2.4-Bor İleri Teknoloji Ürünleri
Ham ve rafine ürünler dışında genellikle yüksek teknoloji gerektiren metotlar ile rafine bor ürünleri kullanılarak dünyada ticari olarak üretilen ve değişik kullanım alanları olan 175 civarında Bor Sektöründe nihai ürün olarak ta sınıflandırılan “Özel Bor Bileşikleri” mevcuttur. Bu özel bor bileşiklerin her biri farklı sektörlerde belirli amaçlar için kullanılmaktadır. Bor, bor alaşımları, bor tuzları ve organometalik bor kompleksleri ya kendi başlarına ileri teknoloji malzemesidirler ya da başka maddelere katılarak onlara ileri teknoloji malzemesi özelliği kazandırırlar. Bu ürünlerden en yaygın kullanım alanlarına sahip olanlarını; Susuz Borik Asit(Bor Oksit), Sodyum Bor Hidrür, Potasyum Bor Hidrür, Boranlar, Metal Borürler, Disodyum Oktaborat Tetrahidrat, Bor Triklorür, Çinko Borat, Metalik(Elementel) Bor, Ferrobor, , Bor Karbür, Bor Nitrür ve Bor Fiberleri olarak sıralayabiliriz.
Susuz Borik Asit(Bor Oksit)
Bor bileşikleri içinde bor yüzdesi en fazla olan bileşik Bor oksit’tir. Borir asitin iki aşamada dehidrasyonu yöntemiyle, önce borik asit suyunu kaybederek metaborik asit’e dönüşmesi, daha sonra metaborik asit dehidrasyona uğrayarak bor oksidi oluşturmasıyla, üretilmektedir. Susuz borik asit olarak ta bilinen Bor oksit, en derişik bor kaynağı olarak, bir çok özel bor kimyasallarının üretiminde ağırlık olarak % 56,28 B2O3 içeren Borik asit(H3BO3) yerine proses sırasında ürünün kalitesini etkileyen su buharı çıkmaması nedeniyle kullanılmaktadır.
Bor Triklorür
Endüstriyel ölçekte klor gazının 1035°C'de döner fırında boraks ve ham petrol artığı karışımı ile reaksiyona sokulması ile elde edilen Bor Triklorürün(BCl3) tümü ABD’de olmak üzere üretimi 350 Ton/Yil’ın üzerindedir. Farklı kaynaklarda, çeşitli safiyetteki ve özellikteki bor triklorür için değişik fiyatlar verilmektedir. Bu fiyatlar 7,6-190 US$/kg arasında değişmektedir.
Çinko Borat
En yaygın olarak kullanılan Çinko Borat bileşiğinin ticari adı Firebrake ZB olup 2ZnO.3B2O3.3,5H2O şeklinde formülüze edilmektedir. Ana üretici US Borax’tır.. Bununla birlikte bir çok farklı kimyasal formüle sahip farklı ticari isimlerle bilinen 4ZnO.B2O3.H2O, 2ZnO.3B2O3, ZnO. B2O3.2H2O(ZB 112), ZnO.3B2O3.7H2O, Zn (B2O3(OH)5). H2O(ZB 237), 2ZnO.3B2O3.9H2O),. Zn(BO2)2(ZB 325) vb. Çinko Boratlar mevcuttur.
Alev geciktirici olarak pazarının Avrupa’da %2/yıl, Kuzey Amerika’da ise %4/yıl büyüyeceği tahmin edilmektedir. En büyük üreticilerden birisi olan US Borax bu alanda %15/yıl’lık bir büyüme hedeflemiştir. ABD’de Çinko Borat fiyatları 1985 yılında 1100 US$/ton iken 1999 yılında 2180 US$/ton’a yükselmiştir.
Çinko boratın alev geciktirici malzeme olarak en fazla kullanılan alüminyum trihidrat ile birlikte kullanımının yaygınlaşarak artması, alümina trihidrat, magnezyum hidroksit, kalay oksit ve melaminlerde performans geliştirici olarak kullanılması çinko boratın gelecek yıllarda tüketiminin artmasını teşvik eden faktörlerdendir.
Boranlar
Enerji hammaddesi olarak ve buna dayalı teknolojilerde kullanılan Bor’un bileşiklerinden olan Boranlar, BnHn+4 yapısındaki bor hidrürlerin genel adıdır. En önemlileri; B2H6 diboran(Te -65,5°C, Tb -92,5°C), B5H9 pentaboran(Te –45,8 °C, Tb 58,5 °C) ve B10H14 dekaboran(Te 98,8 °C, Tb 213 °C)
Boranların üretimi için kullanılan yöntemler şu şekilde sıralanabilir: 1) NaBH4’ün bor florür ile reaksiyonu(3NaBH4+4BF3®2B2H6+3NaBF4). 2) NaBH4’ün asitlerle (H2SO4) etkileşimi. 3) BCl3’ün H2 ile 450°C’de Cu-Al katalizatör üzerinde hidrürleşmesi. 4) Boroksidin H2 ortamında Al/AlCl3 yardımı ile doğrudan redüksiyonu.
Termal stabilitesi yüksek boranlar ise; diboranların 120-240 °C sıcaklıkları arasında H2 vererek pirolizi ile üretilirler. Diboran ise aminboranlar, karboranlar ve çok sayıda organobor bileşiklerinin çıkış noktasıdır.
Sodyum Bor Hidrür(NaBH4)
Hidrojen enerjisi kullanımında bir devrim yaratacak olan alkali karakterli çözücülerde kararlı bulunabilen bir sodyum tuzu olan Sodyum Bor Hidrür, Trimetoksiboran’ın sodyumhidrür ile reaksiyonuyla üretilmektedir:
B(OCH3)3+4NaH®NaBH4+3NaOCH3
B2O3+2Na+7H2 ®2NaBH4+3H2O
Genel olarak alkali borürler ve metal hidrürler hidrojen taşıyıcı özelliğe sahiptir. NaBH4, Asitler ve sulu asitler içinde H2 vererek oksitlenir. Bu arada suyu da indirgeyerek fazladan H2 çıkışına neden olur. Bünyesindeki hidrojenin yanısıra sudan da hidrojen parçalanmasını sağlar. Böylece hem taşıyıcı hem de üretici niteliktedir.
NaBH4+2 H2O+Kat®NaBO2+4H2
Sodyum Bor Hidrür, ağırlıklı olarak özellikle geri kazanılan kağıtların mürekkeplerinden arındırılmasına yönelik yüksek kaliteli kağıtların beyazlaştırılması, parlaklaştırılması amacıyla tüketilmektedir. Kağıt hamurunda klorür içermeyen maddelerin kullanılması için kağıt endüstrisi üzerinde çevreci baskılar şiddetini giderek arttırması sodyum borhidrür gibi klorür içermeyen beyazlatıcı maddelerin giderek artan miktarlarda kullanılmasını gerekli kılmaktadır. Gerek gazete kağıdı ve gerekse renkli baskılamaya uygun olan hafif kaplamalı magazin kağıdının üretiminin artması nedeniyle, bunların beyazlatılmış mekanik hamuru üretiminde kullanılan sodyum borhidrürün tüketimine olan talep artmıştır. Sodyum borhidrürün diğer bir avantajı kağıt hamurundan uzaklaştırılmak zorunda olmamasıdır.
Öte yandan, endüstrideki atık sulardan empüritelerin arındırılması ve ağır metallerin bu sulardan arındırılarak kazanılmasında sodyum borhidrür kullanılması düşük maliyet ve pratiklik açısından bir avantaj teşkil etmektedir. İlaç sanayiinde ve bazı bor kimyasallarının üretiminde indirgeme kimyasalı olarak, cilt bakımı ve ev ürünlerinde istenmeyen kokulara, renk değişimine yol açması nedeniyle organik kimyasallardan metal iyonlarının, karbonil ve peroksit empüritelerinin arındırılması, Düşük maliyetli kimyasal solüsyon olarak pamuğun ve pamuk-polyester karışımlarının sürekli boyanma işlemlerinde performansın arttırılması, ilaç, vitamin ve kozmetiklerin üretimi, alkol üretiminde, keton ve yüksek alkollerden koku ve renk gidermede, olefinlerin stabilizasyonu Sodyum Bor Hidrür’ün diğer önemli kullanım alanlarıdır.
Sodyum borhidrürün iyi bir hidrojen kaynağı olması nedeniyle Füze katı yakıtlarında, yüksek enerjili jet motorlarda ve roketlerde saf hidrojen kaynağı olarak kullanımı konusundaki çalışmaların açıklanan sonuçları oldukça çarpıcıdır. Bir fuel-cell (yakıt hücresi) üreticisi olan Millennium Cell, sodyum boratlardan sodyum borhidrür üretilmesi prosesinin araştırılması ve sodyum bor hidrürün bir yakıt kaynağı olarak kullanılması konusunda US Borax ile bir anlaşma imzalamıştır.
Bugün yarısı ABD’de olmak üzere Dünya sodyum borhidrür tüketimi 2000 Ton/Yıl cıvarındadır. Tüketim hızı iki rakamlı hanelere çıkmıştır. Sodyum borhidrürün fiyatları 50-75 US$/kg(toz halinde) ve 40-55 US$/kg(%12’lik NaBH4 çözeltisi) arasında değişmektedir.
Dünyada Sodyum Borhidrür patentli bazı marka isimleri ile satılmaktadır: BOROL(Kağıt Sanayiinde), SWS(İlaç sanayiinde), VENMET(Atık sularında), VENPURE(Organik kimyasalların arındırılması), VENVAT,VENHIT(Pamuk işlemlerinde)
Potasyum Bor Hidrür(KBH4)
Potasyum Bor Hidrür(KBH4), birçok alanda sodyum bor hidrür’ün yerine kullanılmaktadır. Özel olarak, tekstil boyalarının, Antibiyotiklerin, steroid preparatlarının, vitaminlerin, üretiminde indirgeyici olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, trialkil boran, diboran alkil türevleri ve diğer bor bileşiklerinin üretiminde hammadde olarak, organik bileşiklerdeki OH-gruplarının korunmasında, alkoller, fenoller, dioller, şekerler ve diğer bileşiklerdeki OH-gruplarının hızlı gazometrik tayininde, inorganik, kompleks ve organik tuzların kristalin hidratlarındaki su içeriğinin tayininde ve tuz ile şeker hidratlarının dehidrasyonunda Potasyum Bor Hidrit kullanmaktadır.
Potasyum Bor Hidrit fiatları 60-70 US$/kg arasında değişmektedir.
Disodyum Oktaborat Tetrahidrat
Disodyum oktaborat tetrahidrat, Na2B8013 .4H20 (Na20.4B203.4H20) uygulama alanlarına göre farklı ticari isimlerle pazarlanmaktadır.. Bunlar; Borlu gübre olarak kullanılan Solubor, kereste korunmasında böcek ve mantar öldürücü olarak kullanılan Timbor ve alev önleyici malzeme olarak kullanılan Polybor.
İnce pudra şeklinde piyasaya sürülen Solubor Borlu gübre olarak toprakta direkt olarak kullanılır. Su içerisinde hızla çözünür ve çözelti halinde uygulanabilir. Bu nedenle kullanım kolaylığı açısından tüketici tercihlidir. Borun çözünebilirliği yüksek olduğu için, yağmur suyuyla topraktaki bor yıkanır ve bu nedenle toprakta bor eksikliği doğar. Solubor, kumlu veya gevşek yapılı toprakta veya bor azlığı olan topraklarda uygulanabilir. Ürünlerin beslenebilmesi ve yabani otların kontrol altında tutulması gibi iki amaç istendiğinde hektar başına 3-5 kg bor veya 15-25 kg solubor kullanılır.
ABD, Japonya, İspanya, Hollanda ve Fransa’da solubor (borlu gübre) üretimi yapılmakta olup, Solubor'un başlıca kullanıcıları; ABD, İspanya, Kuzey Avrupa Ülkeleri, Brezilya, Hindistan ve Filipinler'dir. İspanya, Arjantin gibi dünyada borlu gübre kullanan bir çok ülkede borlu gübre takviyesi olumlu sonuçlar vermiş ve verimi yükselmiştir. Piyasada Solubor fiyatları 1.76 - 2.14 $/kg arasında değişmektedir.
Dünya çapında, ziraat uygulamalarında boratların tüketiminin toplam 90 000 /yıl olduğu, Ziraat uygulamalarındaktörünün yılda yaklaşık %4 büyüme göstereceği beklenmektedir. iyasada Solubor fiyatları 2-2,5 $/kg arasında değişmektedir.
Metalik(Elementel) Bor
Metalik bor üretimi, klasik olarak Bor Oksitin Magnezyum ile : Magneziotermik Redüksiyonu yöntemiyle elde edilmektedir.
B2O3+3Mg-->2B+3MgO
Elde edilen Bor amorf yapıda % 85-95’lik ara ürün olup, öğütme ve HCl, HF ile yıkama kademelerinden geçirilerek saflaştırılmaktadır.
Metalik Bor üretimi için kullanılan diğer bir yöntemde, Bor Halojenürleri ve Boranlar(B2H6..B10H14) kızgın volfram ipliği üzerinde termal parçalanarak; T<800°c’de t="800-1500°C’de">
Bor Nitrür
Yoğunluğu 2,27 g/cm3, Ergime Sıcaklığı 3000°C, beyaz renkte bir bileşik olan Bor Nitrür’ün kullanım alanı; yüksek termal iletkenlik, düşük termal genleşme, iyi termal şok direnci, yüksek elektrik direnci, mikrodalga geçirgenliği, talaşlı imalata uygun, büyük ölçüde kimyasal olarak inert, yüksek yüzey gerilimi gibi bazı ozellikleri nedeniyle oldukça geniştir.
Bor nitrürün, beyaz grafit diye de adlandırılan Hegzagonal Bor Nitrür(a-BN) ve elmastan sonra en sert malzeme olarak bilinen Kübik Bor Nitrür(b-BN).olmak üzere iki farklı kristal formu mevcut olup, bunlar çok farklı fiziksel özelliklere sahiptirler ve çok farklı uygulamalarda kullanılırlar.
Hegzagonal Bor Nitrür, çok yüksek sıcaklıklara dayanıklı(inert atmosferde 3000°C'ye kadar, hava ortamında 1400°C'ye kadar).olup ısıl şok direnci oldukça yüksek, birçok ergimiş metal veya cüruflar, ergimiş camlar tarafından ıslatılma özelliği düşüktür. Yüksek sertliğe, Mükemmel elektrik yalıtım özelliğine ve ısıl direncine sahiptir.
Hegzagonal Bor Nitrür 900°C’de sıvı B2O3 içinden NH3 gazı geçirilerek veya borik asitin, bor oksitin veya bor tuzlarının amonyum klorit, kalsiyum siyanamidle (veya sodyum, kalsiyum, potasyum siyanid) basınç altında ısıtılmasıyla elde edilir
Kübik Bor Nitrür, elmasın aksine yüksek ısıl dirence sahip olup, 1370°C'ye kadar sıcaklıklara dayanıklıdır. Elmas gibi çok yüksek ısıl iletkenliğe sahiptir. Mekanik şoklara karşı dayanımı yüksektir.
Kübik bor nitrür, hegzagonal bor nitrürün 1400°C ve 1700°C'ler arasında yüksek basınç altında ısıtılmasıyla elde edilir.
Bor Karbür
Metalurji sektöründe yaygın kullanım alanları olan diğer önemli bir bileşik Bor Karbür’dür. Yoğunluğu 2,51 g/cm3, Ergime Sıcaklığı 2450°C, Çekme Dayanımı 155 N/mm2 (980°C)-162 N/mm2 (1425°C), Bükülme Mukavemeti 345 N/mm2 ve Basma Mukavemeti 2850 N/mm2 olan Bor Karbür(B4C) yalnızca HF, H2SO4, HNO3 karışımlarında yavaşta olsa çözünebilmekte, bazı metaller, metal hidrürler ve metal oksitlerle borürler oluşturmaktadır. 3A ve 6A grubunun bazı metalleri, Lantanitler ve Aktinitler bor ve karbonla güçlü borokarbür fazlar oluştururlar. 4A ve 5A diborürleri bor karbürle reaksiyona girmezler.
Bor Karbür üretimi; 2600°C’de karbonlu direnç fırınında reaksiyona sokulması veya Susuz borik asit grafit veya kok tozu ile ark ocağında birlikte ergitilmesiyle elde edilmektedir.
Metal Borürler
Periyodik tabloda bulunan bir çok element bor ile bileşik oluşturmaktadır. Bunlar metal borürler olarak bilinmektedir. Ticari olarak en önemli metal borürler TiB2, ZrB2, HfB2, NbB2, WB, ToB2, NiB, CoB2, CrB2, MoB2, VB2 ve AlB2'tır. Metal Borürlerin üretimi için bilinen beş yöntem vardır:
1).Metalik bor tozu ile istenen metal veya metal hidrür tozunun karışımının 1100-2000°C’de elektrik ark fırınında ergitilmesi,
2). Borik asit ve metal oksit karışımının inert atmosferde alüminyum, silis, magnezyum, karbon ile indirgenmesi sonucu, 4).Alkali veya toprak alkali boratları ile istenen metali içeren ergitilmiş tuz elektrolizi ortamında yaklaşık 1000 °C’de metal borür sentezleme ve
5).Grafit veya refrakter metal yüzeyinde buhar karışımlarından katı alaşım çöktürme.
Metal Borürlerin Yoğunlukları 4,5(TiB2)-15,3(WB) g/cm3, sertlikleri 1150(CoB2)-3750(WB) HV, ergime sıcaklıkları ise 1020(NiB)-3040(ZrB2) °C arasında değişmektedir. Metal borürler yüksek mukavemete, yüksek sertliğe, yüksek aşınma dayanımına, yüksek ergime noktasına ve kimyasallara karşı yüksek dirence sahiptirler.
Ferrobor
Hammadde olarak bor oksit, borik asit veya bor cevherlerinin (özellikle kolemanit, bor oksit ve borik asit) kullanıldığı ferrobor üretimi; ya Şarj olarak Cevher+Fe Talaşı+Kok+Kuartz karışımının kullanıldığı Elektrik Ark Fırını’nda Karbotermik Redüksiyon ile(Yüksek karbonlu Ferrobor), yada Şarj olarak Bor oksit+Hematit+Al Tozu+Ateşleyici(BaO2 veya KClO4+Al) karışımının kullanıldığı Alüminatermik Redüksiyon yöntemiyle (Düşük karbonlu yüksek alüminyumlu ferrobor) üretilmektedir.
Ferrobor Alaşımlarındaki(Fe2B, FeB) en önemli bileşenler B, C, Si ve Al’dir. % 12-21 arasında değişen B oranına göre; Yoğunlukları 6,3-7 g/cm3, Mikrosertlikleri 1600-1950 Vickers, Isıl İletkenlikleri 0,1-0,3 W/cm K, Ergime Sıcaklıkları 1389-1550°C ve Curie Sıcaklıkları ise 598-1015 K arasında değişmektedir. Teknik kalitede ferroborun çeşitli kimyasallar karşısındaki davranışı saflılık oranına çok bağlıdır. Fe2B, HCl ile boran oluşumu altında çözünür. Saf FeB ise tüm sıcaklıklarda HCl ve H2SO4’e karşı dayanıklıdır, HNO3 içinde ise tümüyle çözünür. FeB ve Fe2B azot gazı ile 350°C’nin üzerinde BN oluşturmak üzere reakisyona girer. Nemli havalarda parlak gümüş renk kaybolup mat gri renk alır. Damıtılmış sıcak su ferrobor ile reaksiyona girer.
Fe–B sisteminde % 0,04-4,2 B içeren alaşımlar ve yüzeyinde ince FeB tabakası olan borlanmış çelikler 800-1000°C’ye kadar oksidasyona dayanıklıdır.
Ferroborun kullanıldığı önemli alanlardan biri de Nd-Fe-B (Neodyum Ferrobor) mıknatıslarıdır. Nd-Fe-B mıknatısları ticari olarak en yüksek mukavemete ve yüksek kalıcı fluks yoğunluğuna sahiptirler (12 KG). Oysa Sm-Co mıknatıslarının yoğunluğu 11,2 KG ve ferritlerin yoğunluğu 11,5-4,4 KG’dir. 850 g Nd-Fe-B mıknatısı 3 kg’lık ferritin yaptığı işi yapmaktadır.
Bor Fiberleri(Cam Elyaflar)
Cam Elyaf ‘ın günümüzde üç çeşit üretimi mevcuttur: Tekstil Tipi Cam Elyaf, İzolasyon Tipi Cam Elyaf (cam yünü, kaya yünü) ve Optik Tipi Cam Elyaf
Tekstil Tipi Cam Elyaf; yüksek çekme ve çarpma direncine sahip, ateşe karşı dayanıklı, ağırlıkça hafif, kimyasal reaksiyonlara karşı dirençli ve ucuza mal edilebilen bir malzemedir. Hem dokuma amaçlı olarak, hem de cam elyaf (kompozit) oluşturmak için kullanılabilir. Otomotiv sanayiinde otomobillerin tampon, çamurluk gibi dış aksamlarında ve koltuk, ön panel gibi iç aksamlarında, motor bölümünde ve hava giriş manifoltlarında, Elektronik sektöründe baskı devrelerinde ve diğer elektrik yalıtım uygulamalarında, İnşaat sektöründe duvarlarda mahfaza panellerinde, sıhhi tesisatlarda, banyo malzemelerinde, duvar kaplamalarında, alev geciktirici örtülerde, yüzme havuzlarında ve yayalar için köprülerde, kapı imalinde, boru yapımında ve yakıt tanklarında, kimyasal depolarda, tarımsal aletlerde ve endüstriyel makinalarda, koruyucu kask gibi spor aletleri ve deniz ulaşım araçlarında ve takviyeli polyester üretiminde kullanılır.
Cam elyaf takviyeli termoplastikler, malzeme taşıma ve stoklama işleminde kullanılan tahta paletlerin yerini de almaktadır. Dünya tekstil tipi cam elyaf fiatı, sunuş şekline bağlı olarak 1150-2100 ABD $/Ton arasında değişmektedir.
İzolasyon Tipi Cam Elyaf; ısı yalıtıcı olarak binaların çatı, tavan ve duvarlarına döşener, zeminlerin altındaki ve tavanların üstündeki boşluklarda, odalar arasındaki bölme duvarlarda akustik izolasyon olarak, boru, kazan ve tank kaplamalarında ve otomobillerin izolasyon panellerinde kullanılır.
Dünya İzolasyon Tipi Cam fiatı, sunuş şekline bağlı olarak 1000-1500 ABD $/Ton arasında değişmektedir.
%61 SiO2, %3 Al2O3 , % 14 Na2O ve % 22, B2O3 ten oluşan Borosilikat Optik Tipi Cam Elyaf, temel olarak telekominakasyon alanında kullanılır. Kuzey Amerikada özel cam pazarında optik cam elyafının payı 1996 yılında % 32.5 olarak gerçekleşmiştir.