تیتانیوم دی‌اکسید : خواص، منابع، تولید و کاربردها!

 

تیتانیوم دی‌اکسید که همچنین به عنوان اکسید تیتانیوم (IV) یا تیتانیا شناخته می شود، اکسید طبیعی تیتانیوم، و به شکل پودر سفید رنگ وجود دارد. این ماده هنگامی که به عنوان رنگدانه استفاده می شود، آن را رنگدانه سفید، Pigment White 6 (PW6) یا CI 77891 می نامند.

 

این ماده به طور کلی از ایلمنیت، روتیل و آناتاز تهیه می شود و دارای طیف گسترده ای از کاربردها از جمله در صنعت رنگ، ضد آفتاب، و رنگ مواد غذایی است و هنگامی که به عنوان رنگ خوراکی استفاده می شود، دارای شماره E171 می باشد.

 

تولید جهانی تیتانیوم دی‌اکسید در سال ۲۰۱۴ بیش از ۹ میلیون تن بوده است. تخمین زده شده است که از دی اکسید تیتانیوم در دو سوم کل رنگدانه ها استفاده می شود و رنگدانه های ساخته شده بر اساس این اکسید ۱۳.۲ میلیارد دلار ارزش گذاری شده اند.

 

خواص و مشخصات شناسایی تیتانیوم دی‌اکسید

 

خواص  مشخصات
شکل فیزیکی                                                     پودر سفید رنگ فرمول شیمیایی                                                                      TiO۲
دانسیته (rutile)                                                        (g/cm۳)۴.۲۳ وزن مولکولی                                                       (g/mol)79.866
نقطه ذوب                                                                 (۰C) 1843 شماره (CAS No)                                                      ۱۳۴۶۳-۶۷-۷
حلالیت در آب                                                               نامحلول نام آیوپاک                                                         Titanium dioxide

 

منابع در طبیعت

 

دی اکسید تیتانیوم به عنوان مواد معدنی روتیل و آناتاز در طبیعت رخ می دهد. علاوه بر این، دو فرم فشار بالا مواد معدنی شناخته شده هستند: یک فرم مونوکلینیک بددلایت مانند معروف به akaogiite، و دیگری فرم ارترومبیک α-PbO2 معروف به بروکیت است، که هر دو را می توان در دهانه Ries در بایرن یافت.

 

این ماده عمدتا از سنگ معدن ایلمنیت تهیه می شود که گسترده ترین شکل سنگ معدن دی اکسید تیتانیوم در سراسر جهان است. روتیل ماده فراوان بعدی است و حاوی حدود ۹۸٪ دی اکسید تیتانیوم در سنگ معدن می باشد. فازهای آناتاز قابل تغییر و بروکیت با گرم شدن بالاتر از دما در محدوده ۶۰۰-۸۰۰ درجه سانتیگراد به طور غیرقابل بازگشت به فاز روتیل تعادل تبدیل می شوند.

 

روش تولید تیتانیوم دی‌اکسید

 

روش تولید تیتانیوم دی‌اکسید

 

روش تولید به ماده اولیه بستگی دارد. متداول ترین منبع معدنی ایلمنیت است. شن و ماسه معدنی روتیل فراوان همچنین می تواند با فرآیند کلراید یا فرآیندهای دیگر خالص سازی شود. ایلمنیت یا از طریق فرآیند سولفات یا فرآیند کلرید به دی اکسید تیتانیوم درجه رنگدانه تبدیل می شود.

 

هر دو فرآیند سولفاته و کلرید رنگدانه دی اکسید تیتانیوم را به شکل بلور روتیل تولید می کنند، اما فرآیند سولفاته را می توان برای تولید فرم آناتاز تنظیم کرد. از آناتاز نرم تر، در مصارف الیاف و کاغذ استفاده می شود. فرآیند سولفاته به عنوان یک فرایند دسته ای اجرا می شود و فرآیند کلراید به عنوان یک فرآیند مداوم اجرا می شود.

 

روش های تخصصی تولید

 

روش های تخصصی تولید

 

برای کاربردهای خاص، لایه های نازک TiO۲ توسط متدهای شیمیایی تخصصی مختلف تهیه می شوند. مسیرهای سل-ژل شامل هیدرولیز آلکوکسیدهای تیتانیوم مانند اتوکسید تیتانیوم است:

 

Ti(OEt)۴ + ۲H۲O → TiO۲ + ۴EtOH

 

این فناوری برای تهیه فیلم ها مناسب است. یک رویکرد مرتبط که به پیش سازهای مولکولی نیز متکی است، شامل رسوب بخار شیمیایی است. در این روش، الکوکسید فرار شده و سپس در اثر تماس با یک سطح گرم تجزیه می شود:

 

Ti(OEt)۴ → TiO۲ + ۲Et۲O

 

کاربردهای دی اکسید تیتانیم

 

کاربردهای دی اکسید تیتانیم

 

این ماده مهمترین زمینه های کاربردی اش در صنعت رنگ، لاک، همچنین کاغذ و پلاستیک است که حدود ۸۰٪ مصرف دی اکسید تیتانیوم در جهان را تشکیل می دهد. سایر کاربردهای آن به عنوان رنگدانه مانند جوهر چاپ، الیاف، لاستیک، محصولات آرایشی و بهداشتی و مواد غذایی ۸٪ دیگر را تشکیل می دهند.

 

تیتانیوم دی اکسید در تولید تیتانیوم خالص فنی، سرامیک شیشه و الکتریکی، پتاسیم های فلزی، کاتالیزورها، هادی های الکتریکی و واسطه های شیمیایی استفاده می شود. اولین بار که این ماده در سال ۱۹۱۶ به صورت انبوه تولید شد، به دلیل روشنایی و ضریب شکست بسیار بالا آن، پرمصرف ترین رنگدانه سفید بود که تنها با چند ماده دیگر قابل رقابت بود.

 

لایه های نازک

 

لایه های نازک

 

هنگامی که دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک فیلم نازک رسوب می کند، ضریب شکست و رنگ، آن را به یک پوشش نوری انعکاسی عالی برای آینه های دی الکتریک تبدیل می کند. این ماده همچنین در تولید فیلم های نازک تزئینی مانند “توپاز آتشین آتش” مورد استفاده قرار می گیرد.

 

برخی از درجه های رنگدانه اصلاح شده بر پایه تیتانیوم که در رنگ های درخشان، پلاستیک، مواد تکمیل کننده و مواد آرایشی استفاده می شود، رنگدانه های ساخته شده توسط بشر هستند که ذرات آنها دارای دو یا چند لایه اکسید مختلف هستند.غالباً دی اکسید تیتانیوم، اکسید آهن یا آلومینا، به دلیل داشتن درخشش، اثرات رنگین کمانی و یا مرواریدی مشابه محصولات خرد شده میکا یا گوانین، به کار برده می شوند.

 

علاوه بر این اثرات، بسته به نحوه و زاویه روشن شدن محصول نهایی و ضخامت لایه اکسید در ذره رنگدانه، تغییر رنگ محدودی در فرمولاسیون های خاص امکان پذیر است. یک یا چند رنگ با انعکاس ظاهر می شوند در حالی که رنگ های دیگر به دلیل تداخل لایه های شفاف دی اکسید تیتانیوم ظاهر می شوند.

 

اثر تابشی در این ذرات اکسید تیتانیوم بر خلاف اثر مات است که با رنگدانه اکسید تیتانیوم آسیاب شده معمول در اثر استخراج بدست می آید، در این حالت فقط قطر خاصی از ذره در نظر گرفته می شود و اثر فقط به دلیل پراکندگی می باشد.

 

ضد آفتاب و رنگدانه های مسدود کننده UV

 

ضد آفتاب و رنگدانه های مسدود کننده UV

 

در محصولات آرایشی و بهداشتی و مراقبت از پوست، از دی اکسید تیتانیوم به عنوان رنگدانه، ضد آفتاب و غلیظ کننده استفاده می شود. به عنوان یک ضد آفتاب، از TiO۲ فوق العاده ریز استفاده می شود، که در ترکیب آن با اکسید روی فوق العاده ریز قابل توجه است. بعضی اوقات این مسدود کننده های UV با رنگدانه های اکسید آهن در ضد آفتاب ترکیب می شوند تا باعث محافظت در برابر نور مرئی شوند.

 

دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی به طور کلی در مقایسه با ضد آفتاب هایی که شامل مواد شیمیایی مانند اکسی بنزون​​، اوکتوکریلین و اوکتینوکسات هستند، برای صخره های مرجانی آسیب کمتری دارند. دی اکسید تیتانیوم نانوسیم در اکثر کرم های ضد آفتاب فیزیکی به دلیل قابلیت جذب قوی اشعه ماورا UV بنفش و مقاومت در برابر تغییر رنگ در زیر نور ماوراء بنفش یافت می شود.

 

این مزیت باعث افزایش پایداری و توانایی محافظت از پوست در برابر اشعه ماورا بنفش می شود. مقیاس نانو (اندازه ذرات ۲۰ تا ۴۰ نانومتر) ذرات دی اکسید تیتانیوم اساساً در لوسیون ضد آفتاب استفاده می شود زیرا نور مرئی را بسیار کمتر از رنگدانه های دی اکسید تیتانیوم پراکنده می کند و می تواند از اشعه ماورا بنفش محافظت کند.

 

آیا تیتانیوم دی‌اکسید خطرناک است؟

 

آیا تیتانیوم دی‌اکسید خطرناک است؟

 

دی اکسید تیتانیوم با عوامل احیا کننده و اسیدهای قوی سازگار نیست و میان آنها واکنش های خشن یا رشته ای با فلزات مذاب که الکتروپوزیتی هستند، اتفاق می افتد.

 

در بسیاری از کرم های ضد آفتاب از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (همراه با نانوذرات اکسید روی) استفاده می شود که علی رغم گزارش های مربوط به خطرات احتمالی سلامتی، در واقع از طریق پوست جذب نمی شود. سایر تأثیرات نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر سلامت انسان به خوبی شناخته نشده است.

 

گرد و غبار دی اکسید تیتانیوم، هنگام استنشاق، توسط آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) به عنوان سرطان زای گروه ۲B IARC طبقه بندی شده است، به این معنی که احتمالاً برای انسان سرطان زاست.

 

یافته های IARC بر این اساس استوار است که غلظت زیاد گرد و غبار تیتانیوم دی‌اکسید با درجه رنگدانه (پودر) و فوق ریز باعث ایجاد سرطان دستگاه تنفسی در موش های صحرایی شده که در اثر استنشاق و تزریق داخل تراشه قرار گرفتند.