, geproduceerd met behulp van boortrioxide.
Het wordt gebruikt bij de vervaardiging van titanium- en zirkoniumdiboriden, materialen die gewaardeerd worden om hun extreme hardheid en chemische inertheid, evenals elementair boor, een strategisch element met unieke halfgeleidereigenschappen.
Refractories
Boortrioxide dient als een integraal onderdeel van vuurvaste materialen, materialen die ontworpen zijn om extreme temperaturen, slijtage en corrosie te weerstaan. Het wordt gebruikt bij de productie van chemisch gebonden vuurvaste stenen en gietstukken, waardoor hun structurele integriteit en weerstand tegen zware omstandigheden wordt gewaarborgd.
In vuurvaste stenen op basis van magnesia fungeert boortrioxide als bindmiddel, terwijl het in vuurvaste stenen op basis van dolomiet als stabilisator fungeert, waardoor de algehele prestaties en duurzaamheid van deze vuurvaste materialen worden verbeterd. Vuurvaste materialen zijn essentiële materialen in verschillende industrieën, waaronder staalproductie, petrochemische productie en cementproductie.
Chemische reacties
Boortrioxide wordt gebruikt bij de bereiding van elementair boor, een strategisch materiaal met unieke halfgeleidereigenschappen, en bij de synthese van boorhalogeniden, verbindingen met uiteenlopende toepassingen in organische synthese en katalyse.
Natriumboorhydride, een krachtig reductiemiddel, wordt ook geproduceerd met behulp van boortrioxide. Metallische boraten, verbindingen met uiteenlopende toepassingen, worden ook gesynthetiseerd met behulp van boortrioxide.
Het dient ook als katalysator bij talrijke organische omzettingen en syntheses, waardoor de productie van een breed scala aan waardevolle chemicaliën wordt vergemakkelijkt.
Metallurgie
Op het gebied van metallurgie wordt boortrioxide gebruikt bij de bereiding van speciale las- en soldeervloeimiddelen, waardoor de vloei- en bevochtigingseigenschappen van gesmolten metalen tijdens deze processen worden verbeterd.
Chemisch gebonden vuurvaste materialen die essentieel zijn voor het bekleden van ovens en reactoren in metallurgische operaties, worden geformuleerd met behulp van boortrioxide.
Bij het harden van staal speelt boortrioxide een rol bij het verlenen van hardheid en taaiheid aan het staal. Legeringen met ijzer, nikkel of mangaan kunnen worden verbeterd door boortrioxide toe te voegen, waardoor hun mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid worden verbeterd.
Boortrioxide wordt gebruikt bij de productie van amorfe metalen en zeldzame-aardemagneten, materialen met unieke magnetische eigenschappen en potentiële toepassingen in verschillende geavanceerde technologieën.
5. Toxicologie van boortrioxide
Gesmolten boortrioxide is corrosief voor de meeste metalen en legeringen boven 1000 °C vanwege zijn vloeiende aard. Sommige materialen, zoals molybdeen en nikkellegeringen, zijn echter bestand tegen deze corrosie onder 1000 °C.
Boortrioxide heeft een lage acute toxiciteit. Dermale absorptie is laag, maar boortrioxide kan oogirritatie veroorzaken bij dieren, maar wordt niet als kankerverwekkend of mutageen beschouwd.
Echter, mogelijke ontwikkelingseffecten en effecten op de testikels en vruchtbaarheid bij mannen worden beschouwd als kritische eindpunten.
Beroepsmatige blootstellingslimieten voor boortrioxide zijn 15 mg/m³ (OSHA) en 10 mg/m³ (NIOSH).
Referenties
- Boric Oxide, Boric Acid, and Borates; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/14356007.a04_263.pub2
- https://www.borax.com/BoraxCorp/media/Borax-Main/Resources/Data-Sheets/boric-oxide.pdf?ext=.pdf
